管壳式热交换器计算
管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟
毕业设计（论文）管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟专业年级2007级热能与动力工程专业学号姓名******** 杨郭指导教师刘巍评阅人刘庆君二零一一年六月中国南京任务书课题名称：管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟课题类型：毕业论文任务书内容:1、英文资料的翻译5千个汉字字符以上（要求和热动、空调、能源、环境、新能源等本专业有关的内容，可以是英文著作、设备使用手册、英文文献检索、英文专利文献、网上专题介绍等实用性的、将来工作中可遇到的相关题材的文章，最好不要是科普类、教学类的英文）2、使用的原始资料（数据）及设计技术要求：2.1.管壳式换热器，热交换功率100kW，200kW。
2.2.温度进口350~500℃，出口温度150~200℃，流速可变；温度进口100~150℃，出口温度300~450℃，流速可变。
其总流阻损失应在满足规定要求。
2.3.换热器材料可选，几何尺寸可变；工作介质可选择（空气、水、氟利昂） 2.4.换热器外壁面绝热保温； 2.5.采用CFD模拟计算与能量分析，对系统进行相关工况的模拟；3、设计内容：3.1. 学习和消化设计任务书，按照设计任务书的设计内容，拟定工作内容和计划，拟定出设计和计算的每个过程中应该遵循设计要求与规定。
3.2.查找和收集有关管壳式换热器的历史和现状资料，查找相关管壳式换热器的运用案例，及其相关的技术条件和运行要求。
3.3.以科技文献检索，包括期刊、专利、设计标准、产品标准、设计手册、产品样本，寻找和熟悉相关的分析计算软件；熟悉设计工具软件、电脑等；3.4.根据已知参数，用ProE设计出符合要求的管壳式换热器，并学习如何导入相关软件进行网格设计；3.5.进行管壳式换热器CFD网格设计，用fluent软件对管壳式换热器进行变工况运行能量分析；3.5.分析计算换热器的流阻损失，其结果的合理性，分析提高换热效率主要手段和改进的方向。
3.6.输出的计算文件包括：3.6.1.完整的毕业设计任务书3.6.2.符合要求的算模型的结构、尺寸； 3.6.3.换热计算的过程、表格，计算结果的结论等等； 3.6.4.规定状态的CFD模拟结果和能量分析图； 3.6.5.毕业设计论文； 3.7.把所作的工作、学习的体会、方案的选择过程、计算方案过程等写在过程手册中，写好毕业设计论文。
壳管式换热器传热系数
壳管式换热器传热系数摘要：1.壳管式换热器的概述2.壳管式换热器的传热系数的计算方法3.影响壳管式换热器传热系数的因素4.提高壳管式换热器传热系数的建议5.结论正文：壳管式换热器是一种广泛应用于工业领域的热交换设备，其主要由壳体、管束、管板和密封件等组成。
壳管式换热器的主要工作原理是利用管内和管外的两种流体进行热交换，以实现热量的传递。
在实际应用中，为了提高换热器的传热效率，需要对其传热系数进行优化和计算。
壳管式换热器的传热系数的计算方法通常包括以下几个步骤：首先，需要确定流速、管程数目、挡板间距等参数，以计算管程压降。
若管程允许压降已经有规定，可由计算公式来计算管程数Ns；其次，参考表选定流速，选定挡板间距，计算壳程压降。
若压降不符合要求，要调整流速，再选定管程和折流挡板间距，或选择其它型号的换热器，重新计算压降直到符合要求为止；然后，计算管内传热系数hi 和壳程传热系数hO。
当管内传热系数hi< K 估时，则应增加管壳数，若改变管程不能同时符合hi> K 估、pi 和p 允，则应重新估计K 估(减小)，另选一台换热器型号进行试算。
影响壳管式换热器传热系数的因素有很多，主要包括以下几点：1.流体的性质：不同的流体具有不同的热传导性能，因此流体的性质对传热系数有很大影响。
2.流速：流速越大，传热系数越大，但流速过高会增加压力损失，影响换热器的工作效率。
3.管径和管间距：管径和管间距的增大会降低传热系数，因此需要根据实际工况选择合适的管径和管间距。
4.换热器的结构：换热器的结构设计直接影响传热系数，如管束的排列方式、管壁的厚度等。
为了提高壳管式换热器的传热系数，可以采取以下措施：1.优化换热器的结构设计，提高管壁的导热性能。
2.选择合适的流速和管程数目，以降低压力损失。
3.调整挡板间距，以增加壳程传热系数。
4.选择具有高传热性能的材料制作换热器。
总之，壳管式换热器的传热系数受多种因素影响，需要根据实际工况进行优化和计算。
管壳式换热器热工选型计算_陈亮
2014年 第1期 化学工程与装备2014年1月 Chemical Engineering & Equipment101管壳式换热器热工选型计算陈 亮（兰州兰石重型装备股份有限公司技术研发中心，甘肃 兰州 730000）摘 要：本文探讨了运用HTRI 软件进行管壳式换热器热工选型计算的一般步骤要求，提出了对设计过程中常见问题的解决方案，可以为此类换热器的设计选型提供参考。
关键词：管壳式换热器；热工设计；HTRI；选型计算 引言管壳式换热器是石油、化工、动力和原子能等行业中应用最广泛的间壁式传热型换热器，其既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器，适用范围从真空到超高压（超过100MPa），从低温到高温（超过1100℃），其作为化工生产中重要的单元设备，约占市场多于65%的份额，因此对于工程设计人员来说，管壳式换热器的设计计算十分重要。
现结合某国内项目氨蒸发器的选型计算，介绍利用HTRI 选型计算的基本要素及注意事项。
1 计算步骤设计时先选择D esign mode 输入基本数据以确定初步方案，继而选择Simulation 及Rating mode，并调整壳体和换热管的直径、折流板数、折流板间距、换热管数目、折流板切口等参数详细计算以符合设计要求。
1.1 输入数据及运行D esign mode运用HTRI 软件进行管壳式换热器的选型设计，首先需要完成数据的输入，输入数据主要分为传热数据和机械数据两部分，在Input summary 模块下的Geometry、Piping、Process、Hot Fluid Properties、Cold Fluid Properties、D esign 和Control，需要输入数值的地方都以红框显示，软件默认值及单位显示在窗口上，如下图1所示：图1 HTRI数据输入界面1.2 运行Rating mode根据软件在D esign mode 中计算出的壳径，换热管规格大小、排列角度，折流板的切割方式等基本信息，选择运行Rating mode 模式和Simulation mode 模式，在Inputsummary 页面调整换热器的规格，使得管程压降和壳程压降都满足允许压降，传热系数大，保证传热效率高，实际传热Actual U 大于要求传热Required U,调整到合适的换热面积裕量，选择较大的有效温差值，如下图2所示：102 陈 亮：管壳式换热器热工选型计算图2 计算数据输出数据表1.3 调整、优化选型结果模拟完成后，查看运行程序结果Program Messages，软件将给出计算的相应提示，可能显示为Fatal、warning 、Informative Messages 的全部或部分信息，一般是关于振动（vibration）的问题较常见，可以再重新点击到输入栏（Input）中进行相应的设置，再次运行软件直至计算结果满足要求。
热交换器计算示例-精
《热交换器计算示例》2.6 管壳式热交换器[例2.2] 试对固定管板的管壳式煤油冷却器进行传热计算、结构计算和阻力计算。
在该热交换器中，要求将14 t/h的T-1煤油由140 ℃冷却到40 ℃，冷却水的进、出口水温为30 ℃和40 ℃，煤油的工作表压力为0.1 MPa，水的工作表压力为0.3 MPa。
[解]由已知条件，选用两台〈1－2〉型管壳式热交换器串联工作，水的结垢性强，工作压力也较高，故使其在管程流动，而煤油的温度、压力均不高，且较洁净，在壳程流动也是合适的，计算过程和结果列于表2.11中。
表2.11 例2.2计算表格3.1 螺旋板式热交换器[例3.1] 试设计一台螺旋板式热交换器，将质量流量3 000kg/h的煤油从t′1= 140℃冷却到t″1=40℃。
冷却水入口温度t′2=30 ℃，冷却水量为M2=15 m3/h。
[解]①煤油的热物性参数值煤油平均温度按卡路里温度计算，即t1m＝t″1＋F c (t′1－t″1)＝40＋0.3(140－40)＝70℃。
查得煤油在70℃时物性参数值：黏度μ1＝10.0×10－4kg/(m·s)，导热系数λ1＝0.14 W/(m·℃)，比热c p1＝2.22×103J/(kg·℃)，密度ρ1＝825 kg/m3。
②传热量QQ＝M1 c p1 (t′1－t″1)＝3 000×2.22×103×(140－40)＝666 000×103J/h③冷却水出口温度t″2由Q＝M2 c p2 (t″2－t′2)，得t″2＝QM2c p2＋t′2＝666 000×10315×994×4.18×103＋30＝40.6℃④冷却水的热物性参数值冷却水的平均温度t2m＝t′2＋t″22＝35.3℃，冷却水在该温度下的热物性参数值为：黏度μ2＝7.22×10－4kg/(m·s)，导热系数λ2＝0.627 W/(m·℃)，比热c p2＝4.18×103J/(kg·℃)，密度ρ2＝994 kg/m3。
管壳式换热器的设计及计算
管壳式换热器的设计及计算管壳式换热器是常见的一种热交换设备，用于在流体之间进行热量传递。
它由一个外壳和多个热交换管组成。
在设计和计算管壳式换热器时，需要考虑以下几个方面：选择换热器类型、确定换热器尺寸、确定流体特性、计算热量传递量和压降等。
下面将详细介绍管壳式换热器的设计及计算过程。
首先，选择适合的换热器类型。
根据具体的应用和流体特性，可以选择不同类型的管壳式换热器，如定压式、定温式、冷凝器和蒸发器等。
每种类型的换热器都有特定的性能和适用范围，需根据实际需求确定。
接下来，确定换热器的尺寸。
首先要确定传热面积，这取决于所需的传热量和两种流体间的温度差。
一般来说，换热器的传热面积越大，传热效果越好。
然后确定换热器的外壳直径和长度，这取决于流体的流速、流量和压降要求。
根据流体速度和流量计算出流道的横截面积，再确定壳程内的流道数量，最后通过换热器的设计公式计算出外壳直径和长度。
确定流体特性是设计换热器的关键一步。
需要收集并分析流体的物性数据，如温度、压力、流速、密度、热容等。
这些参数将用于计算热量传递量和压降。
此外，还需要考虑流体的腐蚀性、粘度和污染物含量等因素，在选择材料时要注意其耐腐蚀性能和抗堵塞能力。
计算热量传递量是设计换热器的核心任务。
可以使用传热计算公式，如奥兹逊公式、Nusselt数公式等，根据流体的特性参数计算出传热系数。
传热系数与换热器的结构、流体速度和物性参数有关。
通过计算热传导、对流和辐射等传热机制，可以得到热量传递量的准确数值。
最后，要计算管壳式换热器的压降。
压降是流体通过换热器时产生的能量损失。
为了保证流体的正常流动和换热效果，需要控制良好的压降。
可以通过实验或计算公式，如达西公式和克尔文公式，预测换热器内的压降情况。
根据流体的流速、流量和物性参数，计算出壳程和管程内的压降，并进行整体的能量平衡计算。
综上所述，管壳式换热器的设计和计算包括选择换热器类型、确定尺寸、确定流体特性、计算热量传递量和压降等步骤。
换热器设计计算范例
换热器设计计算范例换热器是一种用于传递热量的设备，常用于工业生产中的加热、冷却或蒸发等工艺过程中。
在设计换热器时，我们需要考虑的主要参数包括换热面积、传热系数、温度差以及流体性质等。
下面就以一种换热器设计计算范例进行说明。
假设我们需要设计一个管壳式热交换器，用于加热水和空气的热交换。
设计要求如下：1.加热水的进口温度：70℃2.加热水的出口温度：90℃3.空气的进口温度：25℃4.空气的出口温度：50℃5.加热水的流量：10m3/h6.空气的流量：1000m3/h首先，我们需要确定换热面积的大小。
根据传热计算的公式：Q=U×A×ΔT其中，Q为换热量，U为传热系数，A为换热面积，ΔT为温度差。
假设我们的换热器传热系数U为400W/（m2·℃），温度差ΔT为（90-70）=20℃。
根据公式，换热量可以计算为：Q=400×A×20我们将换热量Q设置为加热水的传热量，可得：Q1=400×A×20为了方便计算，我们将流体的热容量乘以流量定义为A1（加热水）和A2（空气）。
可得：Q1=A1×ΔT1代入已知数值，可得：Q1=10×4.186×(90-70)×1000接下来，我们需根据另一组流体参数计算出Q2（空气）。
Q2=A2×ΔT2代入已知数值，可得：Q2=1.005×1000×(50-25)×1000根据Q1、Q2和总换热量的平衡关系：Q1+Q2=400×A×ΔT可得：10×4.186×(90-70)×1000+1.005×1000×(50-25)×1000=400×A×20解得：A=0.523m2根据已知的流量和管道尺寸，可计算出流速。
流速=流量/A代入数值：流速=10/0.523流速=19.1m/s接下来，我们要确定换热器的结构。
管壳式热交换器的热力计算
3. 壳程流通截面积的确定
a. 纵向隔板，要确定其长度。
采用连续性方程。
标准： 使流体在纵向隔板转弯时的流速与各流程中顺管束流动时速度基本相等。 问题: 怎么确定壳程流速？
b. 弓形折流板，要确定其缺口高度。
标准： 流体在缺口处的流通截面积与流体在两折流板间错流的流通截面积 相接近，以免因流动速度变化引起压降。
b) 回弯阻力
Pi 4
wt2
2
Zt
Pa,
Z t 管程数
c) 进、出口连接管阻力
Pi 1.5
2 wn
2
Pa
2. 壳程阻力计算
a) 无折流板 可直接利用直管中沿程阻力计算公式 4A 当量直径 d 自由流通面积和湿周 U b) 弓形折流板 包括了顺流和叉流的复杂流动，有间隙泄漏、旁路等，所以很难准确地计 算阻力 贝尔-台华法 具体方法见课本
四、管壳式热交换器的合理设计
1．流体在热交换器内流动空间的选择原则：
1）提高传热系数小的一侧的换热系数 2）省材料，降低成本 3）便于清洗检修 4）减少和环境的热量交换 5）减少受热不匀造成的热应力 管内：容积流量小的，不清洁易结垢的，压力高的、有腐蚀性的，加热设备 中的高温流体或低温设备中的低温流体 壳体：容量大尤其是气体，刚性结构换热器中对流传热系数较大的流体，饱 和蒸汽等
山东大学· Βιβλιοθήκη 源与动力工程学院 杜文静第二章 管壳式换热器
一．管壳式热交换器的结构计算
结构计算的目的在于确定设备的主要结构参数和尺寸，包括： (1) 计算管程流通截面积，包括确定管子尺寸、数目、管程数，并选择管 子的排列方式等； (2) 确定壳体直径； (3) 计算壳程流通截面积，包括折流板类型； (4) 计算进出口连接管尺寸。
管壳式换热器
管/壳程设计压力（MPa），压力相等时只写Pt 公称直径(mm)，对釜式重沸器用分数表示， 分子为管箱内直径，分母为圆筒内直径
第一个字母代表前端管箱型式，第二个字母代表壳体型式， 第三个字母代表后端结构型式
管壳式换热器的类型、标准与结构
管壳式换热器的类型、标准与结构
粘度在10-3 Pa·s以下的低粘性液体，Ft=0. 应用虎克定律，可分别求出管子所受的压缩力和壳体所受的拉伸力。 拉杆是一根两端皆带螺纹的长杆，一端拧入管板，折流板穿在拉杆上，各折流板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离，最后 一块折流板用螺母拧在拉杆上紧固。 折流板泄漏校正系数Rl 折流板厚度：为了防振、并能承受拆换管子时的扭拉作用，折流板须有一定厚度。 旁路挡板的安装：旁路挡板厚度一般与折流板厚度相同，可将它嵌入折流板槽内，并点焊在每块折流板上。 第三个字母代表后端结构型式 管壳式换热器主要组合部件有前端管箱、壳体和后端结构(包括管束)三部分，三部分的不同组合，就形成结构不同的换热器。 当设备上无安装折流板的要求(如冷凝换热)时，应该安装一定数量的支持板，用来支撑换热管，防止它产生过大挠度。 解决方法：在外壳上装设膨胀节，减小但不能完全消除温差热应力，且在多程换热器中，这种方法不能照顾到管子的相对移动。 管壳式换热器的热补偿问题 具有膨胀节的固定管板式换热器 公称直径(mm)，对釜式重沸器用分数表示， 14因子来校正，则不论加热或冷却，均可取(mf/mw)0. 此修正项的计算，往往由于壁温未知而要用试算法； 显然，长管不便于拆换和清洗，增加程数则使构造复杂，并在无相变的换热器中引起平均温差的降低。 （3）当管束与壳体的温差太大而产生不同的热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开，从而发生流体的泄漏。 （1）传热面一定时，增加管长可使换热器直径减小，从而使换热器的成本有所降低。 (8) 折流板外缘与壳体内壁之间的泄漏面积Asb 管长应选用标准值：GBl51-1999推荐换热管长度为：l000、1500、2000、2500、3000、4500、6000、7500、9000、12000 mm等
管壳换热器 传热系数
管壳换热器传热系数摘要：一、引言二、管壳式换热器的传热系数概述三、影响管壳式换热器传热系数的因素四、管壳式换热器传热系数的计算方法五、经验公式和试验数据在传热系数计算中的应用六、结论正文：一、引言管壳式换热器是一种广泛应用于工业领域的热交换设备，其传热系数的高低直接影响到换热器的工作效率。
因此，了解管壳式换热器的传热系数并掌握其计算方法具有重要意义。
二、管壳式换热器的传热系数概述管壳式换热器的传热系数是指在单位时间内，通过单位面积的换热器壁面所传递的热量。
传热系数包括热传导系数、对流换热系数和热辐射系数三部分。
三、影响管壳式换热器传热系数的因素影响管壳式换热器传热系数的因素主要有以下几点：1.管壳材料：材料的导热性能直接影响传热系数；2.管径和管间距：管径和管间距的大小会影响流体的流动状态，从而影响对流换热系数；3.流速：流速的快慢会影响对流换热系数；4.换热器的结构形式：不同的结构形式会影响传热系数；5.工况条件：如温度、压力等。
四、管壳式换热器传热系数的计算方法管壳式换热器传热系数的计算方法通常采用努塞尔数（Nu）法或雷诺数（Re）法。
努塞尔数法主要适用于气液换热，雷诺数法适用于气气或液液换热。
五、经验公式和试验数据在传热系数计算中的应用在实际工程中，为了简化计算过程，通常会使用经验公式或试验数据来估算传热系数。
例如，《柴油机设计手册》中提供了柴油机和内燃机车散热器的传热系数试验数据，可作为参考。
六、结论管壳式换热器的传热系数受多种因素影响，计算方法有多种，实际应用中可根据具体情况选择合适的方法。
管壳式换热器
弓形折流板的排列
弓形折流板尺寸：缺口大小（高度h）和板间距B
管壳式换热器的类型、标准与结构
缺口大小：按切去弓形弦高占壳体内径百分比（h/Di）来确定
单相换热：h/Di=(20-25)% 壳程蒸发：h/Di=45% 壳程冷凝：h/Di=(25-45)%。
等边三角形法
同心圆法
正方形法
管壳式换热器的类型、标准与结构
等边三角形排列：传热性能好，但流动阻力大； 同心圆排列：紧凑，布管均匀，但制造和装配比较困难；
正方形排列：清洗方便，流动阻力小，但传热性能差。
组合排列：用于多管程换热器中，每一程都采用等边三角形排列，而 在各程相邻管排间，为便于安装隔板，则采用正方形排列。 转角排列：（1）流体流动方向与三角形一边平行的转角等边三角形排 列；（2）流体的流动方向与正方形一条对角线垂直的转角正方形排列
管壳式换热器
管壳式换热器的类型、标准与结构
1) 固定管板式换热器
结构：将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，管板与 壳体固定在一起。
特点：
（1）结构比较简单、重量轻，成本低，在壳程程数相同的条件 下可排的管数多； （2）壳程不能检修和清洗，因此，宜于不易结垢和清洁的流体 换热； （3）当管束与壳体的温差太大而产生不同的热膨胀时，常会使 管子与管板的接口脱开，从而发生流体的泄漏。
安装：焊接在管箱上，在管板上设分程隔板槽，槽的宽度、深度
及拐角处的倒角等均有具体规定。
管壳式换热器的类型、标准与结构
常见管板分程布置
管壳式换热器的类型、标准与结构
折流板和支持板
作用：（1）使流体横掠管束，增大传热系数；（2）支撑管束；
《热交换器原理与设计》管壳式热交换器
流动状况
壁面因素
热交换器流动阻力分类 摩擦阻力
局部阻力
14
管壳式热交换器的阻力
管程阻力 壳程阻力
阻力不允许超过允许范围
一、管程阻力的计算
沿程阻力△Pi 回弯阻力△Pr
pt pi Pr PN
进出口连接管阻力△PN 15
沿程阻力△Pi
Pi
L
di
wt
2
2
i
式中： λ——莫迪圆管摩擦系数
17
对于多管程换热器，流体总阻力应等于各程直管阻力、 回弯阻力及进、出口阻力之和（通常忽略进、出口阻力）：
pi p1 p2 Ft Ns N p
p1—流体流经直管的压力降，N/m2； p2—流体流经回弯管时的压力降，N/m2； Ft—结垢修正系数，25×2.5mm1.4， 19×2mm1.5； Ns—串联的壳程数； Np—管程数。 直管压力降 p1 可按流体力学的一般公式进行计算；
冷却
气体
6
液体
加热 冷却
f
0.14
w
1.05
f
0.14
w
0.95
气体
f
0.14
w
1.0
同时存在对流换热与辐射换热的处理
具有辐射能力的气体 温度较高
辐射 对流
总换热系数
7
c r
辐射
T1
4
T2
4
方法 作图
牛顿迭代法。
11
在某一钢制立式管壳式热交换器中用饱和温度ts=111.38℃ 的蒸汽加热某种溶液，已知其管径为Φ32×2mm，管高l=1.5m，
列管式换热器的计算
列管式换热器的计算列管式换热器是一种常见的热交换设备，用于将热量从一个流体传递给另一个流体。
它由一组管子和外壳组成，热量通过管壁传递。
在设计或计算列管式换热器时，需要考虑各种参数和因素。
下面将详细介绍列管式换热器的计算方法。
首先，需要确定列管式换热器的传热面积。
传热面积影响热量传递的效率，可以通过以下公式计算：A=n×π×D×L其中：A表示传热面积（m2）n表示管子数量D表示管子外径（m）L表示管子长度（m）然后，需要计算每个管子的传热系数。
传热系数表示单位面积上的传热量，可以通过以下公式计算：U=(1/(1/h_i+δ_i/k_i+1/h_o))其中：U表示总传热系数（W/(m2·K)）h_i表示内壁对流传热系数（W/(m2·K)）δ_i表示管壁导热系数（W/(m·K)）k_i表示管壁导热系数（W/(m·K)）h_o表示外壁对流传热系数（W/(m2·K)）对流传热系数可以通过经验公式、实验或计算获得。
管壁导热系数可以根据管材的材料及厚度获得。
接下来，需要计算传热器的热负荷。
热负荷表示单位时间内流体传递的热量，可以通过以下公式计算：Q=m×Cp×ΔT其中：Q表示热负荷（W）m 表示流体的质量流量（kg/s）Cp 表示流体的定压比热容（J / (kg·K)）ΔT表示流体进出口温度的温差（K）最后，需要计算传热器的温度差。
温度差表示流体进出口温度之间的差距，可以通过以下公式计算：ΔT = (T_i - T_o) / ln(T_i / T_o)其中：ΔT表示温度差（K）T_i表示进口温度（K）T_o表示出口温度（K）根据以上公式，可以计算出列管式换热器的传热面积、传热系数、热负荷和温度差。
这些参数和结果对于合理设计和选择列管式换热器非常重要。
换热器热量及面积计算公式
换热器热量及面积计算一、热量计算1、一般式Q=Q c=Q hQ=W h（H h,1- H h,2）= W c（H c,2- H c,1）式中：Q为换热器的热负荷，kj/h或kw；W为流体的质量流量，kg/h；H为单位质量流体的焓，kj/kg；下标c和h分别表示冷流体和热流体，下标1和2分别表示换热器的进口和出口。
2、无相变化Q=W h c p,h(T1-T2)=W c c p,c(t2-t1)式中：c p为流体平均定压比热容，kj/(kg.℃)；T为热流体的温度，℃；t为冷流体的温度，℃。
3、有相变化a.冷凝液在饱和温度下离开换热器，Q=W h r = W c c p,c(t2-t1)式中：W h为饱和蒸汽（即热流体）冷凝速率（即质量流量）（kg/s）r为饱和蒸汽的冷凝潜热（J/kg）b.冷凝液的温度低于饱和温度，则热流体释放热量为潜热加显热Q=W h[r+c p,h（T s-T w）] = W c c p,c(t2-t1)式中：c p,h为冷凝液的比热容（J/（kg/℃））；T s为饱和液体的温度（℃）二、面积计算1、总传热系数K管壳式换热器中的K值如下表：注：1 w = 1 J/s = 3.6 kj/h = 0.86 kcal/h1 kcal = 4.18 kj2、温差（1）逆流热流体温度T：T1→T2冷流体温度t：t2←t1温差△t：△t1→△t2△t m=（△t2-△t1）/㏑（△t2/△t1）（2）并流热流体温度T：T1→T2冷流体温度t：t1→t2温差△t：△t2→△t1△t m=（△t2-△t1）/㏑（△t2/△t1）对数平均温差，两种流体在热交换器中传热过程温差的积分的平均值。
( 恒温传热时△t=T-t，例如：饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。
) 对数平均温差因为在冷凝器板换一系列的换热器中温度是变化的为了我们更好的选型计算所以出来一个相对准确的数值,当△T1/△T2>1.7时用公式：△Tm=（△T1-△T2）/㏑（△T1/△T2）.如果△T1/△T2≤1.7时，△Tm=（△T1+△T2）/2二种流体在热交换器中传热过程温差的积分的平均值。
换热器热量及面积计算公式
换热器热量及面积计算一、热量计算1、一般式Q=Q c=Q hQ=W h（H h,1- H h,2)= W c(H c,2- H c，1)式中:Q为换热器的热负荷，kj/h或kw；W为流体的质量流量,kg/h;H为单位质量流体的焓，kj/kg;下标c和h分别表示冷流体和热流体，下标1和2分别表示换热器的进口和出口。
2、无相变化Q=W h c p，h(T1—T2)=W c c p，c(t2-t1）式中:c p为流体平均定压比热容，kj/（kg.℃)；T为热流体的温度,℃；t为冷流体的温度，℃。
3、有相变化a。
冷凝液在饱和温度下离开换热器，Q=W h r = W c c p，c（t2—t1)式中:W h为饱和蒸汽（即热流体）冷凝速率（即质量流量）(kg/s）r为饱和蒸汽的冷凝潜热(J/kg)b.冷凝液的温度低于饱和温度，则热流体释放热量为潜热加显热Q=W h［r+c p，h（T s—T w）］= W c c p,c(t2-t1)式中：c p,h为冷凝液的比热容(J/（kg/℃））；T s为饱和液体的温度（℃）二、面积计算1、总传热系数K管壳式换热器中的K值如下表：注：1 w = 1 J/s = 3。
6 kj/h = 0。
86 kcal/h1 kcal = 4.18 kj2、温差（1)逆流热流体温度T:T1→T2冷流体温度t：t2←t1温差△t：△t1→△t2△t m=（△t2—△t1）/㏑(△t2/△t1）(2）并流热流体温度T：T1→T2冷流体温度t：t1→t2温差△t：△t2→△t1△t m=(△t2-△t1）/㏑（△t2/△t1）对数平均温差，两种流体在热交换器中传热过程温差的积分的平均值。
( 恒温传热时△t=T-t，例如：饱和蒸汽和沸腾液体间的传热.）对数平均温差因为在冷凝器板换一系列的换热器中温度是变化的为了我们更好的选型计算所以出来一个相对准确的数值，当△T1/△T2>1。
7时用公式:△Tm=(△T1-△T2）/㏑（△T1/△T2）。
管壳式换热器设计计算软件
管壳式换热器设计计算软件管壳式换热器是一种常见的热交换器，用于在工业过程中实现热量传递。
设计一个管壳式换热器需要进行一系列的计算，以确保换热器能够满足工艺要求，并具有合适的换热效果。
为了简化这个过程，可以使用管壳式换热器设计计算软件。
下面将详细介绍这个软件的功能和计算步骤。
1.换热器类型选择：软件可以提供不同类型的管壳式换热器供用户选择，如固定管板式、浮动管板式、U型管式等。
用户可以根据具体的工艺要求选择适合的类型。
2.热工参数计算：软件可以根据用户提供的热工参数，如流体的温度、流量等数据，自动计算换热器的热传导率和传热系数。
这些参数是换热器设计和性能评估的基础。
3.结构设计：软件可以根据用户提供的设计参数，如管束长度、管板间距、管壳接头方式等，自动生成换热器的结构设计。
这些参数直接影响换热器的尺寸和重量。
4.管束优化：软件可以通过计算不同管束类型的传热性能指标，如换热面积、热损失等，为用户提供管束设计的优化方案。
用户可以根据具体的工艺要求选择最合适的管束类型。
5.材料选择：软件可以提供不同材料的换热器管束和壳体选项，并计算其耐压性能和传热性能。
用户可以根据具体的工艺要求选择最合适的材料。
以上功能只是管壳式换热器设计计算软件的一部分，不同的软件可能还具备其他附加功能，如换热器的模拟和仿真功能，用户可以在软件中进行各种操作和实验，以评估换热器不同工况下的性能。
下面将以一个具体的设计计算为例，介绍常见的管壳式换热器设计步骤：1.确定工艺要求：首先，需要明确工艺要求，包括流体的温度、流量、压力等参数。
这些参数将直接影响换热器的设计和性能。
2.确定传热参数：根据流体的温度和热传导性质，可以计算出换热器的热传导率和传热系数。
这些参数是换热器设计和性能评估的基础。
3.计算换热面积：根据传热参数和工艺要求，可以计算出所需的换热面积。
通常，换热面积与流体的温度差和流量成正比。
4.确定结构参数：根据所需的换热面积和设计要求，可以确定换热器的结构参数，如管束长度、管板间距、管壳接头方式等。
热交换器原理与设计第2章 管壳式热交换器
☆旁路挡板可减小管束外环间隙的短路，用它增加阻力，迫 使大部分流体通过管束进行热交换。其厚度一般与折流板厚 度相同，将它嵌入折流板槽内，并点焊在每块折流板上。
弓形
圆盘形
管板
折流板
单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动
管板
圆盘形折流板
单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动
(a) 缺口上下交替排列
(b) 缺口左右交替排列
图2.17 弓形折流板的排列
(a)
(b) 正常
(c)
图2.18 缺口高度及板间距对流动的影响
(a) 缺口高度过小，板间距过大
4 (丁字形)
6
2.1.5 纵向隔板、折流板和支持板
☆为提高流体流速和湍流程度，强化壳程流体 传热，在壳程常装设纵向隔板或折流板。
☆折流板除使流体横过管束流动外，还有支撑 管束、防止管束振动和弯曲的作用。
☆折流板常用形式有：弓形、盘环形 (或称圆 盘－圆环形)。弓形折流板有 单弓形、双弓形和三弓形三种。
TB,out TA,in (tube side)
U形管式：将换热管弯成U形，管子两端固定在同一块
管板上，弯曲端不加固定。 换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。 只有一块管板，结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳 侧便于清洗，但管内清洗困难，管内介质必须清洁且不易 结垢。 壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程。
无法作准确预测和计算， 可靠方法是实际测量。
管壳式换热器结构设计与强度计算中的重要问题
管壳式换热器结构设计与强度计算中的重要问题管壳式换热器是一种常用的热交换器结构，其结构设计和强度计算是非常重要的问题。
在设计和计算过程中，需要考虑许多因素，包括材料选择、壳体和管道的结构、支撑和密封等。
以下是管壳式换热器结构设计和强度计算中的一些重要问题：1、材料选择选择合适的材料是管壳式换热器设计中最基本的问题之一。
材料应该具有足够的强度，耐腐蚀能力强，且具有良好的导热性能。
一般使用不锈钢、钛合金、镍基合金、铜合金等材料。
2、壳体和管道的结构壳体的结构应该具有足够的强度和刚度，以承受内部压力和外部载荷。
壳体由壳体头和壳体筒组成，一般采用对接或法兰连接方式。
管道的结构应该考虑流体的流动特性和换热流程的要求，一般采用不同的形状、长度和数量的管子，以满足流体的流量和换热效果要求。
3、支撑和密封在运行过程中，管壳式换热器需要足够的支撑和密封，以保证安全和稳定的运行。
支撑应该均匀，以避免管子的弯曲和扭转，导致热交换效率下降。
密封应该具有良好的密封性能，以避免流体泄漏或渗透，导致系统失效。
4、强度计算强度计算是管壳式换热器设计和制造中最重要的问题之一。
强度计算主要包括壳体和管子的强度计算、法兰连接的强度计算、焊接接头的强度计算等。
强度计算需要考虑不同的载荷情况、温度变化、材料蠕变等因素，以保证管壳式换热器在不同的工作条件下都具有足够的强度和安全性。
总之，管壳式换热器结构设计和强度计算是非常重要的问题，需要深入研究和细致分析，并结合实际应用要求进行优化和改进，以满足不同工况下的热交换需求。
《热交换器原理与设计》管壳式热交换器设计 2.2-2.3
温度发生畸变
28
流路E
多管程，安置分程隔板而使壳程形成了不为管子所 占据的通道，若用来形成多管程的隔板设置在主横 向流的方向上它将会造成一股或多股旁路
特点
设置挡管
贝尔法
内容： 理想管束的传热因子
校正
错流通过理想管束
换器结构参数 操作条件 29
ls——折流板间距； d0——管子外径； s——管间距；
sn——与流向垂直的管间距。 As，Ab，Ac之间的关系
As Ab Ac
As——为保证流速所需要的流通截面积
Ab——流体在缺口处的流通截面积
AC—两折流板间错流的流通截面积
14
（3）盘环形折流板
环板圆孔处的流通面积a1
盘板的流通面积a2
a1 a2 a3
三、壳程流通截面积的计算
内容： 确定纵向隔板或折流板的数目与尺寸。
纵向隔板
As M s / sws
式中：
AS′——为壳程流通截面积，m2； Ms——壳程流体的质量流量，Kg/s；
ρs——壳程流体的密度，Kg/m3
ws——壳程流体的流速，m/s；
8
纵向隔板长度确定的基本原则： 流体在纵向隔板转弯时的流速
Dw
2
nt
4 Ab
1 Fc d0
Ds
11、折流板数目
Nb
l ls
1
如果进出口段板间距不等于ls,则
Nb
l
ls,i ls,o ls
1
35
式中
ls,i ,——进口段从折流板到管板的距离。 ls,o——出口段从折流板到管板的距离
《热交换器原理与设计》管壳式热交换器设计21-23
内容 :
管程流通截面积 确定壳体直径 壳程流通截面积
进出口连接管尺寸
一、管程流通截面积的计算 单管程热交换器的管程流通截面积为：
36
At Mt /twt
式中： At——为管程流通截面积，m2；
Mt——为管程流体的质量流量，Kg/s； ρt——为管程流体的密度，Kg/m3； Wt——为管程流体的流速，m/s；
水平 竖直
竖直 转角
（a） (a单 )单弓形 （ 弓a） 形单弓形
转角
过程设备设计
(c（)三C）弓三弓形形 （C）三弓形
(b)双(弓 b形 )双(b弓)双形弓形
(d)（ 圆d） 盘四弓 -圆形环形（d）四弓形
弓形缺口高度h 应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近
缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示， 如单弓形折流板，h=(0.20～0.45)Di，最常用0.25Di。 13
作用: a. 减小跨距→防振 b.支承管子→增加管子刚度，防止管子产生过大挠度
形状尺寸: 同折流板
最大无支撑跨距:
换热管外径
10 12 14 16 19 25 32 38 45 57
最大无
钢管
- - 1100 1300 1500 1850 2200 2500 2750 3200
支撑跨距
有色金属 管
750
a1 a2 a3
a2
Dmh1
d0 sn
As a2a3
a3——盘周至圆筒内壁截面减去该处管子所占面积
Dm——环内径D1和盘径D2的算术平均值
sn ——与流向垂直的管间距
50
第三节 管壳式热交换器的传热计算
一、传热系数的确定
经验选用数据
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列管式换热器的设计计算列管式（管壳式）换热器的设计计算1．流体流径的选择哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。
(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。
(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。
(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。
(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。
(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。
(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。
在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。
2. 流体流速的选择增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。
但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。
所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。
此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。
例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。
管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。
这些也是选择流速时应予考虑的问题。
3. 流体两端温度的确定若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。
若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。
例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。
为了节省水量，可使水的出口温度提高些，但传热面积就需要加大；为了减小传热面积，则要增加水量。
两者是相互矛盾的。
一般来说，设计时可采取冷却水两端温差为5～10℃。
缺水地区选用较大的温度差，水源丰富地区选用较小的温度差。
4. 管子的规格和排列方法选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。
易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。
我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×2.5mm及φ19×mm两种规格的管子。
管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。
长管不便于清洗，且易弯曲。
一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。
系列标准中也采用这四种管长。
此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4～6(对直径小的换热器可大些)。
如前所述，管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，如第五节中图4－25所示。
等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。
正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。
正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。
管子在管板上排列的间距 (指相邻两根管子的中心距)，随管子与管板的连接方法不同而异。
通常，胀管法取t=(1.3～1.5)do，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥(d+6)。
焊接法取t=1.25do。
5. 管程和壳程数的确定当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。
为了提高管内流速，可采用多管程。
但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。
列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。
采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。
管程数m可按下式计算，即:(4-121)式中u―――管程内流体的适宜速度， m/s；u′―――管程内流体的实际速度， m/s。
当壳方流体流速太低时，也可以采用壳方多程。
如壳体内安装一块与管束平行的隔板，流体在壳体内流经两次，称为两壳程，但由于纵向隔板在制造、安装和检修等方面都有困难，故一般不采用壳方多程的换热器，而是将几个换热器串联使用，以代替壳方多程。
例如当需二壳程时，则将总管数等分为两部分，分别安装在两个内径相等而直径较小的外壳中，然后把这两个换热器串联使用，如图所示。
6. 折流挡板安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。
第五节的图4－26已示出各种挡板的形式。
最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10～40％，一般取20～25％，过高或过低都不利于传热。
两相邻挡板的距离(板间距)h为外壳内径D的(0.2～1)倍。
系列标准中采用的h值为:固定管板式的有150、300和600mm三种；浮头式的有150、200、300、480和600mm五种。
板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。
板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。
挡板切去的弓形高度及板间距对流体流动的影响如图3-42所示。
7. 外壳直径的确定换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。
根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可用作图法确定壳体的内径。
但是，当管数较多又要反复计算时，作图法太麻烦费时，一般在初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。
待全部设计完成后，仍应用作图法画出管子排列图。
为了使管子排列均匀，防止流体走"短路"，可以适当增减一些管子。
另外，初步设计中也可用下式计算壳体的内径，即: (4-122) 式中D――――壳体内径， m；t――――管中心距， m；nc―――－横过管束中心线的管数；b′―――管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，一般取b′=(1～1.5)do。
nc值可由下面的公式计算。
管子按正三角形排列时: (4-123)管子按正方形排列时: (4-124)式中n为换热器的总管数。
按计算得到的壳径应圆整到标准尺寸，见表4-15。
8．主要构件封头封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体(一般小于400mm)，圆形用于大直径的壳体。
缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。
导流筒壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间(死角)，为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。
放气孔、排液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。
接管尺寸换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即:式中Vs--流体的体积流量， /s；u --接管中流体的流速， m/s。
流速u的经验值为:对液体u=1.5～2 m/s对蒸汽u=20～50 m/s对气体u=(15～20)p/ρ (p为压强，单位为atm ；ρ为气体密度，单位为kg/ ) 9．材料选用列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。
在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。
同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。
目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。
不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。
10．流体流动阻力(压强降)的计算(1) 管程流体阻力管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。
对于多程换热器，其总阻力Δpi 等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。
一般进、出口阻力可忽略不计，故管程总阻力的计算式为:（4-125）式中Δp1、Δp2------分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，N/ ；Ft-----结垢校正因数，无因次，对于φ25×2.5mm的管子，取为1.4，对φ19×2mm的管子，取为1.5；Np-----管程数；Ns-----串联的壳程数。
上式中直管压强降Δp1可按第一章中介绍的公式计算；回弯管的压强降Δp2由下面的经验公式估算，即:(4-126)(2) 壳程流体阻力现已提出的壳程流体阻力的计算公式虽然较多，但是由于流体的流动状况比较复杂，使所得的结果相差很多。
下面介绍埃索法计算壳程压强Δpo的公式，即:(4-127)式中Δp1′-------流体横过管束的压强降，N/ ；Δp2′-------流体通过折流板缺口的压强降，N/ ；Fs --------壳程压强降的结垢校正因数，无因次，对液体可取 1.15，对气体或可凝蒸气可取1.0而(4-128)(4-129)式中 F----管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.5，对正方形斜转45°为0.4，正方形排列为0.3；fo----壳程流体的摩擦系数，当Reo＞500时，nC----横过管束中心线的管子数；NB----折流板数；h ----折流板间距，m；uo----按壳程流通截面积Ao计算的流速，而。
一般来说，液体流经换热器的压强降为 0.1～1atm，气体的为0.01～0.1atm。
设计时，换热器的工艺尺寸应在压强降与传热面积之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。
三、列管式换热器的选用和设计计算步骤1．试算并初选设备规格(1) 确定流体在换热器中的流动途径。
(2) 根据传热任务计算热负荷Q。
(3) 确定流体在换热器两端的温度，选择列管式换热器的型式；计算定性温度，并确定在定性温度下流体的性质。
(4) 计算平均温度差，并根据温度校正系数不应小于0.8的原则，决定壳程数。
(5) 依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数K选值。
(6) 由总传热速率方程 Q＝KSΔtm，初步算出传热面积S，并确定换热器的基本尺寸(如d、L、n 及管子在管板上的排列等)，或按系列标准选择设备规格。
2．计算管、壳程压强降根据初定的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压强降。
检查计算结果是否合理或满足工艺要求。
若压强降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压强降直至满足要求为止。
3．核算总传热系数计算管、壳程对流传热系数αi 和αo，确定污垢热阻Rsi和Rso，再计算总传热系数K'，比较K得初始值和计算值，若K'/K＝1.15～1.25，则初选的设备合适。