换热器的设计2011
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2011-10-22 Design of heat exchangers
（1）热负荷计算 ）
Calculation of heat flow
有相变时： 有相变时：
Q =Wh ⋅ r =W cpc (t2 −t1 ) c
无相变时： 无相变时：
Q =Wcpo (T −T ) =Wcpi ( t2 −t1 ) o 1 2 i
Q = WiCpi(t2-t1) =51845×2.20×40=4.57×106kJ/h=1268.06(kW) × × ×
2011-10-22 Design of heat exchangers
(2)平均传热温差 (2)平均传热温差
Mean heat transfer temperature difference
结构 固定管板 式换热器 U型管 式换热器 浮头式 换热器 填料函 式换热器
2011-10-22
优点
缺点
管外不便 清洗 管内不便清 洗管板利用 率低 结构复杂
价格比
造价便宜 1.00
管束与壳体 结构简单、 结构简单、 的两端管板 紧凑 连接固定 管子受热冷 可自由伸缩 一管板与壳 体固定， 体固定，另 一管板在壳 体内可浮动 一端固定， 一端固定， 另端填料函 密封， 密封，管束 可自由膨胀 结构较简 单，管束 可清洗 热补偿性 能良好； 能良好； 管束可拔 出清洗 管程及壳 程都能清 洗，结构 较简单
1.15Hale Waihona Puke Baidu
造价较高 1.20
填料处易泄 造价较低 露，壳程压 1.13 力不能过高
Design of heat exchangers
2. 流动空间的选择
Select flow space
管 程 不清洁流体 体积流量小的流体 有压力的流体 腐蚀强的流体 与外界温差大的流体
Which one is proper?
(二) 换热器的设计计算 二
Design calculations for heat exchangers
1. 物性数据的确定 (1)确定流体出口温度 (1)确定流体出口温度 (2)计算定性温度 (2)计算定性温度 (3)查取物性数据 (3)查取物性数据
2011-10-22 Design of heat exchangers
∆t1 − ∆t 2 ∆t1 + ∆t 2 ∆tm = 或 ∆tm = ∆t1 2 ln ∆t 2
∆ t m = ψ ⋅ ∆ t m ,逆 ψ = f ( P , R )
冷流体温升 t 2 − t1 = P= T 1 − t 1 两流体最初温差
T 1 − T 2 = 热流体温降 R= t 2 − t 1 冷流体温升
2011-10-22
Design of heat exchangers
易燃易爆流体…… 易燃易爆流体
Dangerous fluids…
允许安全流速
流 体 fluid 安全流速 m/s
2011-10-22
苯 乙醚 二硫化碳 <1
甲醇 乙醇 汽油
丙 酮
氢 气 ≤8
<2~3 <10
Design of heat exchangers
2011-10-22 Design of heat exchangers
（2）物性数据表
Table of physical properties for fluids 柴油(152℃) 原油 ℃) 柴油 ℃ 原油(90℃ 密 度㎏/m3 定压比热容 kJ/(kg.℃) ℃ 导热系数W/(m.℃) ℃ 导热系数 粘度10 粘度 3Pa.s
§4 Design of heat exchangers
换 热 器 的 设 计
2011-10-22 Design of heat exchangers
uses
2011-10-22
Design of heat exchangers
列管式换热器的设计
Design of Shell & Tube Heat Exchangers
2011-10-22 Design of heat exchangers
（1）固定管板式换热器
Fixed tubesheet shell & tube heat exchanger
2011-10-22
Design of heat exchangers
Fixed tubesheet shell & tube heat exchanger
2011-10-22 Design of heat exchangers
五、工艺设计计算步骤
Calculation steps for technological designs (一) 设计方案的确定 1. 换热器的选型 换热器的选型 2. 流动空间及流速的选择 流动空间及流速的选择
(二) 换热器的设计计算 1. 物性数据的确定 3. 计算传热面积 2. 计算总传热系数 4. 工艺结构尺寸确定
（1）确定流体出口温度T2 确定流体出口温度
Determination of exit temperature T2
柴油质量流量: 柴油质量流量 Wo=39230/3600=10.8972kg/s 原油质量流量: 原油质量流量 Wi=51845/3600=14.4014kg/s 根据热平衡 Q=W0Cp0(T1-T2)=WiCpi(t2-t1) 10.8972×2.48 ×(175-T2)=14.4014×2.20×(110-70) × × × 得 T2=128.1℃ ℃
2011-10-22
715 2.48 0.133 0.64
Design of heat exchangers
815 2.20 0.128 3.0
2. 总传热面积 总传热面积S
Overall heat transfer area
根据传热速率方程: 根据传热速率方程:
Q S = K ∆ tm
Q — 传热速率 J/s 传热速率, K — 传热总系数 W/(m2.K) 传热总系数, 平均传热温度差, △tm —平均传热温度差 K 平均传热温度差
2011-10-22 Design of heat exchangers
三、设计任务 Design task
某炼油厂用柴油将原油预热，物料有关参数如下， 某炼油厂用柴油将原油预热，物料有关参数如下，两侧污 垢热阻均取1 72× K/W， 垢热阻均取 1.72×10-4m2.K/W ， 要求两侧流体阻力损失均 不超过30kPa，试设计一台适当型号的列管式换热器。 不超过 ，试设计一台适当型号的列管式换热器。
2011-10-22
Design of heat exchangers
温差修正曲线 Correction curve
2011-10-22
Design of heat exchangers
小结 Summary
换热器设计的基本思路： 换热器设计的基本思路： （1）设计方案确定（熟悉各种换热器） 设计方案确定（熟悉各种换热器） （2）选择流动空间及流速大小 （3）换热器的设计计算（物性数据，热负荷，平均温差） 换热器的设计计算（物性数据，热负荷，平均温差）
5. 换热器的核算 (传热面积 流动阻力 传热面积, 传热面积 流动阻力)
2011-10-22 Design of heat exchangers
1.换热器的选型 1.换热器的选型
Select type of heat exchangers
（1）固定管板式换热器 （2）U型管式换热器 （3）浮头式换热器 （4）填料函式换热器
物 料 入口 温度 175℃ 70 ℃ 出口 温度 T2 110 ℃ 质量 流量 kg/h 39230 51845 比热容 kJ/kg. ℃ 2.48 2.20 密度 kg/m3 715 815 导热 系数 W/m.℃ 0.133 0.128 粘度 ×103 Pa.s 0.64 3.0
柴 油 原 油
一、换热器设计基本原则 二、换热器设计主要内容 三、列管式换热器设计任务 四、工艺设计具体步骤
2011-10-22 Design of heat exchangers
一、换热器设计基本原则
Basic Principles for Heat Exchanger Design
● 有利于满足工艺条件和提高换热效率 工艺条件和提高 工艺条件和提高换热效率 有利于降低设备成本 设备成本和 ● 有利于降低设备成本和生产操作成本 有利于操作维修 操作维修和 ● 有利于操作维修和安全环保
Design of heat exchangers
外浮头式换热器
2011-10-22
Design of heat exchangers
（4）填料函式换热器
Packing-sealed heat exchanger
2011-10-22
Design of heat exchangers
几种换热器的比较Comparison
2011-10-22
Design of heat exchangers
二、换热器设计主要内容
Main Contents for Heat Exchanger Design
热力设计 传热计算， 设计： ■ 热力设计：传热计算，选择运行参数 流动设计 计算压强降， 设计： ■ 流动设计：计算压强降，供能依据 结构设计 设计： ■ 结构设计：主要零部件结构尺寸 强度设计：应力计算， ■ 强度设计：应力计算，校核强度
U-Tube Heat Exchanger
2011-10-22
Design of heat exchangers
（3）浮头式换热器
FloatingFloating-head heat exchanger
2011-10-22
Design of heat exchangers
内浮头式换热器
2011-10-22
壳 程 α大的流体 饱和蒸汽 粘度大的流体 泄露后危险性大的流体 的流体， α小的流体，用翅片管
2011-10-22
Design of heat exchangers
3.流速的确定(经验值,m/s) 3.流速的确定 经验值, 流速的确定( Determination of velocity
循 环 水 1.0~ 管程 2.0 流 体 壳程 0.5 ~ 1.5 新 鲜 水 0.8 ~ 1.5 0.5 ~ 1.5 一般 易结 低粘 高粘 气 液体 垢液 度油 度油 体 体 0.5 ~ >1.0 0.8 ~ 0.5 ~ 5 ~ 30 3.0 1.8 1.5 0.2 ~ >0.5 0.4 ~ 0.3 ~ 2 ~ 15 1.5 1.0 0.8
2011-10-22
Design of heat exchangers
折流挡板 Baffles
2011-10-22
Design of heat exchangers
（2）U型管式换热器 ） 型管式换热器
U-Tube Heat Exchangers
2011-10-22
Design of heat exchangers
What is the next…？ ？
（1）传热总系数 （2）校核计算（传热面积，流动阻力） 校核计算（传热面积，流动阻力） （3）结构尺寸的最后确定
2011-10-22 Design of heat exchangers
2011-10-22
Design of heat exchangers
四、列管换热器设计流程
Design diagram for shell & tube heat exchangers
设计方案的确定 换热器的结构和尺寸的初步确定 核算传热面积和流动阻力 换热器的工艺结构的确定 换热器的工艺结构的确定 工艺
（1）热负荷计算 ）
Calculation of heat flow
有相变时： 有相变时：
Q =Wh ⋅ r =W cpc (t2 −t1 ) c
无相变时： 无相变时：
Q =Wcpo (T −T ) =Wcpi ( t2 −t1 ) o 1 2 i
Q = WiCpi(t2-t1) =51845×2.20×40=4.57×106kJ/h=1268.06(kW) × × ×
2011-10-22 Design of heat exchangers
(2)平均传热温差 (2)平均传热温差
Mean heat transfer temperature difference
结构 固定管板 式换热器 U型管 式换热器 浮头式 换热器 填料函 式换热器
2011-10-22
优点
缺点
管外不便 清洗 管内不便清 洗管板利用 率低 结构复杂
价格比
造价便宜 1.00
管束与壳体 结构简单、 结构简单、 的两端管板 紧凑 连接固定 管子受热冷 可自由伸缩 一管板与壳 体固定， 体固定，另 一管板在壳 体内可浮动 一端固定， 一端固定， 另端填料函 密封， 密封，管束 可自由膨胀 结构较简 单，管束 可清洗 热补偿性 能良好； 能良好； 管束可拔 出清洗 管程及壳 程都能清 洗，结构 较简单
1.15Hale Waihona Puke Baidu
造价较高 1.20
填料处易泄 造价较低 露，壳程压 1.13 力不能过高
Design of heat exchangers
2. 流动空间的选择
Select flow space
管 程 不清洁流体 体积流量小的流体 有压力的流体 腐蚀强的流体 与外界温差大的流体
Which one is proper?
(二) 换热器的设计计算 二
Design calculations for heat exchangers
1. 物性数据的确定 (1)确定流体出口温度 (1)确定流体出口温度 (2)计算定性温度 (2)计算定性温度 (3)查取物性数据 (3)查取物性数据
2011-10-22 Design of heat exchangers
∆t1 − ∆t 2 ∆t1 + ∆t 2 ∆tm = 或 ∆tm = ∆t1 2 ln ∆t 2
∆ t m = ψ ⋅ ∆ t m ,逆 ψ = f ( P , R )
冷流体温升 t 2 − t1 = P= T 1 − t 1 两流体最初温差
T 1 − T 2 = 热流体温降 R= t 2 − t 1 冷流体温升
2011-10-22
Design of heat exchangers
易燃易爆流体…… 易燃易爆流体
Dangerous fluids…
允许安全流速
流 体 fluid 安全流速 m/s
2011-10-22
苯 乙醚 二硫化碳 <1
甲醇 乙醇 汽油
丙 酮
氢 气 ≤8
<2~3 <10
Design of heat exchangers
2011-10-22 Design of heat exchangers
（2）物性数据表
Table of physical properties for fluids 柴油(152℃) 原油 ℃) 柴油 ℃ 原油(90℃ 密 度㎏/m3 定压比热容 kJ/(kg.℃) ℃ 导热系数W/(m.℃) ℃ 导热系数 粘度10 粘度 3Pa.s
§4 Design of heat exchangers
换 热 器 的 设 计
2011-10-22 Design of heat exchangers
uses
2011-10-22
Design of heat exchangers
列管式换热器的设计
Design of Shell & Tube Heat Exchangers
2011-10-22 Design of heat exchangers
（1）固定管板式换热器
Fixed tubesheet shell & tube heat exchanger
2011-10-22
Design of heat exchangers
Fixed tubesheet shell & tube heat exchanger
2011-10-22 Design of heat exchangers
五、工艺设计计算步骤
Calculation steps for technological designs (一) 设计方案的确定 1. 换热器的选型 换热器的选型 2. 流动空间及流速的选择 流动空间及流速的选择
(二) 换热器的设计计算 1. 物性数据的确定 3. 计算传热面积 2. 计算总传热系数 4. 工艺结构尺寸确定
（1）确定流体出口温度T2 确定流体出口温度
Determination of exit temperature T2
柴油质量流量: 柴油质量流量 Wo=39230/3600=10.8972kg/s 原油质量流量: 原油质量流量 Wi=51845/3600=14.4014kg/s 根据热平衡 Q=W0Cp0(T1-T2)=WiCpi(t2-t1) 10.8972×2.48 ×(175-T2)=14.4014×2.20×(110-70) × × × 得 T2=128.1℃ ℃
2011-10-22
715 2.48 0.133 0.64
Design of heat exchangers
815 2.20 0.128 3.0
2. 总传热面积 总传热面积S
Overall heat transfer area
根据传热速率方程: 根据传热速率方程:
Q S = K ∆ tm
Q — 传热速率 J/s 传热速率, K — 传热总系数 W/(m2.K) 传热总系数, 平均传热温度差, △tm —平均传热温度差 K 平均传热温度差
2011-10-22 Design of heat exchangers
三、设计任务 Design task
某炼油厂用柴油将原油预热，物料有关参数如下， 某炼油厂用柴油将原油预热，物料有关参数如下，两侧污 垢热阻均取1 72× K/W， 垢热阻均取 1.72×10-4m2.K/W ， 要求两侧流体阻力损失均 不超过30kPa，试设计一台适当型号的列管式换热器。 不超过 ，试设计一台适当型号的列管式换热器。
2011-10-22
Design of heat exchangers
温差修正曲线 Correction curve
2011-10-22
Design of heat exchangers
小结 Summary
换热器设计的基本思路： 换热器设计的基本思路： （1）设计方案确定（熟悉各种换热器） 设计方案确定（熟悉各种换热器） （2）选择流动空间及流速大小 （3）换热器的设计计算（物性数据，热负荷，平均温差） 换热器的设计计算（物性数据，热负荷，平均温差）
5. 换热器的核算 (传热面积 流动阻力 传热面积, 传热面积 流动阻力)
2011-10-22 Design of heat exchangers
1.换热器的选型 1.换热器的选型
Select type of heat exchangers
（1）固定管板式换热器 （2）U型管式换热器 （3）浮头式换热器 （4）填料函式换热器
物 料 入口 温度 175℃ 70 ℃ 出口 温度 T2 110 ℃ 质量 流量 kg/h 39230 51845 比热容 kJ/kg. ℃ 2.48 2.20 密度 kg/m3 715 815 导热 系数 W/m.℃ 0.133 0.128 粘度 ×103 Pa.s 0.64 3.0
柴 油 原 油
一、换热器设计基本原则 二、换热器设计主要内容 三、列管式换热器设计任务 四、工艺设计具体步骤
2011-10-22 Design of heat exchangers
一、换热器设计基本原则
Basic Principles for Heat Exchanger Design
● 有利于满足工艺条件和提高换热效率 工艺条件和提高 工艺条件和提高换热效率 有利于降低设备成本 设备成本和 ● 有利于降低设备成本和生产操作成本 有利于操作维修 操作维修和 ● 有利于操作维修和安全环保
Design of heat exchangers
外浮头式换热器
2011-10-22
Design of heat exchangers
（4）填料函式换热器
Packing-sealed heat exchanger
2011-10-22
Design of heat exchangers
几种换热器的比较Comparison
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Design of heat exchangers
二、换热器设计主要内容
Main Contents for Heat Exchanger Design
热力设计 传热计算， 设计： ■ 热力设计：传热计算，选择运行参数 流动设计 计算压强降， 设计： ■ 流动设计：计算压强降，供能依据 结构设计 设计： ■ 结构设计：主要零部件结构尺寸 强度设计：应力计算， ■ 强度设计：应力计算，校核强度
U-Tube Heat Exchanger
2011-10-22
Design of heat exchangers
（3）浮头式换热器
FloatingFloating-head heat exchanger
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内浮头式换热器
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壳 程 α大的流体 饱和蒸汽 粘度大的流体 泄露后危险性大的流体 的流体， α小的流体，用翅片管
2011-10-22
Design of heat exchangers
3.流速的确定(经验值,m/s) 3.流速的确定 经验值, 流速的确定( Determination of velocity
循 环 水 1.0~ 管程 2.0 流 体 壳程 0.5 ~ 1.5 新 鲜 水 0.8 ~ 1.5 0.5 ~ 1.5 一般 易结 低粘 高粘 气 液体 垢液 度油 度油 体 体 0.5 ~ >1.0 0.8 ~ 0.5 ~ 5 ~ 30 3.0 1.8 1.5 0.2 ~ >0.5 0.4 ~ 0.3 ~ 2 ~ 15 1.5 1.0 0.8
2011-10-22
Design of heat exchangers
折流挡板 Baffles
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（2）U型管式换热器 ） 型管式换热器
U-Tube Heat Exchangers
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Design of heat exchangers
What is the next…？ ？
（1）传热总系数 （2）校核计算（传热面积，流动阻力） 校核计算（传热面积，流动阻力） （3）结构尺寸的最后确定
2011-10-22 Design of heat exchangers
2011-10-22
Design of heat exchangers
四、列管换热器设计流程
Design diagram for shell & tube heat exchangers
设计方案的确定 换热器的结构和尺寸的初步确定 核算传热面积和流动阻力 换热器的工艺结构的确定 换热器的工艺结构的确定 工艺