换热器、热网加热器计算示例

管壳式换热器选型计算书
编写：张景富
西安协力动力科技有限公司
二零一零年九月十三日
一、换热器的工艺计算及工艺条件
现在从一台管壳式换热器工艺计算过程来体现工艺条件内容： 1.设计参数 壳程：
工作介质：蒸汽、水 Ps=0.2Mpa 蒸汽流量135m 3/h 进口温度：135℃ 出口温度：90℃ 管程：
工作介质：含碱水 Pt=0.3Mpa 水流量300m 3/h 进口温度：80℃ 出口温度：110℃ 液体比重：1.25 比热：0.85～0.86 2.工艺计算
冷源：q=300m 3 比重:γ=1.25g/cm 3 比热c=0.86J/kg ·℃ T1=135℃ T2=135℃ t1=80℃ t2=110℃ 取a c =2000kcal/㎡·h ·℃ a h =10000kcal/㎡·h ·℃ 换热管规格：φ19×1 其内径d1=0.017m 外径d2=0.019m 中径dm=0.018m 壁厚δ=0.001m
金属导热系数λ=17.0 w/m ·h ·℃=17.0/1.16222=14.6 kcal/㎡·h ·℃ （1）传热系数K
取传热系数K=1400kcal/㎡·h ·℃ (2)平均温差Δt m （按逆流状态计算）
(3)传热面积F
C 4.1680-90110-135ln 80)-90(110)-135(1221ln )12()21(ln
t 2
121︒=-=-----=∆∆∆-∆=
∆
t T t T t T t T t t t t m 2
m 42116.4
140080)-(11086.01250300tm K t1)-(t2c q F =⨯⨯⨯⨯=∆⨯⨯⨯⨯=γC h m kcal d dm d dm K h c ︒=+
⨯+⨯=++=2/7.14436
.14001.010000019.0018.02000017.0018.01
2111λδαα
（4）管子根数n （管长L=6m ）
（5）程数N 单程流速
管壳换热器中换热管内水的流速为0.7～1.5m/s N=1.5/0.313=4.79，可以选择Ⅳ程
标准DN1000 Ⅳ程换热器，φ19×1的管子，n=1186根，L=6000mm 传热面积F=425㎡
推荐设备材质：管程316L 壳程16MnR （6）换热器壁温的计算
a.壳程的壁温：由于有保温，可以取蒸汽的平均温度 Tm=1/2（135+90）=112.5℃
b.换热管的壁温估算：
热流侧Tm=112.5℃ 冷流侧tm=1/2（80+110）=95℃ 换热管的壁温：
（7）换热器接管的计算 （a ）壳程蒸汽进口 蒸汽流速一般取15～20m/s
进蒸汽截面A=135/(15×3600)=2.5×10-3
㎡ 接管内径
进汽管取φ76×4（DN65） （b ）管程进出管
管程流动的是含微量碱的水溶液，当P ≤0.6Mpa 时，其流速为1.5～2.5m/s
1173
6
019.0421
2F n =⨯⨯=⨯⨯=
ππL d s
m n
d /313.01173
017.04
300/3600
4
q
2
21
=⨯⨯=
⨯⨯=
π
π
ωC
a a t t c c m t ︒=+⨯+⨯=++=6.10920001000020009510000112.5a a T n n m m
A
d 564.0105.2443
=⨯⨯=
=
-π
π
进出管流通截面A=300/(2.5×3600)=0.0333㎡ 接管内径
取φ219×6（DN200） 3.提条件设计参数表及管口表
设计数据
注：管程材质为不锈钢316L ，管板材质为16MnR/316L ，φ1130，b=52。

其中不锈钢管的重量为3287kg ，两块管板的总重量为
820kg 。

设备总重量为：6982kg 。

管 口 表
m
A
d 205.00333
.044=⨯=
=
π
π
4.设备简图及排管图
以直径1000mm的换热器为例：
二、热网加热器选型计算书
1.甲方提供的热网加热器参数：
（1）运行参数：
热网加热器入口蒸汽压力：0.39 MPa(a)
热网加热器入口蒸汽温度：227.03℃
加热蒸汽最大流量：300 t/h
加热蒸汽进口热焓：2928.2 kJ/kg
循环水进口压力： 1.7 MPa(a)
循环水进口温度：70℃
循环水出口温度：130℃
循环水流量：2500 t/h
疏水流量：300 t/h
疏水温度：143.6℃
疏水热焓：604.655 kJ/kg
（2）热网基本参数：
热网站耗气量：2×500 t/h（额定供热工况）
2×600 t/h（最大供热工况）
热网供回水温度：130/70℃
本期工程2台机组共4台热网加热器并联运行，每台热网加热器的循环水进口温度为70℃，循环水出口温度为130℃，4台热网加热器的加热面积应相同。

2.根据甲方提供的参数进行如下选型计算
（1）设计参数
热流体G
1=300t/h，冷流体 G
2
=2500t/h，
热流体温度T
1=227℃， T
2
=227℃， i1=2928.2 kJ/kg , i2=604.655 kJ/kg
冷流体温度t
1=70℃， t
2
=130℃，
a
i
=2000 kcal/㎡·h·℃=2324 W/㎡·℃（水沸腾），
a
o
=10000 kcal/㎡·h·℃=11622 W/㎡·h·℃（水蒸汽冷凝）
λ316L=17w/m·k；r do=8.8×10-5㎡·℃/w（查GB151-99附录F7.2中水蒸气）
r
di
=40×10-5㎡·℃/w =1（光管）d=0.019m，b=0.001m。

（2）工艺选型计算
① Q=G 1（i1-i2）=(2928.2-604.655)×1000×(300×1000/3600)=194×106W ②
R=0，P=0.61查得φ=1， 错流Δt m =φΔt m 逆=124.6℃
③ K 值计算（按照GB151-99附录F 计算）
④ Q=KA Δt m
A =Q/ K Δt m =194×106/（834×112）=2077㎡
⑤ 壁温计算 a.换热管壁温t t 计算
热流体侧的壁温按下式计算：
t th =T m -K(1/αh + r dh )Δt m =226.94-834(1/11622+0.88×10-5)×112=210.7℃ 冷流体侧的壁温按下式计算：
t m =0.4t 2+0.6t 1=0.4×130+0.6×70=94℃
t tc =t m +K(1/αc + r dc )Δt m =94+834(1/2324+4×10-4
)×112＝171.6℃ 换热管壁温t t ＝1/2(t th + t tc )=1/2(210.7+171.6)=191℃ b.圆筒壁温
设备壳程有保温，取壳程流体的平均温度227℃ ⑥ 换热管根数(管长L=7.5m)
n=A /（0.0597×L ）=2077/（0.0597×7.5）=4639根
C 6.124482.060
130-27270-227ln 130-27270-227ln t 2121︒≈=-=∆∆∆-∆=
∆）
（）（）（）（逆t t t t m C)
h C(3003KJ/m W/m 834/10121)017.0019
.0(1040)017.0019.0(232411022.611)108.8116221(1)()(
1
1
)
1
(
12224555︒⋅⋅︒≈︒⨯≈⨯++⨯+⨯+=++
++=----K W
C m K K A A
r A A r r K i
o di i o i
w do o
αη
αC/w
m 1022.6)001
.02019.0019
.0ln(172019.0)2ln(
225304
︒⨯=⨯-⨯=-=-b d d d r w λ
取10%的堵管量：n=4639×1.1=5102 根据结构设计 取5112根,则 实际换热面积为2288 m 2,有效换热面积取值为2080m 2 ⑦ 程数N
94℃水的密度ρ=962kg/m 3 V=2500×1000/(3600×962)=0.722m 3/s 单程
因管壳式换热器管内流速保持在0.7～1.5m/s ，故这里管程的流速取1.3m/s 程数N=1.3/0.62=2.1程 即取双程 ⑧ 接管大小计算
a.蒸汽进口：流速：20m/s 密度：13kg/m 3 蒸汽流量：Q=（300×1000）÷13=23077 m 3/h A=23077/（20×3600）=0.321㎡
取d=0.7m 即蒸汽进口为700mm 。

b.循环水进口：流速：2m/s 密度：977.8kg/m 3 循环水流量：Q=（2500×1000）÷977.8=2557 m 3/h A=2557/（2×3600）=0.355㎡
取d=0.7m 即循环水进口为700mm 。

3.结论
经过以上计算，得出以下结论:
换热管有效数量为4639根，换热管实际数量为5112根（含10%的堵管量） 有效换热面积为2080㎡，实际换热面积为2200㎡（含10%裕量）。

Q=194×106W C)h C(3003KJ/m W/m 83422︒⋅⋅︒≈K ,
Δt m =φΔt m 逆=0.9×124.6=112℃, A=2200㎡
4.端差：
热网加热器的出口温度与被加热水出口温度之差（顺流时）。

热网加热器的进口温度与被加热水出口温度之差（逆流时）。

s
m n
d m
/62.05112
017.04
0.722
4
V
2
2=⨯⨯=
⨯⨯=π
π
ωm
A
d 639.0321
.044=⨯=
=π
πm
A
d 672.0355
.044=⨯=
=π
π
查表得到0.4Mpa的水的饱和蒸汽对应的温度为143.6℃所以此设备的端差为143.6-130=13.6℃。

目录
一、换热器的工艺计算及工艺条件
二、热网加热器选型计算书
三、附录
附录A：工业热交换器常用参数推荐值附录B：常用传热单位换算表
附录C：常用管径计算方法
附录A：工业热交换器常用参数推荐值
1—工业用换热器中传热系数k值的大致范围K=kcal/m2·h·℃
2—工业用换热器中给热系数α值的大致范围α= kcal/m2·h·℃
3—工业用换热器中金属导热系数λ值的大致范围λ= kcal/m·h·℃
4—工业用管壳式换热器内流体流速ω的大致范围ω=m/s
附录B：常用传热单位换算表
传热系数K及给热系数α单位换算表
导热系数λ单位换算表
比热容c的单位换算表
能、功、热量单位换算表
k= kcal/m2·h·℃α= kcal/m2·h·℃λ= kcal/m·h·℃ C= J/kg·℃
附录C ：常用管径计算方法 C1加热蒸汽来汽管径选择
C1.1气耗量的计算（G ）按公式C1计算 C1 式中：G ：气耗量，kg/h ；
Q 3：维持循环液温需补充的加热量，J/h ； i 0：加热蒸汽初焓，J/kg ； i k ：加热蒸汽终焓，J/kg ； C1.2来汽管径（d 1）按公式C2计算：
C2
式中：d 1：来汽管径，m ； G ： 蒸汽量，kg/h ； V 0：加热蒸汽比容，m 3/kg ； v ： 管内流速可选取20～30m/s 。

C2混合式加热器的选择
C2.1混合式加热器所需的蒸汽量（G ）按公式C3计算：
C3
式中：G ：混合式加热器所需的蒸汽量，kg/h ； Q 3：系统散热热量，J/h ； i 0：加热蒸汽初焓，J/kg ； i H ：加热蒸汽终焓，J/kg ；
C2.2加热蒸汽管内径（d 2）按公式C4计算：
C4
式中：d 2： 加热蒸汽管内径，m ； G ： 加热蒸汽蒸汽量，kg/h ；
k
i i Q G -=
03
3πν360040
1GV d ≥
H
i i Q G -=
03
πν360042GV
d ≥
V：加热蒸汽比容，m3/kg；
v：管内蒸汽流速可选取20～30m/s。

混合式加热器，一般的蒸汽直接从钢管上的孔眼喷出，并与清洗液混合，进行加热。

其孔眼直径为φ5mm，小孔开孔数为100～120个，孔眼总截面积应为进汽管截面积的2～3倍。

混合式加热器装在循环泵出口总管上，设计压力为1.57Mpa（16表大气压），设计温度为320℃。