ASME中国制造-标准系列化管壳式换热器的设计计算步骤

Δp Δp
i
1
Δp2 Ft N p N s 1296 7861.4 2 1 5830Pa
（2）计算壳程压力降 壳程为恒温恒压蒸汽冷凝，可忽略压降。 由此可知，所选换热器是合适的。
5
1/ 4
1051W/m2 C
3
Rso 1.72104 m2 C/W（有机液体） , Rsi 2.0 104 m2 C/W（井水）
（4）总传热系数 K o
d 1 1 b do 1 do Rso Rsi o K o αo λw d m d i αi d i 1 0.0025 25 25 1 25 0.000172 0.0002 1051 45 22.5 20 3736 20 0.000951 0.000172 0.000062 0.000250 0.000335 0.00177 K o 565W/m2 C 427W/m2 C
Q ms1r 0.833 357.4 297.7kW
4.计算有效平均温度差
逆流温差 Δt m,逆

51.7 32 51.7 35.67 17.8 C ln51.7 - 32 / 51.7 35.67
2 470 ~ 815W/m2 C ， 现暂取 K 600W/m C 。
非标准系列化列管式换热器的设计计算步骤
（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能 （2）计算传热量，并确定第二种流体的流量 （3）确定流体进入的空间 （4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据 （5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核 （6）选取管径和管内流速 （7）计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关， 因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算 K，然后再校核 （8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的 1.15~1.25 倍 （9）选取管长 （10）计算管数 （11）校核管内流速，确定管程数 （12）画出排管图，确定壳径和壳程挡板形式及数量等 （13）校核壳程对流传热系数 （14）校核平均温度差 （15）校核传热面积 （16）计算流体流动阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。
所选换热器的安全系数为
565 427 / 427100% 32.3%
表明该换热器的传热面积裕度符合要求。 （5）核算壁温与冷凝液流型 核算壁温时，一般忽略管壁热阻，按以下近似计算公式计算
T tw t tw 51.7 t w t 35.67 w 1 1 1 1 Rso Rsi 0.000172 0.0002 αo αi 1051 3736
1
正戊烷立式管壳式冷凝器的设计——工艺计算书（标准系列）
本设计的工艺计算如下： 此为一侧流体为恒温的列管式换热器的设计。
1.确定流体流动空间
冷却水走管程，正戊烷走壳程，有利于正戊烷的散热和冷凝。
2.计算流体的定性温度，确定流体的物性数据
正戊烷液体在定性温度（51.7℃）下的物性数据（查化工原理附录）
c pi μi 4.174103 0.717 103 4.773 λi 0.627
Rei
Pri
故 αi
0.023
λi 0.8 0.4 0.627 Re Pr 0.023 201230.8 4.7730.4 3736W/(m2 C) di 0.020
Q 297.7 103 427.1W/m2 C So Δt m，逆 39.16 17.8
该换热器所要求的总传热系数 Ko
8.核算总传热系数 K o
（1）计算管程对流传热系数 α i
Vsi msi / ρi
70000 / 993.7 19.44 / 993.7 0.0196m3 /s 3600
甲苯立式管壳式冷凝器的设计（标准系列）
一、设计任务 1.处理能力：2.376× 104t/a 正戊烷； 2.设备形式：立式列管式冷凝器。 二、操作条件 1.正戊烷：冷凝温度 51.7℃，冷凝液于饱和温度下离开冷凝器； 2.冷却介质：为井水，流量 70000kg/h，入口温度 32℃； 3.允许压降：不大于 105Pa； 4.每天按 330 天，每天按 24 小时连续运行。 三、设计要求 选择适宜的列管式换热器并进行核算。 附：正戊烷立式管壳式冷却器的设计——工艺计算书（标准系列）
0.23
0.033
L ρui2 3 993.7 0.7262 0.033 1296Pa di 2 0.020 2
Δp2 3
ρui2 993.7 0.7262 3 786Pa 2 2
4
对 φ25 2.5mm 的管子有 Ft
1.4, 且N p 2, Ns 1
式中 ms1 两流体在定性温度下的物性数据如下 物性 流体 正戊烷 井水 温度 ℃ 51.7 35.67 密度 kg/m3 596 993.7 粘度 mPa· s 0.18 0.717 比热容 kJ/(kg· ℃) 2.34 4.174 导热系数 W/(m· ℃) 0.13 0.627
3.计算热负荷
Δp Δp
i
1
Δp2 Ft N p N s （Ft 结垢校正系数，Np 管程数，Ns 壳程数）
0.005，而 Rei 20123，于是
取碳钢的管壁粗糙度为 0.1mm，则 ε / d
e 68 λ 0.1 d Re
Δp1 λ
Байду номын сангаас
0.23
0.1 68 0.1 20 Re
n π 2 172 di Ai 0.785 0.0202 0.027m 2 N p 4 2
ui
Vsi 0.0196 0.726m/s Ai 0.027 di ui ρi 0.020 0.726 993.7 20123 10000（湍流） μi 0.000717
t w 40.4C ，这与假设相差不大，可以接受。
核算流型 冷凝负荷 M

ms 0.833 0.0617kg/m s b 3.14 0.025172
Re
4M 4 0.0617 344 1800（符合层流假设） μ 0.000717
9.计算压强降
（1）计算管程压降
标准系列化管壳式换热器的设计计算步骤
（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能 （2）计算传热量，并确定第二种流体的流量 （3）确定流体进入的空间 （4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据 （5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核 （6）选取经验传热系数 （7）计算传热面积 （8）查换热器标准系列，获取其基本参数 （9）校核传热系数，包括管程、壳程对流给热系数的计算。假如核算的 K 与原选的经验值相差不大，就 不再进行校核。若相差较大，则需重复（6）以下步骤 （10）校核有效平均温度差 （11）校核传热面积 （12）计算流体流动阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。
5.选取经验传热系数 K 值
根据管程走井水， 壳程走正戊烷， 总传热系数 K
6.估算换热面积
S
Q 297.7 103 33.45m2 KΔt m，逆 50017.8
7.初选换热器规格
立式固定管板式换热器的规格如下 公称直径 D…………………………500mm 公称换热面积 S……………………40m2 管程数 Np…………………………..2
1/ 4
与其饱和温度很接近，故在平均膜温 45.85℃下的物性可沿用饱和温度 51.7℃下的数据，在层流下：
gρ 2 λ3 r αo 1.13 μLΔt
（3）确定污垢热阻
9.81 5962 0.133 357.4 103 1.13 0.000717 3 51.7 50
ρ 596kg/m3， μ 1.8 104 Pa s， c p 2.34kJ/kg C，λ 0.13W/m C，r 357.4kJ/kg。
井水的定性温度： 入口温度为 t1
32C ，出口温度为
t2
ms1r t ms 2 c p 2 1
2.376104 103 / 330 24 3000kg/h 0.833kg/s 3000 357.4 t2 32 35.67C 70000 4.174 井水的定性温度为 t m 32 35.67 / 2 33.84 C 两流体的温差 Tm t m 51.7 33.84 17.86 C 50 C ，故选固定管板式换热器
2
管数 n………………………………..172 管长 L………………………………..3.0m 管子直径…………………………….. Φ25 2.5mm 管子排列方式………………………..正三角形 换热器的实际换热面积 So
nπd0 L 0.1 172 3.14 0.0253 0.1 39.16m2
（2）计算壳程对流传热系数 αo 因为立式管壳式换热器，壳程为正戊烷饱和蒸汽冷凝为饱和液体后离开换热器，故可按蒸汽在垂直管 外冷凝的计算公式计算 αo
gρ 2 λ3 r αo 1.13 μLΔt
现假设管外壁温 t w
1/ 4
40C ，则冷凝液膜的平均温度为 0.5t s t w 0.551.7 40 45.85C ，这