换热器计算说明书6.22

一、 设计题目与参数
1.1设计题目：管壳式换热器 1.2设计参数： 流体
流量 （t/h ）
进口温度（℃）
出口温度（℃）
运行压力（bar ）
水 50 110 90 4 氨
15
38
15
二、热交换器型式/台数及流动的选择
根据已知条件，选定一台<1-2>型管壳式固定管板上式热交换器工作，采用错流方式。

热流体为水，冷流体为氨，由于水比氨更易结垢，并且管侧和壳侧压力和温度都不是很高，因此综合考虑，宜采用管程走水，壳程走氨。

三、设计计算与数据
3.1原始数据
1.水进口温度：C t ︒=110'
1
2.水出口温度:C t ︒=90"1
：
3.氨进口温度：C t ︒=15'
2
4.氨出口温度：C t ︒=38"
2
5.水工作表压力:MPa p 4.01=
6.氨工作压力:MPa p 5.12=
7.水的质量流量:13.89kg/s 50t/h M 1==：
3.2流体的物性参数 8.水的定性温度：C t t o m 100)/2t'"(11
=+=
9.水的比热：1p C =4.220)/(C kg kJ o ⋅ 10.水的密度：1ρ=958.43/m kg
11.水的粘度：1μ=s)kg/(m 10282.5
-6
⋅⨯
12.水的导热系数：1λ=0.683)/(C m W o ⋅ 13.水的普朗特数:1r P =1.75
14.氨的定性温度：C t t t m ︒=+=''+'=
26.52
3815222
2 15. 氨的比热：2p C =4.813)/(C kg kJ o ⋅ 16. 氨的密度：2ρ=600.73/m kg 17. 氨的粘度：2μ=)/(105.1326s m kg ⋅⨯- 18. 氨的导热系数：2λ=0.4656)/(C m W o ⋅
19. 氨的普朗特数:2r P =1.37 3.3传热量及平均温差 20.热量损失系数：l η=0.98
21.传热量：KW t t C M Q p 1148.8798.090)-(110220.489.13)"'(1111=⨯⨯⨯=-= 22.氨的流量：
s kg t t C Q M p /0.38115)
-(3810813.4101148.87)(3
3'1"222=⨯⨯⨯=-= 23.逆流时算数平均温差：C t t t ︒=-=-=∆751590'
2''1max
C t t t ︒=-=-=∆7238110'
'2'1min
C t t t c m ︒==∆-∆=
∆73.4972
75ln 72
-752min max ,1
24.参数P 及R ：
242.015
-10115-38'2'1'
2''1==--=t t t t P
0.87015
3890110'2''2''1'1=--=--=t t t t R
25.温差修正系数：299.0=ϕ，由<1-2>型图查得
26.有效平均温差：C C t tm c m 90.7249.37299.0,1=︒⨯=∆⋅=∆ϕ
3.4以外径为准，估算传热面积及传热面结构
27.初选传热系数：)/(1100
2'C m W K ⋅=
28.估算传热面积：2
'
'.334190
.72011010008.87411m K Q F tm =⨯⨯=∆⋅=
29.管子材料及规格：选用碳钢无缝钢管，5.225⨯φ
30.管程内水的流速：s m /1.52=ω
31.管程所需流通截面：22
22
009662.01.5
4.9589
8.13m M A t =⨯=
=
ωρ
32.每程管数：3130.7702.0009662
.0442
2≈=⨯⨯==
ππi t d A n ，取31根管子 33.每根管长：m d nZ F l o t 0.349.2025.0231.33
41'≈=⨯⨯⨯==ππ,取标准管长3.0m
34.管子的排列方式：等边三角形。

35.管中心距：由表2.3取S=32mm 。

36.分程隔板槽处管中心距：由表2.3取E l =44mm 。

37.平行于流向的管距：mm s s p 7.2730cos 3230cos 00=== 38.垂直于流向的管距：mm s s n 1630sin 3230sin 00=== 39.拉杆直径：由2.1.5节取16mm 40.作草图：
41.作草图所得数据： 六边形层数：a=4
一台管子数：62231=⨯=t n
一台拉杆数：4（估计壳体直径在400~700mm ） 一台传热面积：260.140.3025.062m l d n i t =⨯⨯⨯=ππ
管束中心至最外层管束中心距离：m 15340.03
2
022.0032.04=⨯
+⨯ 42.管束外圆直径：
m
D L 18133.022
025
.0215340.0=⨯+
⨯= 43.壳体内径：32b D D L s +=，mm d b 25.625.03==且≮8mm,
m D s 34781.0008.0233181.0=⨯+=，按GB151-1999规定，取标准直径0.4m 44.长径比：5.74.0/3/==s D l 。

3.5管程计算
45.管程接管直径：m M D 11107.01.5
4.95889
.3113
.113
.11
11
1=⨯==ωρ
按标准钢管取值11331⨯φ
46.管程雷诺数：101777105.282020
.04.9581.5Re 6
1111=⨯⨯⨯==
-μρωi d 47.管程换热系数：
)/(996475.1101777023.0020
.0386.0Pr Re 023.024.08
.04
.01
8.011
1C m W d o i
⋅=⨯⨯⨯=⨯=
λα3.6壳程结构及计算 折流板形式：弓形折流板
缺口高度：m D h s 1.04.025.025.0=⨯==
50.折流板圆心角o s ar D h ar 120)4
.01.021cos(2)21cos(2=⨯-=-
=θ 51.折流板间距：m D l s s 4.0~08.04.0)1~2.0()1~2.0(=⨯==， 取m l l m l o s i s s 30.0,15.0,,===
52.折流板数目：171)15
.03
.03.03(
1)(
,,=+--=+--=s
o
s i s b l l l l N
53.折流板管孔数：由作图决定得70-11=59
54.折流板上管孔直径：由GB151-1999取m d H 0254.0= 55.折流板上管子数：为59-8=51 56.折流板缺口管子数：11
57.折流板直径：由GB151-1999取m D D s b 3965.00035.0=-= 58.折流板缺口面积：
222454620.0]2
120sin )4.01.021(18012021[44.0]2sin )21(21[4m D h D A o
s s wg =⨯--⨯=--=πθθ
59.错流区内管束占总管束的百分数：
)}2cos(2)]2cos(sin[)2(
2{1
L
s L s L s c D h
D ar D h D ar D h D F ----+=
ππ
72.0)}3181
3.01
.024.0cos(2)]31813.01.024.0cos(sin[)31813.01.024.0(2{1=⨯--⨯-⨯-⨯+=ar ar ππ 60.缺口处管子所占面积：
2
2
2
042950.0)27.01(628
025.0)1(8
m F n d A c t wt =-⨯⨯⨯=
-=
ππ
61.折流板在缺口处流通面积：
2287002.0425900.0454620.0m A A A wt wg b =-=-=
62.流体在两折流板间错流面积：
)]
([o o
l l S s c d s s
d D D D l A --+-=2
202960.0)]025.0032.0(032.0025
.018133.018133.04.0[51.0m =-⨯-+-⨯= 63.壳程流通截面积：
2
291002.0296002.0287002.0m A A A c b s =⨯=
⋅=
符合要求 壳程接管直径：由
s A D =2
24
π
得m
A D s
160774.0291
002.0442=⨯=
=
π
π
，
取
43.168⨯φ的标准管 65.错流区排数：6=c N
66.每一缺口内的有效错流管排数： 2.890277
.00.18.08
.0=⨯==p cw s h N 67.旁流通道数：1=E N 68.旁流挡板数：3=ss N
69.错流面积中旁流面积所占分数：
667.0296002.0/51.0]440.0121
18133.04.0[/]21[=⨯⨯⨯+-=+-=c s e E L s bp A l l N D D F
70.一块折流板上管子和管孔间的泄露面积：20674100.06272.121
0004.0025.0)1(21)(m n F d d d A t c o H tb =⨯⨯⨯⨯⨯=+-=ππ
71.折流板外壳与壳体内壁之间的泄漏面积：
2)
146500.0)]4
.01
.021cos([2)6593.04.0(4.0)]21cos([2
(m ar D h ar D D D A s b s s sb =⨯---⨯=-
--=
ππ72.壳程雷诺数：965200291
02.0105.13225.038.10Re 6
222=⨯⨯⨯==
-s o A d M μ 73.理想管束传热因子：由图2.28得005.0=H j 74.折流板缺口校正因子：由图2.29得21.1=c j 75.折流板泄漏矫正因子：
154661
.0020296
.0674
100.0146500.0=+=+c tb sb A A A 667094.0001674.0001465.0001465
.0=+=+tb sb sb A A A
查表2.30得81.01=j
76.旁通校正因子：由5
.063
==C ss N N 和67
6.0=bp F
查图2.31得
0.1=b j
进出口折流板间距不等校正因子：
93.0)51.00
3.0()51.030.0()117()
51.003.0()51.003.0()117()
()()1()()()1(6
.016.01,,1,1,=++-++-=++-++-=----s
i s s o s b n
s i s n s o s b s l l l l N l l l l N j 77.壳程传热因子：
0.004536
0.931.00.811.120.0051=⨯⨯⨯⨯==s b c H o j j j j j j
78.壳程质量流速：
)/(557.511029102.089
.3122s m kg A M G S s ⋅===
79.壳侧壁面温度：假定为50=w t C ︒
80.壁温下氨的粘度：
)/(103.10462s m kg w ⋅⨯=-μ 81.壳侧换热系数：
9362)103.104105.132(37
.11000138.4557.511004536.0)
/(Pr Cp214.06
6)3
2
(14
.03
2
1=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==----w s o u u G j α3.7换热面计算
82.水垢热阻：查有关资料取
W
C m r o s /)(00038.021,⋅=
83.氨的污垢热阻：查有关资料取W
C m r o s /)(71000.022,⋅=
84.管壁热阻，忽略 85.传热系数：
)/(1140]9362
100017.0020.0025.000038.0020.0025.099641[]11[
1
122,1,1C m W r d d r d d K s i o s i o ︒⋅=++⨯+⨯=+++=--αα
86.传热面积：2
3
82.139.274011101148.87m K Q F tm =⨯⨯=∆=
87.传热面积之比：1.182.1360
.14''==F F
88.检验壳侧壁温：
C t r K t t o m s o m w 50.499.72)00017.093621
(
11405.62)1
(
2,0
22=⨯+⨯+=∆++=α
误差为0.50C o
3.8阻力计算 89.管内摩擦系数：
i
f =0.006，查图2.35
90.假定管侧壁温：50℃ 91.检验管侧壁温：
C n l r t t t s s w 0i 2,2i 2693.63)276000.0254.54491(d 143.8781-90)1(F Q -
m1=+⨯=+=πα
91.壁温下水的粘度：)/(104.5496
1
s m kg w ⋅⨯=-μ 92.沿程阻力：
Pa d L f P w t i i i 8521)10
4.54910
5.282(21.54.958020.023.000
6.04)/(2414.06
6214
.012=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==∆----μμρω93.回弯阻力 Pa
Z w P t t r 8626221.54.9584242
2
=⨯⨯⨯==∆ρ
94.进出口连接管阻力 N P ∆=Pa 161721.58.4595.125.12
2
=⨯⨯=t w ρ
95.管程总阻力
Pa P P P P N r i t 18764161786268521
=++=∆+∆+∆=∆， 没有超过表2.10的规定。

96.理想管束摩擦系数
13.0=k f
97.理想管束错流段阻力
Pa A N M f P w c c S k bk 657)3.104/5.132(7
.600020296.02638.1013.04)/(2414.02214.022222=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==∆--μμρ98.理想管束缺口处阻力
Pa N A A M P cw c b s wk 813)89.26.02(7
.600020296.0020287.0238.10)6.02(22
22=⨯+⨯⨯⨯⨯=+=∆ρ
99.旁路校正系数： 查图2.38 0.1=b R
100.折流板泄漏矫正系数：查图2.37 52.0=l R
101.折流板间距不等的校正系数：
33.0])15.030.0)15.030.0[(21]))[(216.16.16.1,6.1,=+=+=----s o s s i s s l l l l R
102.壳程总阻力
s c
cw b bk wk b b bk b s R N N R P R P N R P N P )1(2])1[(1+∆+∆+∆-=∆Pa 1460033.0)689.21(0.1657252.0]813170.1657)117[(=⨯+
⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯-=
未超过标2.10的规定，压降符合要求。

四、结构设计
4.1管箱设计
参照标准GB151-1999
壳体内径DN=400mm ，材料为A3钢,许用应力[δ]=125Mpa,壳体厚度δ=8mm ，采用卷制。

4.2接管
管程接管：Ф133×11，无缝钢管，材料为10号钢，L=208mm
壳程接管：Ф168.3×4，无缝钢管，材料为10号钢，L=208mm
4.3管板
固定管板材料为A3钢 Pg=1.6MPa
具体尺寸(:mm)
DN D D1 D2 D3 D4 D5 d2 400 515 480 450 437 400 400 18 螺栓规格数量 bf b Ps Pt
M16 20 26 40 1.6 0.6 4.4折流板
选取弓形折流板，上下缺口，材料A3钢，缺口高度h=100mm，板间距
150mm =
s
l
，
进出口板间距
mm
l
l
o
s
i s
300
,
,
=
=
，厚度δ=6mm，外径
396.5mm
=
b
D
，折流
板数目17，经计算换热与结构均符合要求。

4.5拉杆
材料为A3，选用Ф=16的拉杆4根，具体位置及装配方式见装配图，一端与管板采用螺纹连接，另一端用螺母固定在折流板上。

4.6封头
选用材料为16Mn的球冠形标准封头，取壁厚8mm，具体形式见装配图。

4.7 分程隔板
选用材料A3钢，厚度为12mm,宽400mm，长444mm，一端为和封头形状相同的圆冠，另一端为平面，分程隔板焊于管箱内。

4.8 支座（JB/T4712-92）
DN400 120包角焊制，单筋，带垫板
允许载荷鞍座高度底板腹板筋板螺栓间距质量
60KN h=200 L1=380 δ2=8 B3=96 L2=260 9千克 B1=120 δ3=8
δ=8
4.9 容器法兰
甲型平焊法兰：JB/T470-2000，材料为16Mn,许用应力为16bar
Dn D D1 D2 D3 D4 δ d 螺栓规格数量
400 515 480 450 440 437 30 18 M16 20
4.10 接管法兰
板式平焊平面法兰
管程接口：PN=16bar DN=125mm
D K L C 螺栓规格数量
250 210 18 22 M16 8
壳程接管：PN=6bar DN=150mm
D K L C 螺栓规格数量
265 225 18 22 M16 8
4.11旁路挡板
材料为A3钢，厚度为6mm，宽度为60mm两对，长度为2917mm。

4.12 排液管及法兰
管子采用ø25×2.5 的10号钢的无缝钢管，L=108mm
DN A1 D K L n TH C
20 25 90 65 11 4 M10 14
4.13 压力容器法兰垫片：
耐油橡胶石棉垫片，尺寸439×403×3mm
五、热补偿计算
（1）管壁平均温度
管内壁温度
C r t t r t t m w 01,s 1i m11,s 1
m1175.52)38000.099641(11.6810001148.87-90)1(F Q -)1(K -=+⨯=+=∆+=αα
管外壁温度
C tm r K t t o s o m w 50.499.72)00017.093621(11405.62)1
(2,222=⨯+⨯+=∆++=α
C o 13.15)/2t (t t w 2w 1w =+=
(2)壳壁平均温度
壳壁热流量 KW Q Q 45.2302.0)98.0/87.1148()η1(ηL L =⨯=-=
'
热流密度
2
0/46.62230
.34.0100045.23q m W l D Q F Q s =⨯⨯⨯='='=ππ
壳壁温度
C r q t t s m s ︒=+⨯-=++=78.24)00017.093621(46.62235.26)α1(2202'
设环境温度
C t ︒=200
壳壁平均温度
C ︒=+=+=39.2222078.242)t (t t 0's s
(3)管壁与壳壁温差
C t t t s w ︒=-=-=∆74.2839.2213.51
（4）由压力引起的轴向力
n s d p nd D p F t o t o i s 222t )2(4)(4-+-=
ππ N
N 4262261051.191.150556202.01004.04)025.0624.0(1015.04⨯==⨯⨯⨯⨯+⨯-⨯⨯⨯=π
π
壳体截面积
2
2222010249.0)4.0416.0(4
)(4m D D f s o s =-⨯=-=ππ2
22220010951.0)020.0025.0(462)(4m d d n f i t =-⨯⨯=-=π
π
弹性模数
Pa MPa E s 115101.2101.2⨯=⨯=
Pa MPa E t 1151005.21005.2⨯=⨯=
壳体应力
MPa E f E f E F t t s s s l p 72.01005.2010951.0101.2010249.0101.21051.1)(111111
4s
=⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯=+=σ MPa E f E f E F t t s s t l p 70.01005.2010951.0101.2010249.01005.21051.1111111
4t
=⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯=+=σ 温差引起的轴向应力
-6
s 10×2.12=α
-610×6.11=t α
管子自由伸长量
m l t t o w t 36t 1008.13)2013.51(106.11)(--⨯=⨯-⨯⨯=-=ασ
壳体自由伸长量
m l t t s o s 56s 1075.83)2039.22(102.12)(--⨯=⨯-⨯⨯=-=ασ
[]
t t s s o s s o w t s t t t f E f E t t t t E E f +---=)()(s αασ
010951
.01005.2010249.0101.2)]2039.22(102.12)2013.51(106.11[101.21005.2010951.01111661111⨯⨯+⨯⨯-⨯⨯--⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=--MPa 6.35=
[]
t t s s o s s o w t s t s t f E f E t t t t E E f +---=)()(t αασ
010951
.01005.2010249.0101.2)]2039.22(102.12)2013.51(106.11[101.21005.2010249.01111661111⨯⨯+⨯⨯-⨯⨯--⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=--MPa 3.33=
壳体轴向合成应力
MPa t s p 3.366.3572.0s s =+=+=σσσ
MPa t t p 6.323.3370.0t t -=-=-=σσσ
（6）拉脱力
MPa l d d d l d a o i o o t 02.00.3025.0)020.0025.0(46.32)(46.32q 2222-=⨯⨯-⨯⨯-=⨯⨯-⨯⨯-==πππππσ
（7）因采用焊接法
[][]a 1055.02MP ==σξ
[]MPa MPa 1683.361s =Φ<=σσ
[]MPa MPa 2106.322t =Φ<=σσ
MPa MPa q 21002.0<==ξ
℃50t <∆
所以不用热补偿。

六、参考资料
1.
史美中 热交换器原理与设计（2版）南京：东南大学出版社.2003.10 2.
中华人民共和国国家标准 钢制压力容器.GB150-1998 3.
中华人民共和国国家标准 管翘式换热器.GB151-1999 4.
钱颂文 换热器设计手册 北京：化学工业出版社.2002.8 5. 中华人民共和国行业标准 无缝钢管储存、外形、重量及允许偏差.GB/T19753-1998
6. 中华人民共和国国家标准 固定管板式换热器型式与基本参数.JB/T4715-92
7. 中华人民共和国国家标准 钢制压力容器封头.JB/T4716-2002
8. 中华人民共和国行业标准 鞍式支座.JB/T4712-92
9. 中华人民共和国行业标准 压力容器法兰JB/T4700-4707-2000
10. 中华人民共和国化学工业部工程建设标准 钢制管法兰、垫片、紧固件.GH20592-20655-1977
11. 中华人民共和国国家标准 压力容器波形膨胀节.GB16749-1997。