换热器的总体设计

第一章 换热器总体设计

间壁式换热器在各个工业部门中应用最为广泛。按照传热间壁的结构形状可分为管式和板式两大类，管式中又有管壳式（列管式）、套管式、蛇管式以及翅片式等多种形式；板式中又有波纹板式、螺旋板式、板翅式、板壳式等多种形式。

1.1 换热器的设计步骤

（1）收集原始数据。

原始数据是设计计算的基本依据，应根据设计任务，收集尽可能多的有关数据，并力求准确。

（1）确定物性参量。

安排管、壳程流体，确定定性温度，计算或查得换热介质物性参量：密度、粘度、比热等。

（3）初步决定换热器流型，计算平均温差。 （4）计算热负荷（热传量）。

利用热平衡计算换热器的热负荷，为估算热量损失，需要确定热损失系数或热效率。 （5）初选传热系数0K ，根据换热介质，流速及流态确定0K ，初算传热面积0A ，利用0A 选择标准型号换热器或自行设计换热器结构，确定管、壳程的主要结构尺寸。 （6）管程传热及压降计算。

选定允许压降ΔP ，假定管壁温度'w t ，根据初选结构计算管侧对流换热系数和压降。当换热系数远大于0K ，且压降小于允许压降值时，方能进行壳程计算，否则，重选0K 或进行结构调整。

（7）壳程压降及传热计算。

根据初选结构和假设的壁温'w t 计算壳程流通截面、流速和换热系数，若不符合要求，可变动壳程结构，调整折流板尺寸、间距乃至壳体直径直至满意。 （8）核算总传热系数。

根据管、壳两侧流速和温度决定污垢热阻，最后计算传热系数j K ，当计算值与初选值满足： 1.20~1.10/K K 0j 即符合要求。也可计算传热量j Q 或传热面积j A ，并与0Q 、0A 比

较，有（10～10）%的过余即符合要求。

（9）计算壳程压降。

管、壳程压降均应小于允许压降，否则调整结构重算直至满意。

1.1 设计任务书

表1-1 为设计一管壳式换热器的原始数据

Table 1-1 for the design of a shell heat exchanger of the original data

流量(t/h) 流动方式介质入口温度℃出口温度℃工作压力

MPa

氨气145 40 1.47 9.5 逆

水10 30 0.1 150 流

1.3 确定设计类型、结构形式及流程

（1）本设计选用固定管板式换热器。

（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。

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。

本设计由于两流体温差大，而冷却水的换热系数大，结垢性较氨气强、工作压力高，用泵输送允许的压降较大，故使冷却水走管程较合适。

氨气的流量较小、粘度较小、壳体强度不会产生问题，允许压降小，因而使其走壳程合适。

1.4 工艺计算

工艺计算包括初选结构、传热计算和压降计算，工艺计算所得的传热面积是下一步结构设计的前提。

1.4.1 原始数据

（1）冷却水进口温度：C 20t '2 =；

（1）冷却水出口温度：C 30t '

'2 =；

（3）冷却水工作压力：0.2MPa P 2=； （4）冷却水流量：1G 150000kg/h =；

（5）氨气进口温度：C 145t '1 =； （6）氨气出口温度：C 40t ''1 =；

（7）氨气流量：1G 9500kg/h =； （8）氨气工作压力： 1.47MPa P 1=； 1.4.1 定性温度和物性参数计算[1]

（1）水的定性温度2t ，=2t C 252

30

202t t '

'2'2 =+=+； （1）水的密度2ρ，查物性表32997kg/m ρ=； （3）水的比热2C P 查物性表2C 4.18kJ/kg C P =； （4）水的导热系数2K ，查物性表2K 0.609W/m C =； （5）水的粘度2μ，查物性表62μ893.710Pa S -=⨯； （6）水的柏朗特数1Pr ，计算或直接查得

16

P 1

11

1000C μ1000 4.18893.710Pr (

) 6.13k 0.609

-⨯⨯⨯⨯⨯=== （1-1）

（7）氨气的密度1ρ，查物性表31595kg/m ρ=； （8）氨气的比热1C P ，查物性表1C 2.863kJ/kg C P =； （9）氨气的导热系数1K ，查物性表1K 0.33W/m C =； （10）氨气的粘度1μ，查物性表51μ 1.2110Pa S -=⨯； （11）氨气的柏朗特数1r P ，

15P 1

11

1000C μ1000 2.863 1.2110Pr (

)0.1k 0.33

-⨯⨯⨯⨯⨯=== （1-1）

1.4.3 传热量及水流量

（1）换热器效率，取0.98η=； （1）设计传热量0Q ，

1'''01p 22Q G C (t t )η1000/3600

150000 4.18(3020)0.981000/36001706833.3W =-⨯=⨯⨯-⨯⨯= （1-3）

1.4.4 有效平均温差 （1）逆流平均温差m Δt

m Δt (Δt Δt )/ln(Δt /Δt )14540

[(14540)(3020)]ln()3020

40.4C =--=---÷-=大小大小 （1-4）

（1）参数R

()'''

'''1122R (t t )/(t t )(14540)/30-2010.5=--=-= （1-5） 参数P ，0.0820)20)/(145(30)t )/(t t (t P '2'

1'2''2=--=--= （1-6）

参数ϕ，查取0.89=ϕ

有效平均温差m 'Δt ，C 35.9640.40.89Δt Δt N m '

=⨯=⋅=ϕ