1、换热器课程设计换热器课程设计第三节第三节 换热器计算方法换热器计算方法换热器：换热器：在不同温度的流体间传递热能的装置在不同温度的流体间传递热能的装置称为换热器。称为换热器。 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述行业的通用广泛使用各种换热器，且它们是上述行业的通用设备，占有十分重要的地位。设备，占有十分重要的地位。1、热力设计、热力设计 根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并进行传热计算。行参数，并进行传热计算。 计算出总传热系数、传热面积计算出总传热系数、传热面积2、流
2、动设计、流动设计 计算压降，为换热器的辅助设备提供选择参数计算压降，为换热器的辅助设备提供选择参数3、结构设计、结构设计 根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸4、强度设计、强度设计 应力计算。考虑换热器的受力情况，特别是在应力计算。考虑换热器的受力情况，特别是在高温高压下换热器的受压部件应按照国家压力容高温高压下换热器的受压部件应按照国家压力容器的标准设计。器的标准设计。管壳式换热器结构管壳式换热器结构 管箱（封头）管箱（封头） 壳体壳体 内部结构（包括管束等）内部结构（包括管束等）单管程固定管板换热器单管程固定管板换热器管程管程壳程壳程 不洁净和易
3、结垢的液体宜在管内不洁净和易结垢的液体宜在管内-清洗比较方便清洗比较方便 腐蚀性流体宜在管腐蚀性流体宜在管内内-避免壳体和管子同时腐蚀，便于清避免壳体和管子同时腐蚀，便于清洗洗 压强高的流体宜在管内压强高的流体宜在管内-免壳体受压，节省壳程金属消耗免壳体受压，节省壳程金属消耗量量 饱和蒸汽宜走管间饱和蒸汽宜走管间-便于及时排除冷凝液便于及时排除冷凝液 有毒流体宜走管内，使泄露机会较少有毒流体宜走管内，使泄露机会较少 被冷却的流体宜走管间被冷却的流体宜走管间-可利用外壳向外的散热作用可利用外壳向外的散热作用 流量小或粘度大的液体，宜走管间流量小或粘度大的液体，宜走管间-提高对流传热系数提高对流传
4、热系数 若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管间若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管间-减减少热应力少热应力一、流体流径的选择一、流体流径的选择-冷、热流体走管程或壳程冷、热流体走管程或壳程上述各点若不能同时兼顾，应视具体情况抓主要矛盾。上述各点若不能同时兼顾，应视具体情况抓主要矛盾。先流体的压强、防腐蚀和清洗等要求，再校核对流传热系数和压强降。先流体的压强、防腐蚀和清洗等要求，再校核对流传热系数和压强降。增加流速增加流速对流传热系数对流传热系数 ，污垢热阻，污垢热阻总传热系数总传热系数 传热面积传热面积流动阻力流动阻力和动力消耗和动力消耗还需考虑结构上：还需考虑结构上： 高流速
5、高流速管子数目管子数目较长管子或增加程数较长管子或增加程数 管子太长不易清洗，且管长都有一定标准；管子太长不易清洗，且管长都有一定标准；程数增加使平均温度差下降程数增加使平均温度差下降二、流体流速的选择二、流体流速的选择一定传热面积一定传热面积常用的流速范围常用的流速范围不同粘度液体的流速不同粘度液体的流速 流体种类流体种类 流速流速管程管程壳程壳程一般流体一般流体0.530.21.5易结垢流体易结垢流体10.5气体气体530315液体粘度液体粘度最大流速最大流速 1500 0.6 1500500 0.75 500100 1.1 10035 1.5 351 1.8 4管程：管程：0.6-0.8
6、正方形排列正方形排列 2管程：管程：0.55-0.7 ; 4管程：管程：0.45-0.65计算得到的壳内径应圆整。计算得到的壳内径应圆整。壳体标准尺寸壳体标准尺寸壳体外径壳体外径/mm325400 500 600 700800 900 10001100 1200最小壁厚最小壁厚/mm8101214八、主要附件八、主要附件1.封头封头方形：用于直径小的壳体（方形：用于直径小的壳体（400mm）；）；圆形：用于大直径的壳体。圆形：用于大直径的壳体。2.缓冲挡板缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板料管口装设缓冲挡板3
7、.导流筒导流筒 壳程流体的进、出口与管板间存在一段流体不能流动壳程流体的进、出口与管板间存在一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒。流筒。4.放气孔、排液孔放气孔、排液孔 壳体上常安有放气孔和排液孔，排出不冷凝气体和冷凝壳体上常安有放气孔和排液孔，排出不冷凝气体和冷凝液等。液等。5.接管接管 换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即4sVdu Vs流体的体积流量，流体的体积流量，u流体在接管中的流速流体在接管中的流速流速流速u的经验值可取为：的经验值可取为：对液体对
8、液体 u =1.52m/s；对蒸气；对蒸气u =2050m/s ；对气体对气体u =（0.150.2）p/ (p为压强，为压强，kPa； 为气体密度为气体密度)。九、材料选用九、材料选用 材料应根据操作压力、温度及流体的腐蚀性等来选用。材料应根据操作压力、温度及流体的腐蚀性等来选用。 目前常用的金属材料有：碳钢、不锈钢、低合金钢、铜目前常用的金属材料有：碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等。和铝等。 非金属材料有：石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。非金属材料有：石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。十、流体流动阻力（压强降）的计算十、流体流动阻力（压强降）的计算1.管程流动阻力管程流动阻力 总阻力等于各程直管阻力、回
9、弯阻力及进、出口之和。总阻力等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口之和。一般进、出口阻力可忽略不计，管程总阻力的计算式为：一般进、出口阻力可忽略不计，管程总阻力的计算式为：12()itsppppF N N psNN管程数；串联的壳程数。12appP、分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，；25mm 2.5mm1.419mm 2mm1.5tF结垢校正因数，对取，对取；223()2up212lupd2.壳程流动阻力壳程流动阻力用埃索法计算壳程压强降，即用埃索法计算壳程压强降，即012()sspppF N 1apP流体横过管束的压强降，；2apP流体通过折流板缺口的压强降，；sF 壳程压强降的结
10、垢校正系数，液体可取1.15，气体可取1.0sN 串联的壳程数。2022(3.5)2BuhpND2010(1)2cBupFf n NF 管子排列方法对压强降的校正因素， 正三角为0.5,转角正方形为0.4，正方形为0.3；0.2280000Re5005Reff壳程流体的摩擦系数，当时，0000mm/()cBcnNhDuAm sAh Dn d横过管束中心线的管子数；折流挡板数；折流挡板间距， ；壳体内径， ；按壳程流通截面积计算的流速，, 而设计步骤设计步骤 1、试算并初选设备规格、试算并初选设备规格 确定流体在换热器中流动途径。确定流体在换热器中流动途径。 根据传热任务计算热负荷根据传热任务计
11、算热负荷Q。 确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的形确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的形式；计算定性温度，并确定在定性温度下的流体物性。式；计算定性温度，并确定在定性温度下的流体物性。 计算平均温差，并根据温度差校正系数不应小于计算平均温差，并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则，决定壳程数。的原则，决定壳程数。 依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数选定总传热系数K值。值。 由传热速率方程，初步算出传热面积，并确定换热器由传热速率方程，初步算出传热面积，并确定换热器的基本尺寸。的基本尺寸。2、计算管程、壳
12、程压强降、计算管程、壳程压强降 根据初定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压根据初定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压强降。验算结果是否满足工艺要求。若压强降不符合要求，强降。验算结果是否满足工艺要求。若压强降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的换热器，重新计算压强降直至满足要求。格的换热器，重新计算压强降直至满足要求。3、核算总传热系数、核算总传热系数 计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，再计算计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，再计算总传热系数总传热系数K，比较，比较K的初设值和计算值，若
13、的初设值和计算值，若K/K=1.151.25，则初选的换热器合适。否则需另设，则初选的换热器合适。否则需另设K值，值，重复以上计算步骤。重复以上计算步骤。设计任务书设计任务书 将将6000kg/h的植物油从的植物油从140冷却到冷却到40，井水进、，井水进、出口温度分别为出口温度分别为20和和40。要求换热器的管程和壳。要求换热器的管程和壳程压强降均不大于程压强降均不大于35kPa。 实例实例工艺设计计算工艺设计计算一、确定设计方案一、确定设计方案1选择换热器的类型选择换热器的类型 两流体的变化情况：热流体进口温度两流体的变化情况：热流体进口温度140，出口温度，出口温度40； 冷流体进口温度
14、冷流体进口温度20，出口温度，出口温度40。 考虑冷热流体间温差大于考虑冷热流体间温差大于50，初步确定选用浮头式换热器。，初步确定选用浮头式换热器。2流程安排流程安排 与植物油相比，井水易于结垢，如果其流速太小，会加快与植物油相比，井水易于结垢，如果其流速太小，会加快污垢增长速度使换热器传热速率下降。植物油被冷却，走壳污垢增长速度使换热器传热速率下降。植物油被冷却，走壳程便于散热。因此，冷却水走管程，植物油走壳程。程便于散热。因此，冷却水走管程，植物油走壳程。二、确定物性数据二、确定物性数据 对于粘度低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平对于粘度低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平
15、均值。所以，均值。所以，壳程流体的定性温度为：壳程流体的定性温度为： 管程流体的定性温度为：管程流体的定性温度为： 14040902TC2040302tC 定性温度下，管程流体定性温度下，管程流体(井水井水)、壳程流体（植物油）有关、壳程流体（植物油）有关物性参数由物性参数由主要物性参数表主要物性参数表得出。得出。2物性参数物性参数 1定性温度定性温度主要物性参数表主要物性参数表介质介质性质性质密度密度kg/m3比热比热kJ/(kg)粘度粘度Pas热导率热导率W/(m)植物油植物油热流体热流体9502.2610.742 10-30.172井水井水冷流体冷流体995.74.1740.801 10
16、-3 0.618三、估算传热面积三、估算传热面积1.热流量热流量 1111660002.261140401.3566 10 kJ / h 376.8kWpQm ct 2.平均传热温差平均传热温差 先按照逆流计算，得先按照逆流计算，得(14040)(4020)49.714040ln4020mtC逆3.传热面积传热面积 由于壳程植物油的压力较高，故可选取较大的由于壳程植物油的压力较高，故可选取较大的K值。假设值。假设K=395W/ (m2)则估算的传热面积为：则估算的传热面积为：321376.8 1019.19395 49.7mQAmK t 考虑到外界因素的影响，根据经验取实际传热面积为估算考虑到
17、外界因素的影响，根据经验取实际传热面积为估算值的值的1.15倍，则实际传热面积为：倍，则实际传热面积为： 21.1522.07pAAm4.井水用量井水用量133m=376.810=4.51/16250.8/4.174104020piiQctkgskgh四、工艺结构尺寸四、工艺结构尺寸 1.管径和管内流速管径和管内流速 选用选用252.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=0.75m/s。 2.管程数和传热管数管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数：依据传热管内径和流速确定单程传热管数：2216250.8/(3600 995.7)Ns20
18、0.785 0.020.754iVd u（根） 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准管设计，现取传热管长设计实际情况，采用标准管设计，现取传热管长L=8m，则该，则该换热器的管程数为：换热器的管程数为： p15N28Ll （管程）传热管总根数：传热管总根数：n=202=40（根）（根）按单程管计算，所需的传热管长度为：按单程管计算，所需的传热管长度为： 22.0714.05153.14 0.025 20posALmd n3.平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数：平均温差校正系数：
19、 1404054020R40200.214040P按单壳程，双管程结构，查图得：按单壳程，双管程结构，查图得： 0.85t平均传热温差平均传热温差 0.85 49.742.24mtmttC逆由于平均传热温差校正系数大于由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。故取单壳程合适。4.传热管排列和分程方法传热管排列和分程方法 采用正方形错列。取管心距采用正方形错列。取管心距t=1.25d0，则，则 t=1.2525=31.2532mm 隔板中心到离其最近一排管中心距离：隔板中心到离其最近一排管中心距离： S=t/2+6=32/2+6=22mm各程
20、相邻管的管心距为：各程相邻管的管心距为：222=44mm5.壳体内径壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率采用多管程结构，取管板利用率=0.85，则壳体内径为：，则壳体内径为：D1.05t/1.0532 40 / 0.85275TNmm圆整可取圆整可取D=300mm6.折流板折流板 采用弓形折流板采用弓形折流板,取弓形之流板圆缺高度为壳体内径的取弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：，则切去的圆缺高度为：H=0.25300=75m 取折流板间距取折流板间距h=0.3D，则，则 h=0.3300=90mm 故可取故可取h=100mm 折流板数目：折流板数目：811790.1B
21、N 传热管长折流板间距7.其他附件其他附件 拉杆数量与直径按表选取，本换热器壳体内径为拉杆数量与直径按表选取，本换热器壳体内径为300mm，故：拉杆直径为故：拉杆直径为12，拉杆数量不得少于，拉杆数量不得少于4。8.接管接管壳程流体进出口接管：壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为取接管内流体流速为u1=2m/s，则接管内径为，则接管内径为114V4 6000/(3600 950)0.0323.14 2Dmu管程流体进出口接管：管程流体进出口接管：取接管内液体流速取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为，则接管内径为mD030. 05 . 214. 33420000/600042五、换
22、热器核算五、换热器核算1.热量衡算热量衡算（1）壳程对流传热系数）壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式计算：对圆缺形折流板，可采用凯恩公式计算：14. 03155. 0010)(PrRe36. 0wed22440.02oeotddmd当量直径：当量直径： 壳程流通截面积：壳程流通截面积： 20.025(1)0.1 0.3(1)0.00730.032oodshDmt壳程流体流速：壳程流体流速： smuo/24. 00073. 0)9503600/(6000雷诺数：雷诺数： 56.614510742. 095024. 002. 0Re3o 普兰特准数：普兰特准数： 7538. 9172
23、. 010742. 010261. 2Pr33 粘度校正：粘度校正： 95. 0)(14. 0w10.55320.1720.366145.569.75380.950.02709.1 /owmk（）（2 2）管程对流传热系数）管程对流传热系数4 .08 .0PrRe023.0iiid2200628. 024002. 0785. 0mSi管程流体流通截面积：管程流体流通截面积： smui/7219. 0006288. 0)7 .9953600/(8 .1625017943108012. 07 .9957219. 002. 0Re3i41. 5618. 0108012. 010174. 4Pr33管
24、程流体流速：管程流体流速：雷诺数：雷诺数：普兰特准数：普兰特准数： ）（/6.352041.51749302.0618.0023.023.08.0kmwi（3）污垢热阻）污垢热阻wkmRo/00058. 02wkmRi/000176. 02管内侧污垢热阻：管内侧污垢热阻：管外侧污垢热阻：管外侧污垢热阻：（4）传热系数）传热系数 211()410.5/eoiowooiiimoKdR dR dRdddwmk（）（5）传热面积裕度）传热面积裕度 2315 .187 .495 .41010833.376mtKQAmec23.140.025 84025.12poAn d lm 22.0718.518.6
25、%19.19pccAAA计算传热面积为：计算传热面积为：换热器的实际传热面积为：换热器的实际传热面积为：换热器的面积裕度为：换热器的面积裕度为：传热面积裕度合适（传热面积裕度合适（15%20%），该换热器能够完成生产任务。），该换热器能够完成生产任务。2.换热器内流体的流动阻力换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力）管程流体阻力spsritFNNppp)(1sN2Np22udlpiii5 . 1sF 由由Re=17943，传热管相对粗糙度为，传热管相对粗糙度为0. 1/20=0.005，查莫，查莫狄图，得狄图，得=0.027W/(mK),流速流速u=0.75m/s,=995.71kg/，所，
26、所以以Papi4 .302427 .99575. 002. 08027. 02Paupr840275. 07 .99532221(3024.4840) 1 2 1.511593.235000pPaPa 管程流体阻力在允许范围之内。管程流体阻力在允许范围之内。（2）壳程壳程阻力阻力ssiosNFppp)(1sN1.15()sF 液体流体流经管束的阻力：流体流经管束的阻力： 2(1)2ooocBupFf n N5 . 0F-1=79BLNH06000=0.14/3600 950 0.0125um s0.50.51.11.1 407cnn壳程流通面积：壳程流通面积： 200()0.1 (0.37 0.025)0.0125cAh Dn dm 0-30.025 0.14 950Re44815000.742 10du0.2880.28805.0Re=5.044810.72of29500.140.50.7277911876.9Pa2op 22 0.1950 0.1479 (3.5)0.32=4167.7 aipPh=0.1m, D=0.3m202(3.5)2iBuhpND1876.94167.71 1.159066.935000spPaPa （）壳程流体阻力在允许范围之内。壳程流体阻力在允许范围之内。结果汇总表结果汇总表
