1、课程设计管壳式换热器的设计管壳式换热器结构管壳式换热器结构 封头封头 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 1膨胀节结构膨胀节结构CtC oo带有补偿圈的固定管板式换热器带有补偿圈的固定管板式换热器的情况。且壳方流体压强不高于适用于温差小于kPakPaC C6007010/312.浮头式换热器（一端不与外壳连接，称之为浮头）应用极为普遍。的各种物料的换热适用于两流体温差较大,11/313.U型管式换热器（管子可自由伸缩）流体必须清洁的场合适用于高温高压且管内管壳式换热器型号与系列标准1）基本参数和型号（1）基本参数公称换
2、热面积SN公称直径DN公称压强PN换热器管长度L换热管规格和排列管程数NP（2）型号表示方法例G800II-1.0-11012345 1-换热器代号（换热器代号（G,F）2-公称直径，公称直径，mm3-管程数管程数Np：、4-4-公称压力公称压力P PN,N,MPaMPa5-5-公称换热面积公称换热面积S SN,N,m m2 2 不洁净和易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，便于清洗避免壳体和管子同时腐蚀，便于清洗 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，节省壳程金属消耗量免壳体受
3、压，节省壳程金属消耗量 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及不凝性气体便于及时排除冷凝液及不凝性气体 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-减少热减少热应力应力一、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
4、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；程数增加使平管子太长不易清洗，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
5、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 1 2.4三、流体两端温度的确定三、流体两端温度的确定 若冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确若冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定两端温度的问题。定两端温度的问题。若其中一个流体已知进口温度，则出口温度应由设计者若其中一个流体已知进口温度，则
6、出口温度应由设计者来确定。来确定。例如：用冷水冷却某热流体，冷却水进口温度可根据当地例如：用冷水冷却某热流体，冷却水进口温度可根据当地气温条件作出估计，出口温度需根据经济衡算来决定。气温条件作出估计，出口温度需根据经济衡算来决定。为节省水量，出口温度提高，则传热面积要大些；为节省水量，出口温度提高，则传热面积要大些；为减少传热面积，出口温度降低，则要增加水量。为减少传热面积，出口温度降低，则要增加水量。1.管径管径 应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面的流应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面的流速范围速范围目前列管式换热器系列标准中管径仅有：目前列管式换热器系列标准中管径仅有：25mm 2
7、.5mm、19mm 2mm四、管子的规格和排列方法四、管子的规格和排列方法a.小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数稍高，但容易结垢，不易清洗，用于较清洁的流体；稍高，但容易结垢，不易清洗，用于较清洁的流体；b.大直径管子用于粘性大或大直径管子用于粘性大或易结垢易结垢的流体。的流体。2.管长管长 以清洗方便及合理使用管材为原则以清洗方便及合理使用管材为原则合理的换热器管长：合理的换热器管长：1.5m、2m、3m、6m等等 管子长度与公称直径之比，一般为管子长度与公称直径之比，一般为l/d46，对直，对直径小的换热器可取大些。径小的换热器可取
8、大些。3.管子排列方法管子排列方法正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形等正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形等管板强度高；流体走短路管板强度高；流体走短路机会少，且扰动较大，因机会少，且扰动较大，因而对流传热系数较高；相而对流传热系数较高；相同壳程内排更多管子。同壳程内排更多管子。便于清洗，适便于清洗，适于壳程流体易于壳程流体易结垢的场合；结垢的场合；但对流传热系但对流传热系数较正三角形数较正三角形的低。的低。介于正三角介于正三角形和正方形形和正方形之间。之间。对于固定管板式换热器（型号对于固定管板式换热器（型号G）采用）采用25mm 2.5mm的管子和正三角形排列的管子和正三角形
9、排列 FA型浮头式换热器一般采用型浮头式换热器一般采用 19mm 2mm和正三角形排列和正三角形排列 FB型浮头式换热器型浮头式换热器25mm 2.5mm和正和正方形排列。方形排列。4.管间距管间距t :两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑以下几个因素：以下几个因素：管板强度；管板强度；清洗管子外表面时所需要的空隙；清洗管子外表面时所需要的空隙；换热管在管板上的固定方法。换热管在管板上的固定方法。通常，取通常，取t=（1.251.5）d0。管外径mm管心距mm各程相邻管的管心距，mm192538253244324052384860五、管程和壳程数
10、的确定五、管程和壳程数的确定 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，对流系数较小。有时会使管内流速较低，对流系数较小。为提高管内流速，可采用多管程。为提高管内流速，可采用多管程。但管程数过多，管程流动阻力加大，增加动力费用；多程会但管程数过多，管程流动阻力加大，增加动力费用；多程会使平均温度差下降；多程隔板使管板上可利用面积减少使平均温度差下降；多程隔板使管板上可利用面积减少 标准中管程数有：标准中管程数有：1、2、4和和6程，多程时应使每程管子数程，多程时应使每程管子数大致相等。大致相等。管程数管程数m计算：计算：u
11、muu管程内流体的适宜流速；管程内流体的适宜流速；u管程内流体的实际流体。管程内流体的实际流体。1.管程数管程数管程数管程数折流挡板间距折流挡板间距当温差校正系数当温差校正系数 低于低于0.8，可采用多壳程。，可采用多壳程。t 如：在壳体内安装一块与管束平行的隔板，流体在壳体如：在壳体内安装一块与管束平行的隔板，流体在壳体内流经两次，称为两壳程。内流经两次，称为两壳程。但由于隔板在制造、安装和检修等方面都有困难，故一但由于隔板在制造、安装和检修等方面都有困难，故一般不采用壳方多程的换热器，而是几个换热器串联使用般不采用壳方多程的换热器，而是几个换热器串联使用2.壳程数壳程数六、折流挡板六、折流
12、挡板形式形式：作用：作用：提高壳程内流体的流速；提高壳程内流体的流速；加强湍流强度；加强湍流强度；提高传热效率；提高传热效率；支撑换热管。支撑换热管。圆缺形圆缺形盘环形盘环形 最常用的为最常用的为圆缺形挡板圆缺形挡板，切去的切去的弓形高度弓形高度约为外壳内约为外壳内径的径的10%40%，一般取，一般取20%25%。板间距过小，不便于制造和维修，阻力较大；板间距过小，不便于制造和维修，阻力较大；板间距过大，流体难于垂直地流过管束，使对流传热系板间距过大，流体难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。数下降。两相邻挡板的距离（两相邻挡板的距离（板间距板间距）h为外壳内径为外壳内径D的（的（0.21）
13、倍。）倍。系列标准中，采用的系列标准中，采用的h（mm）值为：）值为：固定管板式：固定管板式：150,300,600；浮头式：浮头式：150,200,300,480和和600.七、外壳直径的确定七、外壳直径的确定要求：要求：壳体内径等于或稍大于管板的直径。壳体内径等于或稍大于管板的直径。单程管壳体内径：单程管壳体内径：(1)2cDt nb式中式中:t t管心距，管心距，m m；n nc c 横过管束中心线的管数；横过管束中心线的管数；b b管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离.0(11.5)bd1.11.19ccnn正三角形排列：n正方形排列：n
14、D400mm,钢管卷焊而成钢管卷焊而成缓冲板缓冲板1.05NDt管板利用率管板利用率多管程壳体内径：多管程壳体内径：N 排列管子数目；排列管子数目；t t管心距管心距正三角形排列正三角形排列 2管程：管程：0.7-0.85；4管程：管程：0.6-0.8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
15、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.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
16、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
17、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：psNN管程数；串联的壳程数。psritNNppp)(力引起的压强降直管及回弯管中摩擦阻ripp ,222iidulp)2(32upr2.壳程流动阻力壳程流动阻力19.02Re72.12)1(seB
18、ssudNDpedu0Re 10smum为壳层中流体的流速，折流挡板数；当量直径，BeNd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
19、，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
20、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。对流传热系数（无相变）设计任务书设计任务书 试选用一适当型号的列管式换热器，产量为试选用一适当型号的列管式换热器，产量为50m3/h，温度，温度为为185 的油品将流量为的油品将流量为54m3/h的原油从的原油
21、从65 加热到加热到115。管程和壳层的压降均不超过管程和壳层的压降均不超过25kpa。两油料的污垢热阻均取。两油料的污垢热阻均取0.0002m2.W-1，碳钢的导热系数为碳钢的导热系数为45Wm-1-1。实例实例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)油品油品热流体热流体7152.50.64 10-30.133原油原油冷流体冷流体8152.26.65 10-3 0.128一、估算传热面积一、估算传热面积1.热流量热流量 kWhkJttWCQp1450/1008.5)65115(2.28155405.1)(05.1
22、612CcqQTTphh2.1285.2715501008.5185612 2.平均传热温差平均传热温差，逆流计算，得，逆流计算，得 Ctttttm5.66)652.128(115185ln652.128115185ln1212，42.065185651151212TTttP14.1651152.1281851221ttTTR88.0tCttmtm5.585.6688.0，查图433可得:所以3.传热面积传热面积 由于计算传热面积需要知道总传热系数由于计算传热面积需要知道总传热系数K。根据生产实践中。根据生产实践中不同种类流体间换热的总传热系数经验值，参照表不同种类流体间换热的总传热系数经验值
23、，参照表4-6，假设，假设K=240W/(m2)则估算的传热面积为：则估算的传热面积为：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：263.1035.582401045.1mtKQSm28.1183.10315.115.1mSS二、工艺结构尺寸二、工艺结构尺寸 1.初步确定换热器的型号初步确定换热器的型号由于冷热流体温差较大，同时为了便于拆卸清洗，选用浮由于冷热流体温差较大，同时为了便于拆卸清洗，选用浮头式列管换热器为宜。所头式列管换热器为宜。所选用换热管规格为选用换热管规格为2
24、52.5。3.传热管数传热管数 依据传热管内径和换热器面积，选用依据传热管内径和换热器面积，选用6m长的管子长的管子确定单程传热管数：确定单程传热管数：2.流体流动途径的确定流体流动途径的确定 根据两流体的情况，故选择油品走换热器的管程，原油走壳程。根据两流体的情况，故选择油品走换热器的管程，原油走壳程。2196025.014.33.10300LdSni 则管程数则管程数 传热管总根数：传热管总根数：n=219/4=55（根）（根）选择一个合适的管内流速，参照表选择一个合适的管内流速，参照表4-8，取油品在管内流速，取油品在管内流速0.8m/s smndquivhi/2.0360021902.
25、0785.050785.02242.08.0N4.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 采用单管程结构，则壳体内径为：采用单管程结构，则壳体内径为：圆整可取圆整可取D=700mm6.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%
26、，则切去的圆缺高度为：，则切去的圆缺高度为：H=0.25700=175m 取折流板间距取折流板间距h=0.35D，则，则 h=0.35700=245mm 故故可取可取h=250mm=0.25m 折流板数目：折流板数目：811 790.1BN 传 热 管 长折 流 板 间 距NB=6/0.25-1=23(1)2cDt nb61.0025.05.12)121919.1(032.0D7.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=2m/s，则
27、接管内径为，则接管内径为mD094.0214.336000/5042mD098.0214.336000/5441pN壳 径 D700管 子 尺 寸252.5mm管程数4管 长L6 m管子总数 n256管子排列方法正方形错列浮头式换热器型号：浮头式换热器型号：BES-700-1.6-120-6/25-4I查查P483附录附录（1 1）管程对流传热系数）管程对流传热系数管程流体流速：管程流体流速：雷诺数：雷诺数：普兰特准数：普兰特准数：五、换热器核算五、换热器核算1.热量衡算热量衡算smAVuisi69.036006402.0785.0502湍流431054.11064.071502.069.0R
28、eiiiud03.12133.01064.0105.2Pr33piCCmWdiii23.08.043.08.0/72303.12)1054.1(02.0133.0023.0PrRe023.0（2）壳程对流传热系数）壳程对流传热系数 当量直径：当量直径：壳程流通截面积：壳程流通截面积：mddtde027.0025.014.3)025.0414.3032.0(4)4(4220202200038.0032.0025.017.025.01mtdhDAsmAVus/4.03600038.05400原油的流速原油的流速雷诺数：雷诺数：普兰特准数：普兰特准数：13241065.6815027.04.0Re3
29、00cceud114128.01065.6102.2Pr330ccpCCmWdwec 23/114.0310048305.1114027.0128.020)(Pr20（3）污垢热阻）污垢热阻管内侧污垢热阻：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 iiiSimSddddRdbdRK0000011)/(2352KmWKWKmRSo/0002.02WKmRSi/0002.02（5）传热面积裕度）传热面积裕度 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
30、任务。），该换热器能够完成生产任务。265.1055.582351045.1mtKQSm%1415.1051201SS2.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22udlpiii 由由Re=15400，传热管相对粗糙度为，传热管相对粗糙度为0.05/20=0.00255，查，查莫狄图，得莫狄图，得=0.032W/(mK),流速流速u=0.69m/s,=715kg/，所以，所以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。psritNNppp)(PaudLPiii1634269.071502.06032.022222PauPir6.510269.0715323224;1psNNPaPt8578146.5101634（2）壳程壳程阻力阻力44.092.372.1132475.1Re72.12)1(19.019.02seBssudNDp1599124.0815027.0)123(7.044.02sp由上面计算可知，该换热器管程与壳程的压强均满足题目要求，故所选换热器合适。09.0301403040P10304040140R传热平均温差校正系数按单壳程四管程结构，温差校正系数应查有关图表，但R=10的点在图中难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一线图，
