管壳式换热器传热设计说明书
设计一列管试换热器，主要完成冷却水——过冷水的热量交换设计压力为管程1.5MPa （表压），壳程压力为0.75MPa （表压），壳程冷却水进,出口温度分别为20℃和50℃，管程过冷水进，出口温度分别为90℃和65℃管程冷水的流量为80t/h 。
2、 设计计算过程：
（1）热力计算
1)原始数据：
过冷却水进口温度t 1′=145℃；
过冷却水出口温度t 1〞=45℃；
过冷却水工作压力P 1=0.75Mp a （表压）
冷水流量G 1=80000kg/h ；
冷却水进口温度t 2′=20℃；
冷却水出口温度t 2〞=50℃；
冷却水工作压力P 2=0.3 Mp a （表压）。改为 冷却水工作压力P 2=2.5 Mp
2)定性温度及物性参数：
冷却水的定性温度t 2=( t 1′+ t 1〞)/2=(20+50)/2=35℃；
冷却水的密度查物性表得ρ2=992.9 kg/m 3；
冷却水的比热查物性表得C p2=4.174 kJ/kg.℃
冷却水的导热系数查物性表得λ2=62.4 W/m.℃
冷却水的粘度μ2=727.5×10－6 Pa·s；
冷却水的普朗特数查物性表得P r2=4.865；
过冷水的定性温度t 1=(t 1?t 1′′)==77.5℃；
过冷水的密度查物性表得ρ1=976 kg/m 3；
过冷水的比热查物性表得C p1=4.192kJ/kg.℃；
过冷水的导热系数查物性表得λ1=0.672w/m.℃；
过冷水的普朗特数查物性表得P r2=2.312；
过冷水的粘度μ1=0.3704×10－6 Pa·s。 过冷水的工作压力 P 1=1.5 Mp a （表压）
3)传热量与水热流量
取定换热器热效率为η=0.98；
设计传热量：
Q 0=G 1·C p1·(t 1?t 1′′)η×10003600?
=80000×4.174×(50?20)×10003600?=2727013 W
过冷却水流量：
G 2=Q 0C p 2·(t 2′′?t 2′)=3600×7513334.187×1000×(40?30)=93676 t/? ；
4)有效平均温差
逆流平均温差：
?t count =(t 1′?t 2′′)?(t 1′′?t 2′)ln t 1′?t 2′′t 1′′?t 2′
=(90?50)?(65?20)ln 90?5065?30=42.45 ℃ 根据式（3-20）计算参数p 、R:
参数P ：
P=t2′′?t2′
1
′
2
′
=
50?20
=0.429
参数R：
R=t1′?t1′′
t2′′?t2′
=
90?65
50?20
=0.833
换热器按单壳程2管程设计，查图3—8得温差校正系数Ψ=0.83；有效平均温差：
?t m=Ψ?t N=0.92×42.45=40.2 ℃
5)管程换热系数计算：
附录10，初定传热系数K0=400 W/m.℃；
初选传热面积：
A0=Q0
K0·?t m =751333
400×40.2
=169.59 m2；
选用φ25×2.5无缝钢管作换热管；管子外径d0=0.025 m；
管子径d i=0.025-2×0.0025=0.02 m；管子长度取为l=3 m；
管子总数：
n=A0
π·d0·l =169.59
π×0.025×3
=720取720根
管程流通截面积：
A t=n t
2·π
4
·d i2=352
2
·π
4
·0.022=0.11309m2
管程流速：
w2=G2
ρ 2·a2×3600=93676
976×0.11309×3600
=0.23575m/s
管程雷诺数：
Re2=ρ 2·w2·d
μ2=976×0.23575×0.02
370.4×10?6
=12423?104湍流
管程传热系数：（式3-33c）
α2=3605·(1+0.015t2)w20.8
(100d i)0.2
=
3605(1+0.015×77.5)×0.235750.8
(100×0.02)0.2
=1186W/(m2?°C)
6)结构初步设计：
布管方式见图所示:
管间距s =0.032m （按GB151,取1.25d 0）； 管束中心排管的管数按4.3.1.1所给的公式确定： N c =1.1√N t =1.1·√720=29
取20根；
壳体径：
D i =s (N c ?1)+4d 0
=0.032×28+4×0.025
=0.9 m 取
Di =0.7m ；
长径比： l/D i =3/0.9=3.3 ，合理
选定弓形折流板
弓形折流板弓高： h =0.2D i =0.2×0.9=0.18m
折流板间距： B =D i /3=0.9/3=0.3m
折流板数量： n B =l B ??1=(3/0.9)?1=12
折流板上管孔直径由GB151-2014可确定为 0.0254mm
折流板直径由GB151-2014可确定为 0.6955m
7）壳程换热系数计算
壳程流通面积：
根据式(3-61)中流体横过管束时流道截面积
046.0032.0025.016.0233.01o i c1=???
? ??-?=???? ??-=s d BD A m 2
壳程流速：
w 1=G 1/3600
ρ 1·f 1=120003600?992.9×0.046=0.0.4865 m/s ；
壳程质量流速：
W 1=ρ 1·w 1=992.9×0.4865=483.05kg m 2/s ；
壳程当量直径：
D e =D i 2?N t ·d 02
N t ·d 0=0.92?720×0.0252720×0.025=0.02m ；
壳程雷诺数：
Re 2=ρ 2·w 2·d
μ2=992.9×0.4865×0.02370.4×10?6=26082；
切去弓形面积所占比例按 h/D i =0.2查图4-32得为0.145
壳程传热因子查 图3-24得为j s =20
管外壁温度假定值 t w1′=45℃
壁温过冷水粘度μw1=0.549×10?3 Pa.s
布管示意图
粘度修正系数：
?1=(μ1μw1)0.14=(0.3704×0.54910?3
)0.14
=0.9206 根据式（3-62）计算壳程换热系数：
α1=λ1d e ·p r 13?·?·js =0.6240.0307
×2.31213?×0.9324×20=758 8）传热系数计算：
水侧污垢热阻：r 2=0.000344m 2.℃/w
管壁热阻r 忽略
总传热系数：
K j =1
1α1+r 1+r 2d 0d i +1α2d 0d i
=11758+0.000344+0.000344(0.0250.02)+13407.5(0.0250.02)
=460W m 2?℃
传热系数比值K j K 0?=460400?=1.15，合理
9）管壁温度计算：
管外壁热流密度：
q 0=Q 0
N t πd 0l =2727013720×π×0.025×3=16074Ｗ/m 2
.℃ 根据式(3-94a)计算管外壁温度：
t w1=t 1?q 1(1α1+r 1)=77.5?16074(1758+0.000344)=43.03℃ 误差较核：
t w1?t w1′=50?50.54=?0.54 ℃，误差不大；
10）管程压降计算：
根据式(3-94b)计算管壁温度：
t w2=t 2+q 1d 0d i (1α2+r 2)=35+160740.0250.02(11186+0.000344)=58.8℃ ； 壁温下水的粘度：μw2=486×10?6 Pa·s；
粘度修正系数：
?2=(μ2μw2)0.14=(727.7×10?6486×10?6)0.14=1.05；
查图3-30得管程摩擦系数：λ2=0.0078
管程数 ：N t =2；
管沿程压降计算依据式（3-112）：
?p i =(W 222ρ)(l·N t d n )(λ2?2)=(0.23575×976)22×976·3×40.02·0.0781.058=599.8Pa （W=w.ρ） 回弯压降：
?p b =W 22
2ρ2·4·n =(0.23575×976)22×976·2·4=216Pa ；
取进出口管处质量流速：W N2=1750 ㎏/㎡·s ； (依据ρw 2<3300取 w=1.822m/s)
进出口管处压降(依据 3-113)：
?p n2=W n22
2ρ2×1.5=17502
2×976
×1.5=2353.4；
管程结垢校正系数：?d2=1；
管程压降：
?p2=(?p i+?p b)?d2+?p N2
=(599.8+216)×1+2310.7
=3452.82 Pa
11）壳程压降计算：
壳程当量直径：
d e=D i2?N t·d02
D i+N t·d0=0.92?720×0.0252
0.9+720×0.025
=0.019m；
雷诺数：
Re1=W1d e
μ1=483.08×0.19
0.7275×10?3
=12616；
查得壳程摩擦系数：λ1=0.08；(图 3-34) 管束压降（公式3-129）：
?p i=W12
2ρ1·D i(n b+1)
d e
·λ1
?1
=483.082
2×992.9
·0.9×10
0.019
·0.08
0.9206
=4837Pa；
取进出口质量流速：W N1=1000 kg/m2·s；( ρw2<2200 取W N2=1000 ㎏/㎡·s) 进出口管压降：
?p N1=W N12
2ρ1·1.5=10002
2×992.9
×1.5=335.7Pa；
取导流板阻力系数：ξd=5; 导流板压降：
?p d=W N12
2ρ1·ξp=10002
2×992.9
×5=2517.87Pa
壳程结垢修正系数：?d=1.38；(表3-12)
壳程压降：
?p l=?p0?d+?p d+?p N1=4837×1+2517.9+335.7=7690.7Ｐa；
管程允许压降：[△P2]=35000 Pa；（见表3-10）
壳程允许压降：[△P1]=35000 Pa；
△P2<[△P2]
△P1<[△P1]
即压降符合要求。
（2）结构设计（以下数据根据BG150-2011）
结构设计的任务是根据热力计算所决定的初步结构数据，进一步设计全部结构尺寸，选定材料并进行强度校核。最后绘成图纸，现简要综述如下：
1）换热器流程设计
采用壳方单程，管方两程的1-4型换热器。由于换热器尺寸不太大，可以用一台，未考虑采用多台组合使用，管程分程隔板采取上图中的丁字型结构，其主要优点是布管紧密。
2）管子和传热面积
采用? 25×2.5的无缝钢管，材质20号钢，长3m，管长和管径都是换热器的标准管子
尺寸。
管子总数为352根，其传热面积为：
F=πd0LN t=π×0.025×3×720=169m2
3）管子排列方式
上图十字形走廊是为了装设分程隔板，故有壳程流体的泄漏和旁流的问题。共有356个管孔，其中4个为装设拉杆用。
4）壳体
壳体径：D s=700mm；材质Q235 A钢；
壳体厚度（式6-1）：
δ=pD s
2[σ]t??p
+c
[σ]t=1245.88 t w<100℃
? =0.7
C=2mm(厚度附加量见GB150)
P=1.2p1(p为设计压力要大于工作压力)
δ=
1×1.2×700
2×1245.88×0.7?1×1.2
+2=2.482 mm
实取δs=6 mm
5)管板
根据表5-8 查取δmin=0.75d0mm
管板上开孔数与孔间距与管排列应一致。
6）折流板
因为无相变，采用通用的弓形折流板。Q235 A钢板。
拱高：h=140mm;
板间距：B=230mm；
板数：n B=12块；
板厚：δB=5 mm（依据表4-12）;
卧式布置，水平切口流动方向。
7）拉杆
选取Q235 A钢，?12，共8根（依据表5-10）
8)封头
根据压力容器设计规采用材质为Q235的标准形状椭圆封头。在满足强度要求条件下，取壁厚δ=δB=8 mm；曲面高度：
?1=D
4
=
D s+δ
4
=
700+8
4
=177 mm
D为封头的平均直径；直边高度，?0=25 mm。
9）进、出管
（a）管程进、出口管
ρw2<3300取取W N2=1750 ㎏/㎡·s，得进、出口流通面积为：
a N2=
G2
3600w N2ρ2
=
93676
3600×1750
=0.01487 m2
进出口管道直径：
D N2=√4
πa N2=√
4
π
×0.01487=0.138 m
取用：?114×4mm的热轧钢管或水输送管。
(b)壳程进、出口管：
ρw2<2200取取壳程浸出口管处质量流速W N2=1000 ㎏/㎡·s，得进、出口流通面积为：
a N1=
G1
3600w N1ρ1
=
80000
3600×1000
=0.00222m2
管程进出口管径为：
D N1=√4
πa N1=√
4
π
×0.00222 =0.1682 m
取用?70×3mm的热轧钢管或水输送管
10）其它：
容器法兰和进、出口法兰及底座均可根据设计规取用或计算，热补偿计算参照本章5-5节进行；