管壳式换热器的设计及计算

2.2 管壳式换热器的结构计算•在换热器设计中，传热计算之后即是结构计算。

•结构计算的任务在于确定设备的主要尺寸，对于管壳式换热器，主要包括：•1）计算管程截面积（管子尺寸、数目及程数，管子排列方式）•2）壳体直径•3）壳程截面积•4）计算进出口连接管尺寸2.2.1 管程流通截面积•基本方程为连续性方程单管程换热器的管程流通截面积为：sm w m kg skg M m A w M A t t t t tt t t //,//32管程流体流速，管程流体密度管程流体质量流量，管程流通截面积，−−−−−−−−=ρρ•管长的选用应考虑管材的合理使用和清洗方便，•目前换热管长度与壳体直径之比一般在4～25，通常为6～10，立式换热器以L/D＝4～6为宜。

•因我国生产的钢管长度多为6m，故系列标准中的管长有1.5，2，3或6m四种，其中以3m和6m最为普遍。

•如果按上式算出管长过长，则需分程。

上，便于制造。

一封头管箱便进出口连接管做在同所以程数宜取偶数，以增加。

使流动阻力数多增加流体转弯次数同时短路机会增加；程管数减少，占据管板过多面积，排程数过多导致分程隔板每程管数每程管长；管程总长；为：于是管子总数＝为：后，管程数管子的长度选为−−−−−−=n ml mL n lL l tt t t t Z n n /Z Z2.2.2壳体直径的确定•换热器壳体内径应等于或稍大于管板直径，通常是根据管径，管数和管子的排列方法，用作图法确定。

当管数较多又要反复计算时，可参考系列标准或通过估算初选外壳直径，待设计完成后再用作图法画出管子的排列图。

为使管子均匀排列，防止流体走“短路”，可以适当增减一定数目的管子或安排一些拉杆。

•初步设计中，可采用下式估算外壳直径：•D S =(b-1)s+2b ′式中：D S ——壳体内径，m ；s——管中心距，m ；b ′——管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，m ，一般取b ′=(1～1.5)d o ；b ——位于管束中心线上管数，其值可由以下公式计算：管子按等边三角形排列时，b=1.1n t 0.5管子按正方形排列时，b=1.19n t 0.5式中：n t ——换热器的总管数。

管壳式换热器的设计管壳式换热器是一种常用的换热设备，广泛应用于石油化工、冶金、电力、制药、食品等行业。

它由壳体、管束、管板、管箱等组成，能够有效地将两种介质之间的热量传递。

下面将从换热原理、设计要求和结构设计等方面进行详细介绍。

一、换热原理管壳式换热器通过管壳两侧的介质进行热量传递。

其中，一个介质在管内流动，被称为"壳侧流体"，另一个介质在管外流动，被称为"管侧流体"。

壳侧流体通过壳体流动，而管侧流体则通过管束流动。

热量传递主要通过壳侧流体和管侧流体之间的传导和对流传热方式进行。

二、设计要求1.热量传递效果好：要求在换热器内两种介质之间实现高效的热量传递，以满足工艺要求。

2.压力损失小：为了保证介质流动的稳定性和降低能源消耗，设计时需要尽量减小换热器内的动能损失。

3.适应不同工艺条件：换热器的设计要能适应不同的流量、温度和压力等工艺条件的变动。

4.安全可靠：要求在设计中考虑到换热器的安全性和可靠性，尽量减少故障率。

三、结构设计1.壳体：壳体是换热器的外壳，一般采用钢质材料制造。

壳体的选择应考虑到介质的性质、压力和温度等参数，并采取相应的增强措施。

2.管束：管束是由多根管子组成的，一般采用金属材料或塑料制造。

管束的设计要考虑到介质对管材的腐蚀性、温度和压力等参数，同时也要考虑到换热面积的要求。

3.管板：管板位于管束两端，起到支撑和固定管束的作用，一般采用钢质材料制造。

管板的设计要考虑到壳侧和管侧流体的流动特性，并采用合适的孔洞布置，以保证流体的均匀流动。

4.管箱：管箱是安装在管板上的设施，主要用于集流壳侧流体并将其引导出换热器。

管箱的设计应考虑到壳侧流体的流动特性和流量等参数，以实现流体的顺畅流动。

在设计过程中，需要进行换热器的热力计算和结构力学计算，以确定壳体、管束和管板等部件的尺寸和选材。

同时，还需要根据不同工艺和使用条件的要求，进行热交换面积的计算和确定。

一、技术参数：热媒：高温蒸汽：T1=350℃，冷凝水出口温度，T2=90℃。

循环水进出温度：t1=80℃， t2=90℃换热量：W=1200x100x10=1200x104Kcal/h，热交换器形式采用卧式固定管板式换热器，换热管采用不锈钢SUS304壳体采用碳钢Q345R。

二、设计选型：根据GB151-1999《管壳式换热器》标准，及本厂技术样本进行设计计算：热水进出温度：t1=80℃， t2=90℃热媒进出温度：T1=350℃，T2=90℃。

Δt1=T1-t2=260℃,Δt2=T2-t1=10℃Δt1-Δt2 260-10对数温差Δtm= = = 76.7℃根据热交换器换热面积：F=Cr·W/（ε·K·Δtm）其中:Cr: 耗热量系数取(1.1～1.2)，取Cr=1.15W:供热量,W=1200×104 Kcal/hε:污垢系数，ε=0.8K:传热系数,取800Kcal/ M2．℃·hΔtm:对数温差, Δtm=76.7℃则： F= Cr·W/（ε·K·Δtm）=281m2根据本厂样本选取型号为：BEM900-290-6000/25X2-1.0/1.0 卧式固定管板式换热器，材质:除换热管为304外，其余全部为碳钢。

浙江杭特容器有限公司2014年4月22日一、技术参数：热媒：高温蒸汽：T1=350℃，冷凝水出口温度，T2=170℃。

循环水进出温度：t1=80℃， t2=90℃换热量：W=1200x100x10=1200x104Kcal/h，热交换器形式采用卧式固定管板式换热器，换热管采用不锈钢SUS304壳体采用碳钢Q345R。

二、设计选型：根据GB151-1999《管壳式换热器》标准，及本厂技术样本进行设计计算：热水进出温度：t1=80℃， t2=90℃热媒进出温度：T1=350℃，T2=170℃。

Δt1=T1-t2=260℃,Δt2=T2-t1=90℃Δt1-Δt2 260-90对数温差Δtm= = = 160℃根据热交换器换热面积：F=Cr·W/（ε·K·Δtm）其中:Cr: 耗热量系数取(1.1～1.2)，取Cr=1.15W:供热量,W=1200×104 Kcal/hε:污垢系数，ε=0.8K:传热系数,取800Kcal/ M2．℃·hΔtm:对数温差, Δtm=160℃则： F= Cr·W/（ε·K·Δtm）=135m2根据本厂样本选取型号为：BEM800-135-3700/25X2-1.0/1.0 卧式固定管板式换热器，材质:除换热管为304外，其余全部为碳钢。

第一章换热器简介及发展趋势1.1 概述在化工生产中，为了工艺流程的需要，常常把低温流体加热或把高温流体冷却，把液态汽化或把蒸汽冷凝程液体，这些工艺过程都是通过热量传递来实现的。

进行热量传递的设备称为换热设备或换热器。

换热器是通用的一种工艺设备，他不仅可以单独使用，同时又是很多化工装置的组成部分。

在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%——20%，质量约为设备总质量的40%左右，检修工作量可达总检修工作量的60%以上。

由此可见，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。

在其他方面如动力、原子能、冶金、轻工、制造、食品、交通、家电等行业也有着广泛的应用。

70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[1]。

这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。

所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题，最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。

同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。

当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[3]。

当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。

各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。

在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。

总之，为了适应工艺发展的需要，今后在强化传热过程和换热设备方面，还将继续探索新的途径。

管壳式换热器的设计和选用的计算步骤设有流量为m h的热流体，需从温度T1冷却至T2，可用的冷却介质入口温度t1，出口温度选定为t2。

由此已知条件可算出换热器的热流量Q和逆流操作的平均推动力。

根据传热速率基本方程：当Q和已知时，要求取传热面积A必须知K和则是由传热面积A的大小和换热器结构决定的。

可见，在冷、热流体的流量及进、出口温度皆已知的条件下，选用或设计换热器必须通过试差计算，按以下步骤进行。

初选换热器的规格尺寸初步选定换热器的流动方式，保证温差修正系数大于0.8，否则应改变流动方式，重新计算。

计算热流量Q及平均传热温差△t m，根据经验估计总传热系数K估，初估传热面积A选取管程适宜流速，估算管程数，并根据A估的数值，确定换热管直径、长度及排列。

计算管、壳程阻力在选择管程流体与壳程流体以及初步确定了换热器主要尺寸的基础上，就可以计算管、壳程流速和阻力，看是否合理。

或者先选定流速以确定管程数N P和折流板间距B再计算压力降是否合理。

这时N P与B是可以调整的参数，如仍不能满足要求，可另选壳径再进行计算，直到合理为止。

核算总传热系数分别计算管、壳程表面传热系数，确定污垢热阻，求出总传系数K计，并与估算时所取用的传热系数K估进行比较。

如果相差较多，应重新估算。

计算传热面积并求裕度根据计算的K计值、热流量Q及平均温度差△t m，由总传热速率方程计算传热面积A0，一般应使所选用或设计的实际传热面积A P大于A020%左右为宜。

即裕度为20%左右，裕度的计算式为：某有机合成厂的乙醇车间在节能改造中，为回收系统第一萃取塔釜液的热量，用其釜液将原料液从95℃预热至128℃，原料液及釜液均为乙醇，水溶液，其操作条件列表如下：表4-18设计条件数据试设计选择适宜的管壳式换热器。

解：a. 传热量Q以原料液为基准亦计入5%的热损失，按以下步骤求得传热量Q。

平均温度℃以上表中混合物的各物性分别由下式求得：混合物：Cp混合物热导率：W/(m℃)混合物密度：kg/m3混合物比热容：kJ/(kg℃)式中为组成为i的摩尔分率，为组分i的质量分率。

管壳式换热器的设计
1.传热面积的计算：传热面积决定了热交换效果的好坏，计算传热面
积是设计的第一步。

传热面积的大小受到工艺需求、流体特性和设备尺寸
等因素的影响。

2.流体流速的选择：流体流速对传热效率有重要影响。

流速不宜过大，以免增加流体阻力和泵耗能，但也不宜过小，以免影响传热效果。

需要通
过经验和实验确定合适的流速范围。

3.换热器的参数选择：根据工艺要求和流体性质选择合适的管壳式换
热器参数，如管子和外壳的材料、厚度和长度等。

一般情况下，不同材料
的换热器对不同的流体具有不同的传热效果和抗腐蚀能力。

4.温度和压力的控制：管壳式换热器工作时，内外两种流体通常以不
同的温度和压力运行，因此需要采取相应的措施确保换热器的安全性能。

这包括选择合适的密封材料、加装安全阀和温控装置等。

5.清洗和维护的考虑：管壳式换热器在长期使用过程中会有积垢和堵
塞的问题，因此需要预留清洗口和维护通道，并定期进行清洗和维护工作，以保证换热器的正常运行。

总之，管壳式换热器的设计需要综合考虑传热效率、流体性质、工艺
要求和设备安全性能等因素，确保换热效果良好、运行安全可靠。

通过合
理的设计和选择，可以使管壳式换热器发挥最佳的效果，实现节能降耗的
目的。

管壳式换热器热力计算管壳式换热器是一种常见的换热设备，广泛应用于化工、石油、电力等行业中。

它由管束（包括管子和管板）和壳体组成，并通过管板将管子固定在壳体上。

在换热过程中，热媒流体在管内流动，冷媒流体在壳侧流动，两种流体通过壳体和管道之间的壳壳换热器进行热量传递。

因此，热力计算对于管壳式换热器的设计和运行至关重要。

管壳式换热器的热力计算主要包括确定整个系统的热量传递量和热阻。

其中，热量传递量是指在单位时间内通过换热器的热量，而热阻则是指媒体在传递热量过程中所遇到的阻力。

在进行热力计算时，需要根据具体的工况参数，采用一定的算法和理论来计算热量传递量和热阻。

首先，需要确定管壳式换热器的传热面积。

传热面积是传热的关键因素，它决定了热量传递的效率。

传热面积的计算公式为：A=π*D*L*N其中，A表示传热面积，D表示管子的外径，L表示管子的有效长度，N表示管子的数量。

然后，需要计算传热系数。

传热系数是指在单位时间内传递的热量和温度差之间的比值。

计算传热系数需要考虑媒体的物性参数，包括流体的粘度、导热系数、比热容等。

传热系数的计算公式为：U = 1 / (1 / hi + δ / λ + 1 / ho)其中，U表示传热系数，hi表示内层传热系数，δ表示管道壁厚度，λ表示管道壁材料的导热系数，ho表示外层传热系数。

接下来，需要确定壳侧和管侧流体的温度差。

壳侧流体的温度差可以通过流体的进出口温度差来计算，管侧流体的温度差可以通过管内流体进行热力平衡计算得到。

最后，根据所得的参数，可以计算热量传递量和热阻。

热量传递量的计算公式为：Q = U * A * ΔTlm其中，Q表示热量传递量，ΔTlm 表示对数平均温差。

而热阻的计算公式为：R=1/U*A其中，R表示热阻，U表示传热系数，A表示传热面积。

通过以上的热力计算，可以确定管壳式换热器的传热性能和热力参数，为正确选择和设计换热器提供依据。

在实际应用中，还需要考虑到其他因素，如压力损失、换热器的结构、材料选择等。

管壳式换热器及设计管壳式换热器是广泛应用于工业领域的一种换热设备，它通过与介质流过的管道间的传热，完成工艺过程中的冷热交换。

在各种工业生产中，管壳式换热器被广泛应用于石油、化工、电力、造纸、食品、制药等行业。

下面将对管壳式换热器的设计进行详细介绍。

管壳式换热器由管束和外壳两部分组成，其中，管束是由多个管子组成，介质通过管子流过，外壳用于固定管束，并通过进出口与介质连接。

换热器的设计需要考虑多个因素，包括换热面积、介质流速、传热系数、流体阻力和温度梯度等。

首先，换热器的设计需要确定合适的换热面积，以满足工艺要求。

换热面积的大小直接影响到换热效率，一般情况下，面积越大，换热效果越好。

确定面积需要考虑介质流量、温度差以及传热系数等参数，通过计算得出合适的面积。

其次，设计中需要确定合适的介质流速。

介质流速对传热和阻力都有一定的影响，流速过高会增加介质压降，流速过低会影响传热效果。

通过流速的选择，可以提高换热器的传热效率和经济性。

然后，传热系数是设计中需要重点考虑的因素之一、传热系数是指单位面积内的热量传递速率，影响着换热器的传热效率。

传热系数与介质流速、管道材料、传热面积等相关，通过合理选择这些参数，可以提高传热系数，从而提高换热器的性能。

此外，设计中还需要考虑流体阻力的问题。

流体在管壳内的流动会产生阻力，影响介质的流速和能量损失。

设计中需要合理选择流道的宽度和形状，以减小流体阻力，提高流量。

最后，温度梯度也是设计中需要考虑的因素之一、温度梯度是指介质在管壳内的温度差异，直接影响换热效果。

通过合理布置管束和外壳，可以减小温度梯度，提高传热效率和热能利用率。

总之，管壳式换热器的设计需要考虑多个因素，包括换热面积、介质流速、传热系数、流体阻力和温度梯度等。

通过合理选择这些参数，可以提高换热器的效率和性能，满足工艺过程中的换热需求。