1、.河南理工大学课程设计管壳式换热器设计学 院：机械与动力工程学院专 业：热能与动力工程专业班 级：11-02 班学 号：姓 名：指导老师：小组成员：.目录第一章 设计任务书 .2第二章 管壳式换热器简介 .3第三章 设计方法及设计步骤 .5第四章 工艺计算 .64.1 物性参数的确定 64.2 核算换热器传热面积 .74.2.1 传热量及平均温差 .74.2.2 估算传热面积 .9第五章 管壳式换热器结构计算 .115.1 换热管计算及排布方式 115.2 壳体内径的估算 135.3 进出口连接管直径的计算 145.4 折流板 14第六章 换热系数的计算 206.1 管程换热系数 206.2
2、壳程换热系数 .20第七章 需用传热面积 23第八章 流动阻力计算 258.1 管程阻力计算 .258.2 壳程阻力计算 .26总结 .29.第一章 设计任务书煤油冷却的管壳式换热器设计：设计用冷却水将煤油由 140冷却冷却到40的管壳式换热器，其处理能力为 10t/h，且允许压强降不大于 100kPa。设计任务及操作条件1、设备形式：管壳式换热器2、操作条件（1）煤油：入口温度 140，出口温度 40（2）冷却水介质：入口温度 26，出口温度 40.第二章 管壳式换热器简介管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。纵然各种板式换热器的竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主
3、导地位。目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻的工艺条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及向着高温、高压、大型化方向发展所作的结构改进。强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用
4、传热面积。管壳式热交换器（又称列管式热交换器）是在一个圆筒形壳体内设置许多平行管子（称这些平行的管子为管束） ，让两种流体分别从管内空间（或称管程）和管外空间（或称壳程）流过进行热量交换。在传热面比较大的管壳式热交换器中，管子根数很多，从而壳体直径比较大，以致它的壳程流通截面大。这是如果流体的容积流量比较小，使得流速很低，因而换热系数不高。为了提高流体的流速，可在管外空间装设与管束平行的纵向隔板或与管束垂直的折流板，使管外流体在壳体内曲折流动多次。因装置纵向隔板而使流体来回流动的次数，称为程数，所以装了纵向隔板，就使热交换器的管外空间成为多程。而当装设折流板时，则不论流体往复交错流动多少次，其
5、管外空间仍以单程对待。管壳式热交换器的主要优点是结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压的要求。虽然它面临着各种新型热交换器的挑战，但由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于优势地位。由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过 50时，需采取适当补偿措.施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种：固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管式换热器、双重管式换热器及填料函式换热器。.第三章 设计方法及设计步骤
6、在设计换热器时，如果只作简单估算，或盲目加大传热面积的安全系数就会造成浪费。只有进行比较详细的计算，才能使投入运行的热交换器，在安全和经济方面得到可靠保证。换热器一般的设计方法及设计步骤如下：（1）根据设计任务搜集有关的原始资料，并选定热交换器类型等。（2）确定定性温度，并查取物性数据。（3）由热平衡计算热负荷及热流体或冷流体的流量。（4）选择壳体和管子的材料。（5）选定流动方式，确定流体的流动空间。（6）求出平均温差。（7）初选传热系数 K0，并初计算传热面积 F。（8）设计换热器的结构包括：选取管径和管程流体流速；确定每程管数、管长、总管数；确定管子排列方式、管间距、壳体内径和连接管直径等
7、；确定壳侧程数及折流板的数目、间距、尺寸等壳程结构尺寸；初确定传热面积。（9）管程换热器计算及阻力计算。当换热系数远大于初选传热系数且压降小于允许压降时，才能进行下一步计算。（10）壳程换热计算。根据采用结构，假定壁温和计算换热系数。（11）校核传热系数和传热面积。根据管、壳程换热系数及污垢热阻、壁面热阻等，算出传热系数 K 及传热面积 F。（12）核算壁温。要求与假定的壁温相符。（13）计算壳程阻力，使之小于允许压降。.第四章 工艺计算在换热器设计中，根据所选换热器类型和所给已知条件，计算出煤油的流速和水的流速等，然后计算出传热面积。工艺设计中包括了物性数据的确定、传热量及平均温差、初选传热
8、系数、估算传热面积其具体运算如下所述。4.1 物性参数的确定表 3-1 水和煤油的操作参数冷却水 煤油进口温度（）出口温度（）进口温度（ ）出口温度（ )26 40 180 40定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可以取流体进出口温度的平均值。煤油的定性温度为：180412mCt（1）水的定性温度：216403mCt（2）由定性温度条件下查物性表得出水与煤油的物性参数，如比热、密度、黏度导热系数。所查结果见表 2-2：表 3-2 水与煤油的物性参数名称 定性温度 C比热kJg:密度 3km黏度Mpas:导热系数 Wmk:水 33 4.174 994.7 0.0007422 0.6
9、623煤油 110 2.432 758.32 0.0005125 0.1026.4.2 核算换热器传热面积选择热水走壳程，冷水走管程。这是因为：被冷却的流体走壳程可便于散热，而传热系数大的流体应走管程，这样可降低管壁的温差，减少热应力。由煤油的每小时产量(一天 24 小时连续运行）可以计算出煤油流量：102.7836Mkgst（3）式中 M 表示煤油的年产量；M 1 表示煤油流量；t 表示时间。煤油的普朗特常数：10.52.431.6prcP（4）式中 Pr1 表示煤油的普朗特常数； 1 表示煤油的黏度；c p1 表示煤油的比热； 1表示煤油的导热系数。水的普朗特常数：20.7420164.7
10、53prcP（5）式中 Pr2 表示煤油的普朗特常数；2 表示煤油的黏度；cp2 表示煤油的比热；2表示煤油的导热系数。4.2.1 传热量及平均温差一般情况下，工程上常用热损失系数 c 来估算损失的热量。c 通常取0.020.03。L 取用 0.98。 由上面的计算结果和已知条件代入下式可以得出煤油的传热量： （6）112.78.4350.982.04pLQMc kWt.式中 Q 表示传热量；M 1 表示煤油流量； L 热负荷修正系数。由以上的计算结果及已知条件，可以计算出冷却水量：22928.0415.807.176p kgsct（7）式中 M2 代表冷却水量；c p2 代表水的比热；计算两
11、种流体的平均传热温差时按单壳程，两管程计算。按逆流设计换热器：煤油 180 40水 40 26从而，maxin121, i 1cttttII(8)8046125.7InC温差修正系数 取决于两个无量纲参数 P 及 R：214026.9018tP（9）1204126tR（10）式（9）中，参数 R 具有两种流体热容量之比的物理意义。式（10）中参数 P.的分母表示换热器中水理论上所能达到的最大升温，因而 P 的值代表该换热器中水的实际升温与理论上所能达到的最大升温之比。所以，R 的值可以大于 1或小于 1，但 P 的值比小于 1。2 211PInRR（11）2 20.910.101In0.829
12、35式中 表示温度修正系数。1,0.829354.710549mctt（12）式中 t1m,c 表示有效平均温差。4.2.2 估算传热面积根据题意，初选传热系数，传热系数的选择依据经验数值表 3-3表 3-3 传热系数的选择依据经验数值表热交换流体热交换器型式内侧 外侧传热系数 2,()KWmC:备注气气高压气气气高压气气清水10351701601704502070常压20 30Mpa20 30Mpa常压.根据表 3-3 初选传热系数 K0=240W/(m2.)由以上的计算结果及已知条件可以估算出传热面积： 20928.185.414mQFmt（13）式中 表示估算的传热面积；K 0 表示初选
13、传热系数；t m 表示有效平均温差；Q 表示传热量。由于 85.1412面积过大，所以需要两台换热器，才能符合工业设计要求。实际的传热面积要考虑一定的裕度，此换热器考虑的裕度为 10%。则一台换热器面积为 51。管壳式（光管) 高压气清水清水高粘度液体高温液体低粘度液体清水清水水蒸气冷凝清水气体清水20070010002000200040001003003020045020 30Mpa液体层流液体层流.第五章 管壳式换热器结构计算5.1 换热管计算及排布方式管子构成换热器的传热面，它的材料应根据工作压力、温度和流体腐蚀性、流体对材料的脆化作用及毒性等决定，可选用碳钢、合金钢、铜、石墨等。小直径
14、的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径， ，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面的金属秏量更少。所哟，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用较小直径的管子。如果管程走的是易结垢的流体，则应选用较大直径管子。表 4-1 换热管的规格及排列方式 /mm换热管外径壁厚碳素钢，低合金钢 不锈耐酸钢排列形式 管心距252.5 252 32192 192正三角形25在此，选用 252.5 的碳钢管，采用无缝焊接工艺。管程内水流速可以在表 4-2 选用：表 4-2 热交换器内常用流速范围 m/s流体 流体.管程 壳程循环水新鲜水低粘度油高粘度油气体1.0
15、2.00.81.50.81.80.51.55300.51.50.51.50.41.00.30.8215管程内水的流速选用 2=1m/s。由以上计算结果可以算出管程所需流通截面:(14) 2215.807.159696tMAm式中 At 表示管程流通面积；M 2 表示冷却水量； 2 表示水的密度； 2 表示管程内水流速。根据传热管的内径和管程所需流通截面积，可以单程管数：（15)2240.15960.8153tiAnd式中 At 表示管程所需流通面积；d i 表示传热管的内径。管子在管板上的排列方式最常见的如图 4.1（a） 、 （b） 、 （c ） 、 （d）所示四种，即正三角形排列（排列角为
16、 30 度） 、转角三角形（排列角为 60 度） 、转角正方形排列（排列角为 45 度） 、正方形排列（排列角为 90 度） 。当管程为多程时，则需要采取组合排列。设计的换热器的管程为 2，则应采取组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。.（a） （b） （c ） （d）图 4.1 管子的排列方式根据表 4-1 选取正三角形排列为管子的排列方式。表 4-3 换热管中心距换热管外径 19 20 22 25 30 32 35s25 26 28 32 38 40 44El38 40 42 44 50 52 56选取管中心距 s=32，分程隔板槽两侧相邻管中心距 LE=44。由管中
17、心距可以计算出平行于流向的管距以及垂直于流向的管距。平行于流向的管距：3cos027.1p m（16）垂直于流向的管距：1sin3026p（17）由管子布置图可知每程管子数为 57 根；由管子布置图可以计算出管束中心至最外层管中心距为 0.161m。管束外缘直径：0.1620.15.347LDm（18）传热管的总根数：（19）51204ttnZ因换热器是按单壳程，两管程设计的，所以按两管程计算，所需传热管的长度是：.085.1425.870tFl mnZd（20）式中 d0 表示管内径，d 0=0.025m；Z t=2 表示两管程。按标准管长 6m。5.2 壳体内径的估算壳体内径可以用下述公式
18、粗估：(1)2sDb（21） 0(.5)d:（22）1.tbn（23）当管子按正三角形排列时，可以按上述公式计算：0(1.)21.5stDnsd（24）43.250.58m式中 Ds 表示壳体内径；n t 表示传热管根数；s 表示管中心距；d 0 传热管外径。计算得到的内径应圆整到标准尺寸，按照钢制压力容器标准可确定：壳体内径=0.5m。目前所采用的换热管长度与壳体直径比，一般在 425之间：12=0.5slD长 径 比（25）式中 表示传热管长度；Ds 表示壳体内径。l所以换热器的壳体内径和管子长度符合设计要求。.5.3 进出口连接管直径的计算确定连接管直径的基本公式仍可用连续性方程，经简化
19、可以用以下公式：（26）22 15.8071.3.42.896MDm将（26）式结果圆整到最接近的标准管径，取 1505。5.4 折流板流动外，还有支撑管束、防止管束振动和弯曲的作用。它的装设不如纵向隔板那样困难，而且装设后可使流体横向流过管束，故此获得普遍应用。折流板的常用形式有：弓形折流板、盘环形折流板两种，弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。在弓形折流板中，流体流动中的死角较小，结构也简单，因而用的最多。而盘环形结构比较复杂，不便清洗，一般在压力较高和物料比较清洗场合。在此，换热器设计中，折流板形式选弓形。弓形折流板的缺口和板间距的大小是影响传热效果和压降的两个重要因素。弓形折流板缺
20、口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速接近，缺口大小是按切去的弓形弦高占壳体内径百分数确定的。缺口弦高一般为壳体内径的20% 45%。为了防振并能够承受拆换管子时的扭拉作用，折流板须有一定厚度，该值在 GB-1999 中具体规定见表 4-4表 4-4 折流板和支持板的最小厚度 换热管无支撑跨距公称直径 ND300 300600 600900.折流板或支撑板最小厚度管壳式换热器设计中，可使旁通流道数为 1，取旁通挡板数为 3 对。错流面积中旁流面积所占分数：1()/2bpsLEscFDNlA（37）0.5347.0.4).2/03567式中 Fbp 表示 错流面积中旁流面积所占分数； Ds
21、表示壳体内径；D L 表示管束外圆直径；N E 表示旁流通道数； Ac 表示流体在两折流板间错流流通截面积。一块折流板上管子和管孔间泄面积：0012tbHctAdFn.5.4.50.21.764531398m（38）式中 Atb 表示一块折流板上管子和管孔间泄面积；d 0 表示传热管外径；d H 表示折流板管孔直径；F c 表示错流区内管数占总管数的百分数；n t 表示传热管总根数。折流板外缘与壳体内壁间泄面积：.2arcos12sbsb sDhAD20.5.4950.127r5.1m（39）式中 Asb 表示折流板外缘与壳体内壁间泄面积； Ds 表示壳体外径；D b 表示折流板直径；h 表示
22、缺口弦高度。.第六章 换热系数的计算6.1 管程换热系数管程的雷诺数：2196.20Re684.0974id（40）式中 Re2 表示管程的雷诺数； 2 表示管程内水流速； 2 表示水的密度； 2 表示水的黏度；d i 表示传热管的内径。管程换热系数：0.8.422.3RePrid0.80.42.6.696754903()WmC:（41）式中 2 表示管程换热系数； 2 表示水的导热系数； di 表示传热管内径；R e2 表示管程的雷诺数；P r2 表示水的普朗特数。6.2 壳程换热系数壳程雷诺数：102.780.54R310.5967ecMdA（42）式中 Re1 表示壳程雷诺数；M 1 表
23、示煤油流量；d 0 表示传热管的外径；A c 表示流体在两折流板间错流流通截面积。.假定壳程流体全部错流流过管束，在此理想管束中纯错流时的柯尔本传热因子，可由热交换器原理与设计图 2.28 查出：理想管束传热因子js=0.007。折流板缺口校正因子 jc 可由 热交换器原理与设计图 2.29 查出：折流板缺口校正因子 jc=10.25。(43)0.2410.4372.359sbtA(44).160467sbtcA式中 Asb 表示折流板外缘与壳体内壁间泄面积； Atb 表示一块折流板上管子与管孔间泄面积；A c 表示流体在两折流板之间错流流通面积。折流板泄露影响的校正因子是等式（43）和（44
24、）的函数，可由热交换器原理与设计图 2.30 查取折流板泄露影响的校正因子 jl=0.87。管束旁通影响的校正因子 jb，它是 Fbp 和 Nss/Nc（N ss 为每一错流区内旁路挡板对数，N c 为错流区内管排数）的函数，可由可由热交换器原理与设计图 2.31 查取 jb=0.94。壳程传热因子：（45）00.7.94081.06297sblcjj式中 j0 表示壳程传热因子；j b 表示管束旁通影响的校正因子；j l 折流板泄露影响的校正因子；j c 表示折流板缺口校正因子； js 表示理想管束传热因子。壳程质量流速：212.785.146039sMGkgmsA:（46）.式中 Gs 表
25、示壳程质量流速； M1 表示煤油流量；A s 表示壳程流通截面积。假定壳侧壁面温度 tw=55。壁温下的煤油黏度 w1，查物性表w1=0.001203Kg/( s)。壳侧换热系数：230.1410sprwjGcP（47）0.14232.69785.6.5.60.51.7923WmC:式中 1 表示壳侧换热系数；j 0 表示壳程传热因子；G s 表示壳程质量流速；c p 表示定性温度下的煤油比热；P r 表示定性温度下的煤油普朗特常数； 表示定性温度下的煤油黏度； w1 表示定性壁温下煤油的黏度。.第七章 需用传热面积表 6-1 水的污垢热阻经验数据 m2*/W加热流体温度115 加热流体温度
26、116205 水温52 水温 53水的种类水速1m/s 水速1m/s 水速1m/s 水速1m/s干净的软水自来水井水0.000170.000170.000170.000170.000170.000170.000340.000340.000340.000340.000340.00034表 6-2 煤油油品及溶液的污垢热阻经验数据 /W种类 污垢热阻粗煤油成品煤油0.000430.000170.00026换热器设计中使用的冷却水为自来水。由表 6-1 可知冷却水的污垢热阻rs2=0.00017/W 。由表 6-2，可选成品煤油的污垢热阻 rs1=0.00025/W。校正传热系数：.100122si
27、idKr2.02510.25.5.343.894319045WmC:（48）式中 K 表示校正传热系数； 1 表示壳侧换热系数；r s1 表示成品煤油污垢热阻；rs2 表示冷却水污垢热阻；d 0 表示传热管外径；d i 表示传热管内径。由以上计算结果，可以计算出传热面积：2928.107.91045mQFmKt（49）式中 Q 表示传热量；K 表示校正传热系数；t m 表示有效平均温差。107.42=.01685F传 热 面 积 之 比（50）由等式（50）可知换热器设计面积符合设计要求。检验壳侧壁温：11wmsmtKrt09.450.1745.936.47.C（51）式中 tw1 表示检验壳
28、侧壁温；t m1 表示煤油定性温度；K 表示校正传热系数； 1表示壳侧换热系数；r s1 表示成品煤油污垢热阻； tm 表示有效平均温差。.第八章 流动阻力计算换热器内流动阻力引起的压降，是衡量运行经济效益的一个重要指标。如果压降大，消耗的功率多，就需要配备功率较大的动力设备来补偿因压力降低所消耗的能量。由流体力学可知，产生流动阻力的原因与影响因素可归纳为：流体具有黏性，流动时存在着内摩擦，是产生流动阻力的根源；固定的管壁或其他形状的固体壁面，促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。所以流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。换热器中的流动阻力可
29、分为两部分，即流体与壁面间的摩擦阻力；流体在流动过程中，由于方向改变或速度突然改变所产生的局部阻力。管壳式换热器的管程阻力和壳程阻力必须分别计算，由于阻力单位可表示.为压力的单位，故一般用压降 P表示。管壳式换热器允许的压降如表 2-10 所示。表 7-1 管壳式换热器允许的压降范围换热器的操作压力（Pa） 允许的压降（Pa）P105（表压） P51048.1 管程阻力计算管壳式换热器管程阻力包括沿程阻力、回弯阻力和进出口连接阻力等三部分组成，因而tirNPP（52）式中 Pt 表示管程总阻力；P i 表示沿程阻力；P r 表示回弯阻力；P N 表示进出口连接管阻力。沿程阻力：20.1424i
30、i wLPfd(53)0.14196.0.65.72.653.432a式中 fi 表示管内摩擦因子；L 表示管程总长；d i 表示传热管内径； 2 表示水的密度； 2 表示管程内水流速度； 2 表示冷却水黏度； w2 表示壁温下的水黏度。回弯阻力：.2296.1443978.rtPZPa（54）式中 2 表示水的密度； 2 表示管程内水流速度；Z t 表示传热管的总根数。进出口连接管阻力：2296.11.5.74.5NPPa（55）式中 2 表示水的密度； 2 表示管程内水流速度。管程总阻力：143.9678.4.156.79NPPa（56）8.2 壳程阻力计算对于相同的雷诺数，壳程摩擦系数大
31、于管程摩擦系数，因为流过管束的流动有加速、方向变化等。但壳程的压降不一定大，因压降与流速、水力直径、折流板数、流体密度等有关，因此在相同的雷诺数时壳程压降有可能壁管程低。查热交换器原理与设计图 2.36 可知理想管束摩擦系数。理想管束错流段阻力：20.1414cbk wMNPfA2 0.14.7850.3.125.7946182a （57）式中 Pbk 表示理想管束错流段阻力； fk 表示理想管束摩擦系数；M 1 表示煤油质量流量；N c 表示错流区排管数；A c 表示流体在两折流板间错流流通截面积； 1表示煤油的定性密度； 1 表示煤油的定性黏度； w1 表示壁温下的煤油黏度。.理想管束缺口
32、处阻力：210.6wkcwbcMPNA(58)2.780.63250.24395.16a式中 Pwk 表示理想管束缺口阻力；M 1 表示煤油质量流量；A c 表示流体在两折流板间错流流通截面积；A b 表示流体在缺口处流通面积； 1 表示煤油的定性密度；N cw 表示每一缺口内的有效错流管排数。上述两项阻力应对折流板泄露造成的影响和旁路所造成的影响以及进出口段折流板间距不同造成的影响分别予以校正，其中：折流板泄露对阻力影响的校正系数 R1 可由热交换器原理与设计图 2.37查得，R 1=0.53。旁路校正系数 Rb 可由热交换器原理与设计图 2.38 查得，Rb=0.63。进出口段折流板间距不同对阻力影响的校正系数 Rs，由于在此换热器设计中折流板的间距相同，所以无需校正。壳程总阻力：112cwsbbkbwkbksNPNRPR3.2523.8063.490.531.820618.59Pa（59）式中 Ps 表示壳程总阻力；N b 表示折流板数目；P wk 表示理想管束缺口阻力；Pbk 表示理想管束错流段阻力；R 1 表示折流板泄露对阻力影响的校正系数； Rb表示旁路校正系数；N cw 表示每一缺口内的有效错流管排数； Nc 表示错流区排
