管壳式热交换器

目 录

1、设计任务及要求........................................ 2、设计方案的确定及流程说明...................... 2.1管壳式换热器的型式............................ 2.2换热器的流程................................ 2.3换热器的流程图 ................................ 3、换热器设计................................ 3.1确定物性数据............................ 3.2计算平均温差 3.3计算热负荷

3.4估算传热面积................................ 4、工艺结构尺寸.................................. 4.1选管子规格............................ 4.2总管数和总管程数............................ 4.3确定管子在管板上的排列方式..................... 4.4管壳内径的确定.....................

4.5绘管板布置图确定实际管子数目..................... 4.6折流板的计算..................... 4.7其他附件..................... 4.8接管.....................

5、管壳式换热器的核算............................. 5.1传热温差的校正..................... 5.2总传热系数K 的计算..................... 5.3传热面积校核..................... 5.4壁温的计算.....................

5.5阻力计算和核算压力降..................... 6、设计成果总表.......................................... 7 分析讨论..................................

8、换热器的设计图纸.................................. 9. 、参考文献............................

换热器课程设计任务书

一、设计题目：

设计一台换热器

二、操作条件：

1、苯：入口温度90℃，出口温度40℃。 2、冷却介质：循环水，入口温度20℃。 3、允许压强降：不大于50kPa 。

三、设备型式：

管壳式换热器

四、处理能力：

100000吨/年苯

五、设计要求：

1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。

2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸的设计。 3、设计结果概要或设计结果一览表。

4、设备简图。（要求按比例画出主要结构及尺寸）

5、对本设计的评述及有关问题的讨论（不同的同学应该有不同的感

受）。

2、设计方案的确定及流程说明 2.1管壳式换热器的型式： 卧式壳管式冷凝器

2.2换热器的流程：冷却水走管程，便于水垢清洗；甲苯走壳程，有利于甲苯的散热和冷凝。

3、换热器设计

3.1确定物性数据

t 1' =90℃ t 1" =40℃ t 2' =20℃

t 2" =30℃

冷却介质为循环水，取入口温度为：20 ℃，出口温度为：30 ℃

苯的定性温度： t 1=

90+40

=65℃ 220+30

=25℃ 水的定性温度： t 2=

2

两流体的温差： t 1+t 2=65-25=40℃

3.2计算平均温差

∆t m ' =(t 1' -t 1'') -(t 2'' -t 2')

t 1' -t 2'')

=36.41℃

t 1'' -t 2')

P =

t 2" -t 2' 30-20

==0. 143 t 1' -t 2' 90-20

t 1' -t 2" 90-40

==5 t 2" -t 2' 30-20

R =

由计算得：

ψ∆t =0. 929，

所以∆t m =ψ∆t ∆t m =0. 929⨯36. 41=33. 85 C

3.3计算热负荷 苯的质量流量：

q m 1=100000000/(365⨯24⨯3600) =3. 17kg /s

，

热量：

Q =q m 1c p 1(t 1' -t 1" ) =3. 17⨯1000⨯1. 828⨯(90-40) =289827. 5W 水的质量流量：

q m 2=

Q 289827. 5⨯3600

==24967. 2kg /h

c p 2(t 2" -t 1' ) 4. 179⨯1000⨯(30-20)

Q 289827. 5

==21. 42m 2

K ψ∆t m 逆400⨯33. 825

估算传热面积: F 估=4、工艺结构尺寸

4.1选管子规格

假设K =400W/m2⋅︒C , 管子为Φ19⨯2. mm ，又因为苯走管程且初选，L= 4.5m 的列管，所以设u i =0. 9m /s

4.2总管数和总管程数

Z =L i =

4q m 14⨯3. 17

==21. 4 取Z=22根 πd i 2u 3. 14⨯0. 015⨯0. 015⨯836. 6

L 16. 3F 21. 42

=3. 6取N=4 ==16. 3m N =i =

L 4. 5πd o z 3. 14⨯0. 019⨯22

4.3确定管子在管板上的排列方式：按正三角形排列 4.4管壳内径的确定 查表得：管中心距：s=25 分程隔板槽处管中心距：l E =38

平行于流向的管距：s p =s cos 30︒=25cos 30︒=21. 65 垂直于流向的管距：s n =s sin 30︒=25sin 30︒=12. 5 六边形层数：a=5

管中心至最外层管中心距离：

管束外缘直径：D L =0. 17⨯2+2⨯0. 0095=0. 359 壳体内径：D s =0. 359+2⨯0. 008=0. 375 取标注直径：0.4

实际换热面积S =nπd i L=88×3.14×0.015×4.5=18.66m 2 该换热器所要求总传热系数K=

Q 289827. 5==459. 2W /(m 2∙ ℃ S ∆t m 18. 66⨯33. 825

4.5绘管板布置图确定实际管子数目：取NZ=88c 4.6折流板的计算: 弓形折流板

取折流挡高度h =0.

s

2=0. 51m , D 取折流板间距

l s =(0. 2--1) ⨯0. 4=0. 08--0. 4. 取0.25.

折流板个数：N b L/l s -1=17个 5、管壳式换热器的核算

5.1传热温差的校正 5.2总传热系数K 的计算 计算管程对流传热系数αi

n π88⨯π⨯0. 01522

A i =⨯⨯d i ==0. 0.003888m 2

444⨯4

V s 108

u i ===0. 975m s

A i 0. 003888⨯365⨯24⨯3600⨯836. 6

Re i =

d i u i ρ

=

0. 015⨯0. 975⨯836. 6

(湍流) =32113. 6>2300-3

0. 381⨯10

μ

C p μ

1. 828⨯103⨯0. 381⨯10-3

Pr i ===4. 6

λ0. 151

αi =0. =0. 023⨯

λ

d i

Re 0. 8Pr i (苯被冷却）

0. 3

0. 1510. 3

⨯(32113. 6) 0. 8⨯(4. 6) 0. 015

=1475W /m 2⋅ C

()

计算壳程对流传热系数αo

①壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式

αo =0. 36

λ

d e

R e o

0. 55

3

P r 1/（

μ0. 14

） μw

当量直径，由正三角形排列得

4(d e =

2π23. 14t -d 0) 4⨯(⨯0. 0252-⨯0. 0192) ==0. 02m πd 03. 14⨯0. 019

d ⎫⎛0. 019⎫壳程流通截面积，A 0=hD ⎛m 2 1-0⎪=0. 15⨯0. 45⨯ 1-⎪=0. 0162

t ⎭⎝0. 025⎭⎝

壳程流体流速及其雷诺数分别为

q m 2=

Q 289827. 5⨯3600

==24967. 2kg /h

c p 2(t 2" -t 1' ) 4. 179⨯1000⨯(30-20)

u 0=

q m 224967. 2

==0. 43m /s A 0ρ997⨯3600⨯0. 0162d e u 0ρ

苯

Re 0=

μ

=

0. 02⨯0. 43⨯997

=9311. 7

0. 9208⨯10-3

普兰特准数

4. 179⨯103⨯0. 9208⨯10-3

Pr 0===6. 3

λ0. 609

C p μ

αo =0. 36

λ

d e

R e o

0. 55

3

P r 1/（

μ0. 14

） μw

粘度校正: （

μ0. 14

） μw

1

0. 609

所以：α0=0. 36⨯⨯(9311. 7) 0. 55(6. 3) 3⨯1. 05=3239. 7W /m 2⋅ C

0. 02

()

确定污垢热阻

R si =0. 0002m 2⋅ C /W (有机液体），R so =0. 00017m 2⋅ C /W （井水）总传热系数K

K 0=

1

1

d 0d

+0d i αi d i

1

α0

=

+R so +R si

+1. 7⨯10-4+2⨯10-4⨯+

3239. 7151475⨯15=628. 63W /m 2⋅ C

()

5.3传热面积校核: F =

Q 289827. 5

==13. 63m 2

K ψ∆t m 逆628. 63⨯33. 825

S =nπd 0L=126×3.14×0.015×4.5=26.72

18. 66

=1. 369稍大

13. 63，

5.4壁温的计算:

t m1=K (

1

α0

+r s , 1) ∆t m =65-628. 631

+0. 00017）⨯33. 85=55

3239. 7

壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=65℃。壳体壁温和传热

管壁温之差为∆t =65-55=10℃。

5.5阻力计算和核算压力降

管程流动阻力

L ρ⋅u 2ρ⋅u 2

∆P ，∆P 2=ξ 1=λi

d 22

由Re ＝15315. 6，传热管相对粗糙度ε/di =0.1/15＝0.0067，查莫迪图得λ＝

0.033W/m·℃，

流速u i ＝0,975m/s，ρ＝836.6kg/m3，所以 沿程阻力：

2

L ρu i 4. 5836. 6⨯(0. 975)∆P i =λ⋅Φi =0. 033⨯⨯⨯1. 05=4134Pa d i 20. 0152

2

回弯阻力

836. 6⨯(0. 975)∆P r =4Z t =4⨯⨯4=6362Pa 22

进出口连接阻力：

ρu i 2

2

∆P n =1. 5

ρu i 2

2

836. 6⨯(0. 975)=3⨯=1193Pa

2

2

总的流动阻力：∆P =∆P i +∆P r +∆P n =4134+6362+1193=11698Pa

2）计算壳程压强降

∑∆P =(∆P

，1

+∆P 2F s Ns

，1

，

)

其中 F s =1. 15，Ns =1，∆P =Ff 0n c (N B +1)

ρu 02

2

管子为正三角形排列，取F=0.4 n c =1. n =1. 1⨯=10

取折流挡板间距 h =0. 25m

L 4. 5

-1=17 折流挡板数：N B =-1=

h 0. 25

壳程流通面积 A 0=h (D -n c d 0)=0. 25⨯(0. 40-10⨯0. 019)=0. 0525m 2

u 0=

q m 224967. 2

==0. 43m /s A 0ρ997⨯3600⨯0. 0162d e u 0ρ

苯

Re 0=

μ

-0. 228

=

0. 02⨯0. 43⨯997

=931. 71＞500 -3

0. 9208⨯10

f 0=5. 0Re 0

，1

=5. 0⨯9311. 7-0. 228=0. 62

997⨯0. 432

=4130Pa 所以 ∆P =0. 4⨯0. 62⨯10⨯(17+1)⨯

2

2h ⎫ρu 02⨯0. 1⎫997⨯(0. 43)⎛⎛

∆P 2=N B 3. 5-⎪=17⨯ 3. 5-=4701Pa ⎪⨯

D ⎭20. 40⎭2⎝⎝

2

2

，

∑∆P 0=(4130+4701)⨯1. 15⨯1=10156Pa

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。

6、设计成果总表

7．分析讨论

通过本次课程设计，我对换热器的结构、性能都有了一定的了解，同时，在设计过程中，我也掌握了一定的工艺计算方法。

换热器种类繁多，特点不一，因此，选择合适的换热器是相当重要的。在本次设计中，我发现进行换热器的选择和设计是要通过反复计算，对各项结果进行比较后，从中确定出比较合适的或最优的设计，为此，设计时应考虑很多方面的因素。

首先要满足传热的要求，本次设计时，由于初选总传热系数不合适，使规定条件下的计算结果与初设值的比值不在要求范围内，因此，经过多次计算，才选择到合适的K 值。

18. 66

1. 369稍大满足要求。

13. 63 ，

其次，在满足工艺条件的前提下选择合适的换热器类型，通过分析操作要

求及计算，本次设计选用换热器为上述计算结果。

再次，从压强降来看，管程约为116981Pa ，壳程约为10156Pa ，都低于要求值（50kPa ），因此，可适当加大流速，从而加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低污垢热阻，然而，流速增加，流动阻力也会随之增大，动力消耗就增多，因此，作出经济衡算在确定流速时是相当重要的。

此外，其他因素（如加热和冷却介质用量，换热器的检修和操作等），在设计时也是不可忽略的。根据操作要求。

在检修和操作方面，固定管板式换热器由于两端管板和壳体连接成一体，因此不便于清洗和检修。

本次设计中，在满足传热要求的前提下，考虑了其他各项问题，但它们之间是相互矛盾的。如：若设计换热器的总传热系数较大，将导致流体通过换热器的压强降（阻力）增大，相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积，可能使总传热系数或压强降减小，但却又受到换热器所能允许的尺寸限制，且换热器的造价也提高了。因此，只能综合考虑来选择相对合适的换热器。

然而在本次设计中由于经验不足，知识有限，还是存在着很多问题。比如在设计中未考虑对成本进行核算，仅在满足操作要求下进行设计，在经济上是否合理还有待分析。总之，通过本次设计，我发现自己需要继学习的知识还很多，我将会认真请教老师，不断提高自己的知识水平，扩展自己的知识面。

8. 换热器的设计图纸

9. 参考文献

《换热器原理与设计》余建祖编、 《工程流体力学》周云龙编、 《传热学》杨世铭编。