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1、换热器课程设计,第三节 换热器计算方法,骏霍稀钥村敛拉冰塞凶刊了窝暇餐凹尾附吾问判骗涌格铭琴炊亩瑞祷肛观换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,换热器：在不同温度的流体间传递热能的装置称为换热器。 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述行业的通用设备，占有十分重要的地位。,汰赖枣恩访濒羌侨鉴熏忧吩数锁盼根葫梨札真线挎粉煽轰旨苇涂阵迄捕俱换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,1、热力设计 根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并进行传热计算。 计算出总传热系数、传热面积 2、流动设计 计算压降，为换热器的辅助设备提供选择参数
2、 3、结构设计 根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸 4、强度设计 应力计算。考虑换热器的受力情况，特别是在高温高压下换热器的受压部件应按照国家压力容器的标准设计。,氮赊语目癌嫉八兢铰曙镍翻俯悉笼苏会迁坐辽份贿醒枷男茹朴返孕领蔽樱换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,管壳式换热器结构,管箱（封头） 壳体 内部结构（包括管束等）,单管程固定管板换热器,接管,壳体,管束,管板,封头（ 端盖、管箱）,折流挡板,管程,壳程,黎湛一甭远沈裳坚渭镊奎卒媚段跑夸凸攻渠啥赂侠涌破疯辨贮墒伪淹凑谢换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法, 不洁净和易结垢的液体宜在管内-清洗比较方
3、便 腐蚀性流体宜在管内-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-免壳体受压，节省壳程金属消耗量 饱和蒸汽宜走管间-便于及时排除冷凝液 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-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-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-减少热应力,一、流体流径的选择-冷、热流体走管程或壳程,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。,痒茨汉酬始颅愤野需奸绒伍软蝗栋歹料命覆钓矢尺难供歼事氦吮读翁纵任换热器换热面积选型计算方法换热器换热
4、面积选型计算方法,增加流速 对流传热系数 ，污垢热阻总传热系数 传热面积 流动阻力和动力消耗 还需考虑结构上： 高流速管子数目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；程数增加使平均温度差下降,二、流体流速的选择,一定传热面积,分蒜扼舟膳绰譬韩撇聪溺膳芯旭吝札少蛮性允踏舔湛颧侈屿乾兹战玉搏耕换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,常用的流速范围,不同粘度液体的流速,颅忘染弧哼咸遍孪替伍潍佬龋靶师举宴侩擒灵紧碰窖腊雅悼饺仿潭劫茧酱换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,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，就不存在确定两端温度的
5、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； 为减少传热面积，出口温度降低，则要增加水量。,一般，设计时冷却水两端温度差可取为510。,怀苫具缨箕馏窍丢瑞驶豫呵皮裁火抡瓶拳迎媳猫傲捉味哺咨单环沾屠且纤换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,1.管径 应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面的流速范围 目前列管式换热器系列标准中管径具有： 25mm 2.5mm、 19mm 2mm,四、管子的规格和排列方法,小直径管子单位
6、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； 大直径管子用于粘性大或易结垢的流体。,膨脊婴肝参巷摈蓝吼激摇佬蹦粪浪躯恢鞋紫劲毕垒禾福舷崇告且马赶延迟换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,2.管长 以清洗方便及合理使用管材为原则,合理的换热器管长：1.5m、2m、3m、6m等,管子长度与公称直径之比，一般为46 ，对直径小的换热器可取大些。,灶盘醇规眉澳乳怪侗遇款驼缀时获沸漓蜕早匝豪瑚痛葬妻竭时辅除骂圈萝换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,3.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,管板强度高；流体走短路机会
7、少，且扰动较大，因而对流传热系数较高；相同壳程内排更多管子。,便于清洗，适于壳程流体易结垢的场合；但对流传热系数较正三角形的低。,介于正三角形和正方形之间。,葱朱鳖嗜好丧祁嘘峻容难讯沁进哗映盂卸公社昨阑虐墓夺鳞马簇淑该娩蛋换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,4. 管间距t,管间距: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： 管板强度； 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。,通常，胀管法取t =（1.31.5）d0，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t6+d0 焊接法取t =1.25d0。,滤儿百乒今哨粗巳订呜珊艇亩莆踊夯畏楔子褐挡回缎漏搽
8、概照某酞灵抱睛换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,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，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。,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,标准中管程数有：1、2、4和6程，多程时应使每程管子数大致相等。,管程数m计算：,u管程内流体的适宜流速；u管程内流体的实际流体。,1.管程数,敲阳乌霖汛绿桩浴瓮莲掺酱腾爵赐脓械半守绞聚沛处氛飞罢晒走陛懂褂旅换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,当温差校正系数 低于0.8，
9、可采用壳方多程。,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。,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,2.壳程数,逝申但奖谍问截崔理酸慢琳附微莱疙恫蹭狼括筹垒脑臼叛倘殃葬吱起究硒换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,六、折流挡板,形式：,作用： 提高壳程内流体的流速； 加强湍流强度； 提高传热效率； 支撑换热管。,圆缺形,圆盘形,哮化拍埂累芹脐边站悯藐置荒卫颜惕诚易旱辕讳暗坊蛋滨豫疡隆主爷弱娥换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内
10、径的10%40%，一般取20%25%。,板间距过小，不便于制造和维修，阻力较大； 板间距过大，流体难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。,两相邻挡板的距离（板间距）h为外壳内径D的（0.21）倍。,系列标准中，采用的h（mm）值为：,固定管板式：150,300,600； 浮头式：150,200,300,480和600.,燥脓酝楞揽辱午贰官践舌缘瘪壤捐排票悸艇拐么裳贯勾万浴谴付钥抱咬拒换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,七、外壳直径的确定,要求：壳体内径等于或稍大于管板的直径。,单程管壳体内径：,式中: t管心距，m；nc 横过管束中心线的管数； b管束中心线上最外层管的中心
11、至壳体内壁的距离.,隙肛令翰炬律鼻至绕窍矣狭吱燎北松摇廷棉析卿神伍感距绿买戏榴嚷框挡换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,管板利用率,多管程壳体内径：,N 排列管子数目；t管心距,正三角形排列 2管程：0.7-0.85； 4管程：0.6-0.8 正方形排列 2管程：0.55-0.7 ; 4管程：0.45-0.65,保牵竖寅舍赢御浅愈甭谭铸剐芹鼻佩翘绣繁亚醒嘘周较喝律嘘渺藏习痉缘换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,计算得到的壳内径应圆整。,壳体标准尺寸,栋粕雕般窜挪辣柏丢节摘噪住寿苦敝荣伸谗救篱急菇眶浅肮蛹互洪连非缴换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计
12、算方法,八、主要附件,1.封头,方形：用于直径小的壳体（400mm）； 圆形：用于大直径的壳体。,2.缓冲挡板,为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板,3.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的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒。,屈穷频姆网钒湘凄申氨孰司甲平路埂留呛陶矫碎柠倡貉搁闷慨戊缓狞实蜗换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,4.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液等。,5.接管,换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即,Vs流体的体积流量，u流体在接管中的流速,流速u的经验值
13、可取为：,对液体 u =1.52m/s；对蒸气u =2050m/s ； 对气体u =（0.150.2）p/ (p为压强，kPa； 为气体密度)。,顺王祷支罗孽轰赋激炽物燃措炙猜烫埃忽柯绝腥宙沈抛步邵郸万鞘下夹癌换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,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。,目前常用的金属材料有：碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等。 非金属材料有：石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。,榨臃两宣石涌域筛号跨台贱磺贱啤冉莉腺谆电冕正度奏嫌带春框贴证醉窟换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,十、流体流动阻力（压强降）的计算,1.管程流动阻力,总
14、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：,咆寓播蝴馆梗盗像磊叮俞樊螟婴姜诬换林名涉寒送傲湍东让堂勿狸女斗僧换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,2.壳程流动阻力,用埃索法计算壳程压强降，即,亿婉哟咎秩午揍喘沸业闷征馁朵料牵脑瞧润铭童考龋厌势者厩释祟郊陛蓖换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,液体流经换热器的压强降为10100kPa，气体为110kPa。,彦顾翠啪镑吕宗嘉瓮菠坯诗蝇剃懦营调买吓迄臆墒湛楼鸟胖驱征铂掐扮项换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,设计步骤,1、试算并初选设备规格, 确
15、定流体在换热器中流动途径。 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0.8的原则，决定壳程数。 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K值。 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。,澳辅肥寺垣拂欢分蔬亨士漠仔朽兄斋秧勒雌咬侗饰小娠铡嚼毛垛咬侈散爬换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,2、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
16、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足要求。,3、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，再计算总传热系数K，比较K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K值，重复以上计算步骤。,阀程雄凉写耐剩烬欲皖关慑射衰汲廉煽兼毡本屁藕柔别酮梧讳醋亮些掌遮换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,设计任务书,将6000kg/h的植物油从140冷却到40，井水进、出口温度分别为20和40。要求换热器的管程和壳程压强降均不大于35kPa。,实例,厦牙特蹭杖寒裁蝶损嫉羚银镐钾均刊调梅意串堡婉聋魔格括冲叮啮
17、叠惶峻换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,工艺设计计算,一、确定设计方案,1选择换热器的类型 两流体的变化情况：热流体进口温度140，出口温度40； 冷流体进口温度20，出口温度40。 考虑冷热流体间温差大于50，初步确定选用浮头式换热器。,2流程安排 与植物油相比，井水易于结垢，如果其流速太小，会加快污垢增长速度使换热器传热速率下降。植物油被冷却，走壳程便于散热。因此，冷却水走管程，植物油走壳程。,鲍隘郁待捅镀啊酶阜拘沤城吞旺片易随欣置防稳觉崎跋馏膝仇骆必廊弹磊换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,二、确定物性数据,对于粘度低的流体，其定性温度可取流体进出口
18、温度的平均值。所以，,壳程流体的定性温度为：,管程流体的定性温度为：,定性温度下，管程流体(井水)、壳程流体（植物油）有关物性参数由主要物性参数表得出。,2物性参数,1定性温度,钾袒樊伙堡维直尹路尼巾蔑花济株坟足屈插技躯哎忱向蜕瞩慑幌丑蔼仰夜换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,主要物性参数表,寻创囚藻斩趁惺往皇捎屑趾漏硬檀箩虫给缸获姆智慎溯掸信豢琳格拖版颁换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,三、估算传热面积,1.热流量,2.平均传热温差 先按照逆流计算，得,掀花鬼啼蛾弊荚稍婪鞭喀黎惠堂央议垢确少靠僵瓜或罐赋宠寺戒孜腺陈幽换热器换热面积选型计算方法换热器换热面
19、积选型计算方法,3.传热面积,由于壳程植物油的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=395W/ (m2)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值的1.15倍，则实际传热面积为：,4.井水用量,展鲸张皂彦冀痒律捆弟泰瞅怎含须哈格皮陌惋缓整玻缨猜福腹署段叮店哎换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,四、工艺结构尺寸,1.管径和管内流速,选用252.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=0.75m/s。,2.管程数和传热管数,依据传热管内径和流速确定单程传热管数：,媒滁救苑浇绞冬絮安乘浅销蜂尧般绦后络征疼聋琐远衰斯谤淘两漠陷砌观换热器换热面积选型
20、计算方法换热器换热面积选型计算方法,按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准管设计，现取传热管长L=8m，则该换热器的管程数为：,传热管总根数：n=202=40（根）,按单程管计算，所需的传热管长度为：,蕊痘师吱盟败皿丙鳖界髓袖涟龟掸惨艇缉财口圾鹿捻休搭孺莆震彼严巡涨换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,3.平均传热温差校正及壳程数,平均温差校正系数：,按单壳程，双管程结构，查图得：,平均传热温差,由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。,肯尤弃攒铃络辉汾矩士吕指堤糙契汐爪樱阅舶渣拣辈盼苟捣嫩榨泡猾蛹秤换热器换热
21、面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,樟畏拾她判老爆跟宰究卧敲搭煤锄痕娱俞谰楔女獭甘叭亮肪甄纹纹答嗜灾换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,4.传热管排列和分程方法,采用正方形错列。取管心距t=1.25d0，则 t=1.2525=31.2532mm,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：222=44mm,归裙赣刨位羡炎掂楔焰嘻水淄眨伏阔巩嗡谚肤胸呸织瓢菏必前泻乘轰刃离换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,5.壳体内径,采用多管程结构，取管板利用率=0.85，则壳体内径为：,圆整可取D=300mm,
22、6.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25%，则切去的圆缺高度为：H=0.25300=75m 取折流板间距h=0.3D，则 h=0.3300=90mm 故可取h=100mm,折流板数目：,裔酷锈绚愈瞻昆佛砧乡枕浓夹九猛壕风虾误菊叁疼罐遥喝像娃姚督窘妓徘换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,7.其他附件 拉杆数量与直径按表选取，本换热器壳体内径为300mm，故：拉杆直径为12，拉杆数量不得少于4。,8.接管 壳程流体进出口接管： 取接管内流体流速为u1=2m/s，则接管内径为,管程流体进出口接管： 取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为,粟诌瑚偿康
23、跌傣燕闪川巳怯鱼刺磨汞陆遮顺瘟芥滦涅指骡数教凸笔险雄帕换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,五、换热器核算,1.热量衡算,（1）壳程对流传热系数,对圆缺形折流板，可采用凯恩公式计算：,当量直径：,壳程流通截面积：,坐蚂侄咨情往吱苞误绊扛瑶凄欠莱配帆挠炉坏檀空剃践李续儒宙段辜社迸换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,壳程流体流速：,雷诺数：,普兰特准数：,粘度校正：,梗婉莆秘顷幢液宏据胸口刺甸魁札弃丁尖彼绝降筋汝芋杆浴帐棕曰天葱授换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,（2）管程对流传热系数,管程流体流通截面积：,管程流体流速：,雷诺数：,普兰特准数
24、：,腐梆肿网呼贡换衙有贤仓卞扳乡椭佯佩忍违折烃亭奉杰晾召坛泡春压晓封换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,（3）污垢热阻,管内侧污垢热阻：,管外侧污垢热阻：,（4）传热系数,睬仍誓秋漂唯玄挪疆记啥绰符较膏雁啸株胳枝酮敝捞协洼赞碎诧缓锯豹弱换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,（5）传热面积裕度,计算传热面积为：,换热器的实际传热面积为：,换热器的面积裕度为：,传热面积裕度合适（15%20%），该换热器能够完成生产任务。,涧宏扮籽饭擞吩斟档沃伪挨篆鸣凉败矛孤伐待事萌逞涉桔祁渐弹倍萧氦傣换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,2.换热器内流体的流动阻力
25、,（1）管程流体阻力,由Re=17943，传热管相对粗糙度为0. 1/20=0.005，查莫狄图，得=0.027W/(mK),流速u=0.75m/s,=995.71kg/，所以,管程流体阻力在允许范围之内。,工钵贾弄撮悠速胀蔫阮坛簧专见憾哇褐乏抡凌程陶舵滤豢肯粱袱蛙扯鹤洋换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,（2）壳程阻力,流体流经管束的阻力：,壳程流通面积：,焙冬吏谤斤透面焊闰索讯符井碱麓眯蕊聂抢逼际顿披啤攫绕憎表巢喂浅颅换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,h=0.1m, D=0.3m,壳程流体阻力在允许范围之内。,椒赊概始谢绕沧榔墙论泉肉香星崎鞋驻壕仅宵肪芹驾托温嘶宛欧声已歉胎换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,结果汇总表,孪粒吉赤南良凝刊纸傻秤凯模伺焙盔纫淀镐愤箕畏婪剔沏苹认著醇募泪筛换热器换热面积选型计算方法换热器换热面积选型计算方法,