换热器计算步骤.docx
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换热器计算步骤
第2章工艺计算
2.1设计原始数据
表2—1
名称
设计压力
设计温度
介质
流量
容器类型
设计规范
单位
Mpa
℃
/
Kg/h
/
/
壳侧
7.22
420/295
蒸汽、水
III
GB150
管侧
28
310/330
水
60000
GB150
2。
2管壳式换热器传热设计基本步骤
（1）认识换热流体的物理化学性质和腐化性能
（2）由热均衡计算的传热量的大小，并确立第二种换热流体的用量。
（3）确立流体进入的空间
（4）计算流体的定性温度,确立流体的物性数据
（5）计算有效均匀温度差，一般先按逆流计算，而后再校核
（6）选用管径和管内流速
（7）计算传热系数，包含管程和壳程的对流传热系数，因为壳程对流传热系数与壳径、
管制等构造相关，所以，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K，而后再校核
（8）初估传热面积，考虑安全要素和初估性质，常采纳实质传热面积为计算传热面积
值的1.15～1。
25倍
（9）选用管长l0
（10）计算管数NT
（11）校核管内流速，确立管程数
（12）画出排管图，确立壳径Di和壳程挡板形式及数目等（13）校核壳程对流传热系数
（14）校核均匀温度差（15）校核传热面积
（16）计算流体流动阻力。
若阻力超出同意值，则需调整设计。
2.3确立物性数据
2。
3。
1定性温度
由《饱和水蒸气表》可知，蒸汽和水在p=7.22MPa、t>295℃状况下为蒸汽，所以在不考虑动工温度、压力不稳固的状况下，壳程物料应为蒸汽,故壳程不存在相变。
关于壳程不存在相变，其定性温度可取流体出入口温度的均匀值。
其壳程混淆气体的均匀温度为：
t=420295
357.5℃（2-1）
2
管程流体的定性温度:
T=310330
320℃
2
依据定性温度，分别查取壳程和管程流体的相关物性数据.
2.3.2物性参数
管程水在320℃下的相关物性数据以下：
【参照物性数据无机表1。
10.1】
表2—2
密度
ρi—=709。
7
㎏/m3
定压比热容
cpi=5。
495
kJ/㎏.K
热导率
λi=0.5507
W/m.℃
粘度
μi=85.49
μPa.s
普朗特数
Pr=0.853
壳程蒸气在357.5下的物性数据[1]：
【锅炉手册饱和水蒸气表】
表2-3
密度
ρo=28.8
㎏/m3
定压比热容
cpo=3.033
kJ/㎏。
K
热导率
λo=0。
0606
W/m.℃
粘度
μo=22.45
μPa.s
普朗特数
Pr=1。
122
2.4估量传热面积
2。
4。
1热流量
依据公式（2-1）计算：
QWcpt【化原
4—31a】
（2-2）
将已知数据代入（2-1）得：
QWCt=60000×5。
495×103（330—310）/3600=1831666.67W
1p11
式中：
W1——工艺流体的流量，kg/h；
Cp1——工艺流体的定压比热容,kJ/㎏。
K；
t1—-工艺流体的温差，℃；
Q——热流量,W。
2.4.2均匀传热温差
依据化工原理4—45公式（2-2）计算：
t1
t2
（2—3）
tm
t1
ln
t2
按逆流计算将已知数据代入（2-3）得:
tm
t1t2
420330
310295
℃
t1
420
41.86
330
ln
ln
295
t2
310
式中：
tm——逆流的对数均匀温差，℃；
t1-—热流体出入口温差,℃;
t2-—冷流体出入口温差，℃;
可按图2—1中（b）所示进行计算。
图2-1列管式换热器内流型
2.4。
3传热面积
2
依据所给条件选定一个较为适合的K值，假定K=400W/m。
K则估量传热面积为：
Q
S（化工原理式4—43）（2—4）
Ktm
将已知数据代入（2-3）得:
S
Q1831666.67
109.39m2
K
tm40041.86
式中：
S——估量的传热面积，m2；
2
K——假定传热系数，W/m.℃；
tm——均匀传热温差，℃。
考虑的面积裕度,则所需传热面积为:
S'S1.15112.881.15125.8m2（2—5）
2。
4.4热流体用量
依据公式（2-4）计算：
由化工原理热均衡公式
Q
W
cpt
将已知数据代入（2—4）得:
Q
1831666.67
W2
t2
17392.68kg/h（2-6）
Cp2
3.033（420295）
式中Q——热流量，W；
cp2——定压比热容，kJ/㎏。
℃;
t2—-热流体的温差，℃；
W2—-热流体的质量流量，kg/h。
2。
5工艺尺寸
2。
5。
1管数和管长
1.管径和管内流速
依据红书表3-2
换热管规格
表2—4
资料
钢管标准
外径厚度
外径误差
壁厚误差
/（mmmm）
/mm
碳钢
GB8163
25
2
。
5
0.20
12%
10%
依据红书表3-4取管内流速ui1m/s
⒉管程数和传热管数
依红书3-9式nqv，可依据传热管内径和流速确立单管程传热管数
2
4du
qv
16.67
709.7
74.8
75
（根）
（2-7）
ns
2
0.022
1
4diui
4
式中qv——管程体积流量，
m3
；
s
n——单程传热管数目；
di——传热管内径,mm;
u—-管内流体流速，ms.
按单管程计算，依红书3-10，所需的传热管长度为
L
Ap
125.8
21.3m
（2-8
）
dons
0.025
75
式中L-—按单程管计算的传热管长度，m
Ap——传热面积，m2；
do--换热管外径，m.
按单管程设计，传热管过长，则应采纳多管程，依据本设计实质状况，采纳非标准
设计，现取传热管长l
6m,则该换热器的管程数为
Np
L
21.3
4
（管程）
（2-9）
l
3.56
6
传热管总根数
NT
ns
Np754
300（根）
（2
—10）
式中，d0——管子外径，m；
NT'-—传热管总根数，根；
d0——管子外径，m；
3。
换热器的实质传热面积,依照红书3—12，
Ad0lNT3.140.0256300141.3m2（2—11）
式中，NT换热器的总传热管数；
A换热器的实质传热面积。
2.5.2均匀传热温差校订及壳程数
采纳多管程损失部分传热温差，这类状况下均匀传热温差校订系数与流体出入口温
度相关，此中按红书3—13a3—13b
热流体的温差
T1
T2（2—12）
R
冷流体的温差
t2
t1
冷流体的温差
t2
t1（2—13）
P
两流体最先温差
T1
t1
将已知数据代入（2—12）和（2-13）得：
T1
T2
420
295
R
t1
330
0.75
t2
310
t2
t1
330
310
P
t1
420
0.22
T1
310
按单壳程，四管程构造，红书图3—7，查得校订系数[1]:
图2-2温差校订系数图
t0.96；
均匀传热温差按式（2-9）计算：
tm
tt塑（2-14）
将已知数据代入（2-9）得：
。
tmtt塑0.9641.8640.2C
式中：
tm—-均匀传热温差,℃;
t——校订系数；
t塑——未经校订的均匀传热温差，℃.
因为均匀传热温差校订系数大于0.8，同时壳程流量较大,故取单壳程适合。
传热管摆列方式:
采纳正三角形摆列
每程各有传热管75根，其前后官箱中隔板设置和介质的流通次序按化工设计3
—14选用
取管心距：
t1.28d0（2—15）
则管心距：
t1.28do1.282532mm
依据标准选用为32mm：
隔板中心到离其近来一排管中心距
s
t
32
22mm
6
6
—16）
2
2
（2
各程相邻传热管的管心距为2s=44mm。
每程各有传热管75根,其前后管箱中隔板设置和介质的流通次序按图2—4选用.
图2-3组合摆列法
图2-4隔板形式和介质流通次序
⒌壳体内径
采纳多管程构造，壳体内径可按式计算。
正三角形摆列，4管程，取管板利用率为
0.6~0.8，取0.7,则壳体内径为
D1.05tNT1.0532
300
695.5（mm）。
（2—17）
0.7
式中:
D—-壳体内径，m；
t-—管中心距,m；
NT—-横过管制中心线的管数
按卷制圆筒进级挡圆整,取为D=700mm.
2.5。
3折流板
管壳式换热器壳程流体流通面积比管程流通截面积大，为增大壳程流体的流速，增强其湍动程度，提升其表面传热系数，需设置折流板。
单壳程的换热器仅需要设置横向折流板。
采纳弓形折流板，弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%～25%，取25%，取则切去的圆缺高度为：
h0.25700175mm（2-18）
故可取h
180mm
取折流板间距B
0.3D,则
B
0.3
700210（mm）
（2—19）
可取为B=250mm。
折流板数NB
NB
传热管长
6000
（块）
（2-20）
-1
-1
23
折流板间距
250
折流板圆缺面水平装置。
化工设计图3—15
图2—5弓性折流板（水平圆缺）
2。
5.4其余附件拉杆
拉杆数目与直径：
由化工设计表4-7表4—8该换热器壳体内径为700mm，故其拉杆直径为φ16拉杆数目为6个。
2.5。
5接收
依照化工原理式1—24，
壳程流体出入口接收：
取接收内水蒸气流速为
u14。
42m/s，则接收内径为
4V1
4
17393
3600
）
（
D1
28.8
0.219（m）
（2-21
）
u1
4.42
圆整后可取内径为D1
150mm。
管程流体出入口接收：
取接收内液体流速为u21m/s，则接收内径为
4
60000
）
4V2
（
D2
3600
709.7
0.173（m）
u2
1
圆整后取管内径为D2=180mm。
式中：
D-—接收内径，m；
u-—流速,m/s；
V--热、冷流体质量流量，kg/s。
2。
6换热器核算
2.6.1热流量核算
2。
6。
1。
1壳程表面传热系数
壳程表面传热系数用克恩法计算,见式红书3-22
0.55
1
3（
）0.14（2—22）
o0.361RePr
de
w
当量直径,依式红书3—32b计算：
3
2
2
e
4（
2t
4do）（2—23）
d
do
将已知数据代入（2—23）得：
3
2
2
3
2
2
4（
2t
4do）
4（
2
0.032
4
0.025）
de
do
0.025
0.020（m）
式中de-当量直径,m；
t-管心距，m;
d0—管外径，m。
壳程流通面积依红书式3-25计算
SoBD（1
do
）
t
SoBD（1
do
0.
025
2
）s2
BD（1
d2
）（2—24）
t
）
0.250.7（1
0.
032
）
0.038（m
t
式中B-折流板间距，m；
D—壳体内径,m；
t-管心距，m；
do—管径，m;
So—壳程流通面积,m2。
依照红书计算步骤,壳程流体流速及其雷诺数
分别为
17393
28.8）
Vo
（3600
4.415（m/s）
（2—25）
uoSo
0.038
deu
0.024.41528.8
113275.72
（2-26）
Reo
22.45
106
普朗特数
Pr
1.122
黏度校订
（
）0.14
1
壳程表面传热系数
1
o0.36
1Re
0.55
3（）0.14
Pr
de
113276
w
1682.5（W/m2
℃）
0.360.0606
0.551.122
3
1
0.02
（2-27）
式中u2-壳程流体流速,m/s；
2
s2—壳程流通面积，m；
—密度,kg/m3
m—热流体的质量流量，kg/h。
2。
6.1。
2管内表面传热系数
管程流体流通截面积
Si
di
NT
0.022
75
0.0236（m2）
4
n
4
管程流体流速
ui1（m/s）
雷诺数
Rei
idiui
709.7
0.026
1166031.1
i
85.49
10
普朗特数
Pr
0.853
按化工原理
式
i
0.23
i
Re0.8Pr0.4
得
di
i
0.23
i
Re0.8Pr0.4
di
1.230.5507166031.10.80.8530.4562.5（W/m2℃）0.02
（2-28）
（2—29）
（2—30）
式中：
Re--雷诺数；
de——当量直径,m；
ui——管程流体流速，m/s;
i—-密度，kg/m3；
i-—粘度，Pa。
s。
Pr——普朗特数；
cpi--定压比热容，kJ/㎏.℃；
i——粘度，Pa.s；
i——热导率,W/m.℃.
。
3污垢热阻和管壁热阻
污垢热阻和管壁热阻可取
[1]:
化工原理附录20
管外侧污垢热阻
Ro
0.8598
10
4
（m
2
·℃/W）
4
2
管内侧污垢热阻
Ro
0.8598
10
（m
·℃/W）
管壁热阻按红书式计算，查表[1]
可得碳钢在该条件下的热导率为40W/（m.K）：
b
（2—31）
Rw
w
将已知数据代入（2-31）得：
Rw
b
0.002
2104（m2?
K/W）
w
40
式中：
Rw-—管壁热阻，m2.K/W；
b——传热管壁厚,m；
w——管壁热导率，W/m。
℃。
2.6。
1.4传热系数Kc
按红书3-21计算:
因为i值更小，故按Ki计算
KC
1
（2—32）
di
R0di
Rwdi
1
od0
d0
dm
Ri
i
将已知数据代入（2-32）得:
1
KC
0.02
0.8598
10
4
0.02
2
10
4
0.02
104
1
（
0.8598
）
628.5
0.025
0.025
0.02
562.5
346.1
W/m2
K
2。
6.1.5传热面积裕度
红书3-35
AC
Q
1831666.67
2
（2—33）
KC
tm
126.42（m）
346.141.86
该换热器的实质换热面积
A
A
dolNT
3.140.0256300
141.3（m2）
（2-34）
依红书
式3-36
该换热器的面积裕度为
H
AAC
100%
141.3126.42100%11.79%
（2—35）
AC
126.42
该换热器的面积裕度适合，该换热器能够达成生产任务.
2.6.2壁温核算
2。
6.2。
1温差计算
因为工作条件是高温高压,与四时气温相差特别大。
所以出入口温度能够取原操作
温度.此外，因为传热管内侧污垢热阻较大会使传热管壁温降低，降低了传热管和壳体
之间的温差。
但操作早期时，污垢热阻较小,壳体和传热管间壁壁温差可能很大.计算中因按最不利的要素考虑，所以，取双侧污垢热阻为零计算传热管壁温。
由红书3—42式计算：
Tm（1
Rc）tm（1
Rh）
tw
c
h
（2—36）
1
1
Rc
Rh
c
h
液体的均匀温度按红书3—44和3—45式
tm0.4t20.6t1
计算有:
tm0.43300.6310318
（℃）
（2-37
）
hc
ho
682.6
（W/m2·℃）
hh
hi
562.5
（W/
m
2·℃
）
代入2—36式传热管均匀壁温
Tm
tm
357.5
318
Tw
hc
hh
682.6
562.5
336.8（℃）（2-38
）
1
1
1
1
hc
hh
682.6
562.5
式中：
T1--热流体入口温度，℃；
T2-—热流体出口温度，℃；
t
t2-—冷流体出口温度,℃。
壳体壁温,能够近似取为壳程流体的均匀温度，即t=357。
5℃。
传热管壁平和壳体壁温之差为
t357.5336.820.7（℃）
（2
—39）
该温差较大，需设温度赔偿器。
因为水和水蒸气不简单结垢，不需要常常冲洗，因
此采纳U型管换热器较为适合。
。
2管程流体阻力依式（2-29）
pi（p1p2）NpFt（2-36）
此中Np4Ft1.5
式中：
Np-—管程数；
pi——管程总阻力，Pa；
Ft—-管程结垢校订系数，对252.5mm的管子,取1.5;
p
l
u2
（2-37）
i
id
i
2
由Re=166031查化原表1—2
传热管绝对对粗拙度
0.02
传热管相对对粗拙度
0.02
0.001
20
查化工原理图1-27
莫狄
—Re图
得i0.021
709.7kg/m3，u1m/s，将已知数据代入（2-37）得：
pii
lu2
di2
6
709.7
12
0.021
2
2235.5Pa
0.02
式中：
i——摩擦系数；
l——管长，m；
di——传热管内径,m；
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