标准系列化管壳式换热器的设计计算步骤

标准系列化管壳式换热器的设计计算步骤

标准系列化管壳式换热器的设计计算步骤

（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能 （2）计算传热量，并确定第二种流体的流量 （3）确定流体进入的空间

（4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据

（5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核 （6）选取经验传热系数 （7）计算传热面积

（8）查换热器标准系列，获取其基本参数

（9）校核传热系数，包括管程、壳程对流给热系数的计算。假如核算的K与原选的经验值相差不大，就不再进行校核。若相差较大，则需重复（6）以下步骤 （10）校核有效平均温度差 （11）校核传热面积

（12）计算流体流动阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。

非标准系列化列管式换热器的设计计算步骤

（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能 （2）计算传热量，并确定第二种流体的流量 （3）确定流体进入的空间

（4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据

（5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核 （6）选取管径和管内流速

（7）计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K，然后再校核

（8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的1.15~1.25倍 （9）选取管长 （10）计算管数

（11）校核管内流速，确定管程数

（12）画出排管图，确定壳径和壳程挡板形式及数量等 （13）校核壳程对流传热系数 （14）校核平均温度差 （15）校核传热面积

（16）计算流体流动阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。

甲苯立式管壳式冷凝器的设计（标准系列）

一、设计任务

1.处理能力：2.376×104t/a正戊烷； 2.设备形式：立式列管式冷凝器。 二、操作条件

1.正戊烷：冷凝温度51.7℃，冷凝液于饱和温度下离开冷凝器； 2.冷却介质：为井水，流量70000kg/h，入口温度32℃； 3.允许压降：不大于105Pa；

4.每天按330天，每天按24小时连续运行。 三、设计要求

选择适宜的列管式换热器并进行核算。

附：正戊烷立式管壳式冷却器的设计——工艺计算书（标准系列）

标准系列化管壳式换热器的设计计算步骤

正戊烷立式管壳式冷凝器的设计——工艺计算书（标准系列）

本设计的工艺计算如下：

此为一侧流体为恒温的列管式换热器的设计。

1.确定流体流动空间

冷却水走管程，正戊烷走壳程，有利于正戊烷的散热和冷凝。

2.计算流体的定性温度，确定流体的物性数据

正戊烷液体在定性温度（51.7℃）下的物性数据（查化工原理附录）

ρ 596kg/m3，μ 1.8 10 4Pa s，cp 2.34kJ/kg C，λ 0.13W/m C，r 357.4kJ/kg。井水的定性温度：

入口温度为t1 32 C，出口温度为

t2

ms1r

t1

ms2cp2

式中ms1 2.376 104 103/330 24 3000kg/h 0.833kg/s

3000 357.4

32 35.67 C

70000 4.174

井水的定性温度为tm 32 35.67 /2 33.84 C t2

两流体的温差Tm tm 51.7 33.84 17.86 C 50 C，故选固定管板式换热器 两流体在定性温度下的物性数据如下

3.计算热负荷

Q ms1r 0.833 357.4 297.7kW 4.计算有效平均温度差

逆流温差Δtm,逆

51.7 32 51.7 35.67 17.8 C ln51.7-32/51.7 35.672

2

5.选取经验传热系数K值

根据管程走井水，壳程走正戊烷，总传热系数K 470~815W/m C，现暂取K 600W/m C。

6.估算换热面积

Q297.7 103S 33.45m2

KΔtm，逆500 17.87.初选换热器规格

立式固定管板式换热器的规格如下

公称直径D…………………………500mm 公称换热面积S……………………40m2 管程数Np…………………………..2

标准系列化管壳式换热器的设计计算步骤

管数n………………………………..172 管长L………………………………..3.0m

管子直径……………………………..Φ25 2.5mm 管子排列方式………………………..正三角形

换热器的实际换热面积So nπd0 L 0.1 172 3.14 0.025 3 0.1 39.16m2

Q297.7 103该换热器所要求的总传热系数Ko 427.1W/m2 C

SoΔtm，逆39.16 17.88.核算总传热系数Ko

（1）计算管程对流传热系数αi

Vsi msi/ρi

70000

/993.7 19.44/993.7 0.0196m3/s 3600

nAi

N p π2 172 di 0.785 0.0202 0.027m2 4 2

ui

Vsi0.0196 0.726m/s Ai0.027

diuiρi0.020 0.726 993.7

20123 10000（湍流） μi0.000717

Rei

Pri

cpiμiλi

4.174 103 0.717 10 3

4.773

0.627

λi0.627

0.8 4.773 0.4 3736W/(m2 C) Re0.8Pr0.4 0.023 20123

di0.020

故αi 0.（2）计算壳程对流传热系数αo

因为立式管壳式换热器，壳程为正戊烷饱和蒸汽冷凝为饱和液体后离开换热器，故可按蒸汽在垂直管外冷凝的计算公式计算αo

gρ2λ3r

αo 1.13 μLΔt

1/4

现假设管外壁温tw 40 C，则冷凝液膜的平均温度为0.5 ts tw 0.5 51.7 40 45.85 C，这与其饱和温度很接近，故在平均膜温45.85℃下的物性可沿用饱和温度51.7℃下的数据，在层流下：

gρ2λ3r

αo 1.13 μLΔt

（3）确定污垢热阻

1/4

9.81 5962 0.133 357.4 103

1.13 0.000717 3 51.7 50

1/4

1051W/m2 C

标准系列化管壳式换热器的设计计算步骤

R4so 1.72 10 4m2 C/W（有机液体）,Rsi 2.0 10 m2 C/W（井水） （4）总传热系数Ko

1K 1α RbdoRdo1do

so si ooλwdmdiαidi

11051 0.000172 0.00252525125

45 22.5 0.0002 20 3736 20 0.000951 0.000172 0.000062 0.000250 0.000335 0.00177Ko 565W/m2 C 427W/m2 C

所选换热器的安全系数为 565 427 /427 100% 32.3% 表明该换热器的传热面积裕度符合要求。 （5）核算壁温与冷凝液流型

核算壁温时，一般忽略管壁热阻，按以下近似计算公式计算

T tw1 t tw51.7 twtw 35.67

α R1 1 0.0001721

so Rsi 0.0002oαi10513736

tw 40.4 C，这与假设相差不大，可以接受。

核算流型 冷凝负荷M

msb 0.833

3.14 0.025 172

0.0617kg/m s Re

4Mμ 4 0.06170.000717

344 1800（符合层流假设） 9.计算压强降

（1）计算管程压降

Δpi

Δp

1

Δp2 FtNpNs（Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）

取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则ε/d 0.005，而Rei 20123，于是

0.23

0.23

λ 0.1 e68 0.1 0.168 d Re

20 Re

0.033

pLρu2i3993.7 0.7262

Δ1 λd 0.033 1296Pa

i20.0202

Δpρu2i993.7 0.7262

2 3 2 3 2

786Pa

标准系列化管壳式换热器的设计计算步骤

对φ25 2.5mm的管子有Ft 1.4,且Np 2,Ns 1

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