列管式换热器选型设计计算

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第一部分列管式换热器选型设计计算

一．列管式换热器设计过程中的常见问题

换热器设计的优劣最终要以是否适用、经济、安全、负荷弹性大、操作可靠、检修

清洗便利等为考察原则。当这些原则相互矛盾时，应在首先满足基本要求的状况下再考虑一般原则。

1．流体滚动空间的选择原则（1）不清白和易结垢的流体宜走管内，由于管内清洗比较便利。（2）腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。（3）压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。（4）饱和蒸气宜走管间，以便于及时排出冷凝液，且蒸气较清白，它对清洗无要求。（5）有毒流体宜走管内，使泄漏机遇较少。（6）被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以加强冷却效果。（7）粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程滚动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流，可以提高对流传热系数。（8）对于刚性结构的换热器，若两流体的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与α大的流体温度相近，可以减少热应力。

在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体状况抓住主要矛盾。2．流体流速的选择

0.8

根据管内湍流时对流传热系数αi∝u，流速增大，则αi增大，同时污垢热阻Rsi

减小，利于传热，从而可减少传热面积，俭约设备费用；但同时又使压降增大，加大了动力消耗，提高了操作费用。可见应全面分析权衡比较适合的流速。（1）所选流速要尽量使流体湍流，有利传热。

（2）所选流速应使管长或程数恰当。管子过长，不便于清洗管内污垢；而管子过短，

管程数增加，使结构繁杂化，传热温差减少，均会降低传热效果。

（3）粘度大的流体，流速应小些，可按滞流处理。（4）高密度流体（液体），阻力消耗与传热速率相比一般较小，可适当提高流速。

在我们教材及换热器设计手册中均给了出一些经验数据，以供参考。3．管子规格及排列状况

（1）管径选择：国内换热器系列标准件中管子规格为Φ25×2.5mm、Φ19×2mm，在再沸器

中可采用Φ38×3mm。

（2）管长：以清洗便利和合理使用管材为原则，系列标准件中采用1.5m，2m，3m和

6m四种。

（3）管子排列方法

管子在管板上的排列方法有三种：正三角形，正方形直列和正方形错列（见化工

原理下册，天大版，P256，图4-25）。

正三角形排列使用最普遍，在同一管板面积上可以排列较多传热管，管外流体搅动较大，对流传热系数较高，但相应阻力也较大，管间不易清洗；正方形直列便于清洗管外表面，但传热系数较小；正方形错列介于上述两者之间，对流传热系数高于正方形直列。（4）管中心距t

管子与管板采用胀管法连接t=(1.3-1.5)do，管子与管板采用焊管法连接t=1.25do，相邻两管外壁间距不应小于6mm。4．折流挡板

前面已述常用的有圆缺形和盘环形挡板（见化工原理下册，天大版，P257，图4-27），而又以缺口面积为壳体内截面积25%的圆缺形折板用的最广泛。折流挡板间距h：h=0.2~1D（壳内径），系列标准件中采用的板间距为：固定管板式

有150、300、600mm三种，浮头式有150、200、300、480和600mm五种。5．流体滚动阻力

一般分管程、壳程两部分。一般对液体，流经换热器压降104-105Pa，对气体，压降为103-104Pa。

二．选型设计计算步骤

1．试算并初选设备规格

（1）确定流体在换热器中的滚动途径：管程及壳程。

（2）根据传热任务计算热负荷Q：Q=WhCph(T1-T2)=WcCPC(t2-t1)或Q=Wr（3）确定载热体种类，进、出口温度，根据热量衡算式计算载热体用量

（4）计算冷、热流体的定性温度，并确定定性温度下流体的物性（可列表表示）：ρ、

μ、CP、λ、r等。

（5）初算平均温度差(T-t)m，并根据温度校正系数(φΔt)不应小于0.8的原则，决定壳程数

?t1??t2(T-t)m逆=ln?t1/?t2，φ△t=f(P,R)

（6）根据实际操作状况，初选总传热系数K值。

Q（7）根据传热速率方程，初算传热面积S需，S需=K(T?t)m，按系列标准选择设备规格，并列出所选设备的基本参数（壳径、公称压强、公称面积、管程数、管子规格、管长、管子数、管子排列方法、管心距、折流挡板形式、折流板数以及折流板间距等）2．校核

（1）总传热系数K：

?A.管程αi：无相变时αi=0.023diRePrB.壳程αo：无相变1）不装折流挡板时：

以当量直径de代替管内径di，注意de为滚动当量直径2）装折流挡板：若为25%圆缺形挡板

0.8

n

?Nu=0.36Re

0.55

Pr

1/3

(??)?0.14

?deu0?CP??或αo=0.36de(应用范围：

)0.55(?)1/3(??)0.14

a)定性温度：除??取壁温外，其他均取流体进、出温度的算术平均值。

36

b)Re=2×10~1×10c)当量直径de：

4(t2若管子为正方形排列，则de=

4(4?d032t2??d0)2

??4d0)2?d0若管子为正三角形排列，则de=式中，t——相邻两管中心距，m；do——管外径，md)uo=v/Ao,Ao=HD(1-do/t)

式中，Ao为流体流过管间最大截面积,m2；，H为折板间距，m；D为换热器外壳内

径，m。

e)(μ/μω)0.14近似值：对气体，可取1.0，对液体被加热时，取1.05，对液体被冷却时，

取0.95。

3)壳程为蒸汽冷凝时（有相变），则管间不能装折流挡板，其对流传热系数α0按蒸汽冷凝传热系数关联式计算。a)确定管程，壳程污垢热阻Rsi及Rso

1d0di?dm?0b)Ko核=?idi（2）平均温度差：

根据所选换热器结构，计算温差校正系数φΔt

?RSid0?bd0?RSO?1(T-t)m=(T-t)m逆φ

（3）传热面积S校

QS

Δt

?T?t)m=KO校（

（4）比较与S校和S设备

若S设备/S校=1.10~1.15，则初选换热适合。否则需要另设K值，重复以上计算。

3．流体力学计算：包括管程和壳程（1）管程流体阻力∑ΔPi：∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FTNSNP

校

?

l?uidi22式中，ΔP1直管阻力的压强降,Pa，ΔP1=

2,Pa

22，PaΔP2回弯管的压强降,Pa，ΔP2=

2.5mm，Ft=1.4，Φ19×2mm，Ft=1.5Ft-结垢校正系数，Φ25×

NP,NS-管程数，壳程数（或串联换热器个数）（2）壳程流体阻力∑ΔPO

①无相变时，∑ΔPO=(ΔP1/+ΔP2/)FS·NS

式中，FS壳程压降结垢校正因数，液体：FS=1.15；气体：FS=1.0NS壳程数

ΔP1/流体横过管束的压降，Pa，

??ui?3?ui2?u0/

2ΔP1=F·f0nc(NB+1)2,Pa

式中，F管子排列对压降校正因数，正三角形排列：F=0.5；正方形错列：F=0.4；

正方形直列：F=0.3f0壳程流体磨擦系数，Re0>500:

f0?5.0Re?0.228

nc横过管束中心线的管子数，正三角形排列：nc=1.1n;正方形排列

nc=1.19n;n为总管数.

NB折流挡板数