管壳式换热器液体传热与污垢系数设计计算书

管壳式换热器液体传热与污垢系数设计计算,,,,,,,,,

序号,计算项目,符号表示,参数来源,计算公式,国际单位,计算结果,参数说明,规范依据,其他说明

一、基础工艺参数,,,,,,,,,

1,热流体质量流量,m_h,设计值,给定工艺参数,kg/s,12.50,热流体在管程或壳程的质量流量，根据工艺物料衡算确定,GB151-2014第3.6节,示例值：冷却水-油换热，热油流量

2,冷流体质量流量,m_c,设计值,给定工艺参数,kg/s,25.00,冷流体在管程或壳程的质量流量，根据工艺物料衡算确定,GB151-2014第3.6节,示例值：冷却水流量

3,热流体进口温度,T_h_in,设计值,给定工艺参数,℃,90.00,热流体进入换热器的温度,GB151-2014第3.6节,热油进口温度

4,热流体出口温度,T_h_out,设计值,给定工艺参数,℃,50.00,热流体离开换热器的温度，由工艺要求确定,GB151-2014第3.6节,热油出口温度

5,冷流体进口温度,T_c_in,设计值,给定工艺参数,℃,25.00,冷流体进入换热器的温度,GB151-2014第3.6节,冷却水进口温度

6,热流体定压比热容,c_ph,查表值,根据定性温度查物性表,J/(kg·K),2100.00,热流体在平均温度下的定压比热容，油类典型值,热交换器原理与设计附录,可根据实际介质调整

7,冷流体定压比热容,c_pc,查表值,根据定性温度查物性表,J/(kg·K),4180.00,冷流体在平均温度下的定压比热容，水的典型值,热交换器原理与设计附录,常温下水取值

8,热负荷,Q,计算值,Q=m_h*c_ph*(T_h_in-T_h_out),W,1050000.00,换热器单位时间传递的热量，热流体放出的热量,GB151-2014第3.6.1条,热平衡计算结果

9,冷流体出口温度,T_c_out,计算值,T_c_out=T_c_in+Q/(m_c*c_pc),℃,35.05,由热平衡方程计算得出,化工原理上册第2章,自动计算

10,热流体平均温度,T_h_avg,计算值,T_h_avg=(T_h_in+T_h_out)/2,℃,70.00,热流体进出口温度算术平均值，作为定性温度,化工原理上册第2章,用于查取物性参数

11,冷流体平均温度,T_c_avg,计算值,T_c_avg=(T_c_in+T_c_out)/2,℃,30.02,冷流体进出口温度算术平均值，作为定性温度,化工原理上册第2章,用于查取物性参数

12,热流体密度,ρ_h,查表值,根据定性温度查物性表,kg/m³,850.00,热流体在平均温度下的密度，油类典型值,热交换器原理与设计附录,可根据实际介质调整

13,冷流体密度,ρ_c,查表值,根据定性温度查物性表,kg/m³,995.00,冷流体在平均温度下的密度，水的典型值,热交换器原理与设计附录,常温下水取值

14,热流体导热系数,λ_h,查表值,根据定性温度查物性表,W/(m·K),0.14,热流体在平均温度下的导热系数，油类典型值,热交换器原理与设计附录,可根据实际介质调整

15,冷流体导热系数,λ_c,查表值,根据定性温度查物性表,W/(m·K),0.62,冷流体在平均温度下的导热系数，水的典型值,热交换器原理与设计附录,常温下水取值

16,热流体动力粘度,μ_h,查表值,根据定性温度查物性表,Pa·s,0.01,热流体在平均温度下的动力粘度，油类典型值,热交换器原理与设计附录,可根据实际介质调整

17,冷流体动力粘度,μ_c,查表值,根据定性温度查物性表,Pa·s,0.00,冷流体在平均温度下的动力粘度，水的典型值,热交换器原理与设计附录,常温下水取值

18,热流体普朗特数,Pr_h,计算值,Pr_h=c_ph*μ_h/λ_h,,75.00,反映流体动量传递与热量传递的相对大小,化工原理上册第2章,无量纲数

19,冷流体普朗特数,Pr_c,计算值,Pr_c=c_pc*μ_c/λ_c,,5.39,反映流体动量传递与热量传递的相对大小,化工原理上册第2章,无量纲数

二、对数平均温差与温差修正,,,,,,,,,

20,逆流大端温差,Δt1,计算值,Δt1=T_h_in-T_c_out,℃,54.95,逆流布置时热流体进口与冷流体出口的温差,化工原理上册第2章,

21,逆流小端温差,Δt2,计算值,Δt2=T_h_out-T_c_in,℃,25.00,逆流布置时热流体出口与冷流体进口的温差,化工原理上册第2章,

22,对数平均温差（逆流）,Δt_m_counter,计算值,Δt_m_counter=(Δt1-Δt2)/LN(Δt1/Δt2),℃,38.03,逆流流动下的对数平均温差,GB151-2014第3.7节,对数平均

23,P值（温度效率）,P,计算值,P=(t2-t1)/(T1-t1),,0.15,冷流体温升与两流体进口温差之比,GB151-2014附录F,用于查温差修正系数

24,R值（热容比）,R,计算值,R=(T1-T2)/(t2-t1),,3.98,热流体温降与冷流体温升之比,GB151-2014附录F,用于查温差修正系数

25,温差修正系数,ψ,选用值,根据P、R值查图，单壳程,,0.92,壳程数为1时的温差修正系数，考虑折流影响,GB151-2014附录F,单壳程典型值，可调整

26,修正后对数平均温差,Δt_m,计算值,Δt_m=ψ*Δt_m_counter,℃,34.99,实际流动布置下的有效平均温差,GB151-2014第3.7.2条,用于传热面积计算

,温差修正系数判定,,判断值,ψ≥0.8,,满足,工程上要求ψ≥0.8，否则应调整流程布置,GB151-2014第3.7.3条,低于0.8需增加壳程数

三、换热器结构参数初选,,,,,,,,,

27,换热管外径,d_o,选用值,选用标准管径,m,0.03,常用碳钢/不锈钢换热管外径，φ25×2.5为标准规格,GB151-2014第5.3节,标准管径

28,换热管壁厚,δ_t,选用值,根据压力等级选用,m,0.00,对应φ25×2.5换热管壁厚，适用于1.6MPa以下压力,GB151-2014第5.3节,可根据压力调整

29,换热管内径,d_i,计算值,d_i=d_o-2*δ_t,m,0.02,换热管内直径，管程流通直径,GB151-2014第5.3节,自动计算

30,换热管有效长度,L,选用值,选用标准管长,m,3.00,常用标准管长，3m为常用规格,GB151-2014第5.3节,"标准管长系列：1.5,2,3,4.5,6,9m"

31,管程数,N_p,选用值,根据流速与压降要求选择,,2.00,管程流体的流程数，管程数增加可提高流速,GB151-2014第5.2节,"常用1,2,4,6管程"

32,换热管总数,N_t,选用值,根据壳径与管排列初步估算,根,196.00,φ25管在φ500壳体内正三角形排列约196根,GB151-2014第5.4节,根据壳径确定

33,管程流通截面积,A_t,计算值,A_t=(π*d_i²/4)*N_t/N_p,m²,0.03,管程流体每程的流通横截面积,热交换器原理与设计第3章,管程流速计算基础

34,壳体内径,D_s,选用值,选用标准壳体直径,m,0.50,卷制壳体常用直径，φ500为标准规格,GB151-2014第5.2节,标准壳体系列

35,折流板圆缺率,b,选用值,标准圆缺率,,0.25,折流板切去部分占壳径的比例，25%为推荐值,GB151-2014第5.9.2条,范围15%~45%

36,折流板间距,B,选用值,根据流速与压降要求,m,0.15,相邻折流板之间的距离，一般取壳径的0.2~1倍,GB151-2014第5.9.3条,推荐D_s/3~D_s

37,管心距,P_t,选用值,正三角形排列,m,0.03,相邻换热管中心距，φ25管标准管心距32mm,GB151-2014第5.4.2条,标准管心距1.25d_o

38,管束直径,D_otl,计算值,D_otl=N_t^0.5*P_t*1.1,m,0.49,管束最外层管子的外径，估算值,热交换器原理与设计第3章,用于壳程面积计算

39,壳程流通截面积,A_s,计算值,A_s=D_s*B*(P_t-d_o)/P_t,m²,0.02,壳程流体横向流过管束的流通截面积,GB151-2014第3.8.2条,壳程流速计算基础

四、管程传热系数与压降计算,,,,,,,,,

40,管程流速,u_t,计算值,u_t=m_h/(ρ_h*A_t),m/s,0.48,管程流体在管内的平均流速,GB151-2014第3.8.1条,液体推荐流速1~2.5m/s

41,管程雷诺数,Re_t,计算值,Re_t=d_i*u_t*ρ_h/μ_h,,1624.03,判断管程流动状态的无量纲数,化工原理上册第2章,>10000为湍流

,管程流态判定,,判断值,Re_t>10000为湍流,,过渡流/层流（不满足）,强制对流换热推荐湍流状态，传热系数高,热交换器原理与设计第3章,湍流为推荐流态

42,管程努塞尔数,Nu_t,计算值,Nu_t=0.023*Re_t^0.8*Pr_t^0.4*(μ/μ_w)^0.14,,50.28,Dittus-Boelter公式，加热流体取Pr指数0.4,GB151-2014附录G,μ/μ_w粘度修正取1.05

43,管程对流传热系数,h_i,计算值,h_i=Nu_t*λ_h/d_i,W/(m²·K),351.98,管程流体与管壁内侧的对流传热系数,GB151-2014第3.8.1条,自动计算

44,管程沿程摩擦系数,f_t,计算值,f_t=0.3164*Re_t^(-0.25),,0.05,布拉修斯公式，适用于光滑管湍流,热交换器原理与设计第3章,用于管程压降计算

45,管程沿程压降,ΔP_tf,计算值,ΔP_tf=4*f_t*(L/d_i)*(ρ_h*u_t²/2)*N_p,Pa,5799.47,管程流体流动过程中的沿程摩擦阻力损失,GB151-2014第3.9节,

46,管程局部压降,ΔP_tr,计算值,ΔP_tr=4*N_p*(ρ_h*u_t²/2),Pa,775.73,管程流体进出口、回弯处的局部阻力损失,GB151-2014第3.9节,

47,管程总压降,ΔP_t,计算值,ΔP_t=ΔP_tf+ΔP_tr,Pa,6575.20,管程流体总阻力损失，包括沿程与局部阻力,GB151-2014第3.9.1条,自动计算

,管程压降判定,,判断值,ΔP_t≤10^5Pa,,满足,一般液体管程压降推荐不超过0.1MPa,热交换器工程设计手册,压降过大需调整管程数或管长

五、壳程传热系数与压降计算,,,,,,,,,

48,壳程流速,u_s,计算值,u_s=m_c/(ρ_c*A_s),m/s,1.53,壳程流体横向流过管束的平均流速,GB151-2014第3.8.2条,液体推荐流速0.3~1m/s

49,壳程当量直径,d_e,计算值,d_e=(4*(P_t²/2-π*d_o²/8))/(π*d_o/2),m,0.03,正三角形排列时壳程流通当量直径,GB151-2014附录G,用于壳程Re计算

50,壳程雷诺数,Re_s,计算值,Re_s=d_e*u_s*ρ_c/μ_c,,51717.89,判断壳程流动状态的无量纲数,化工原理上册第2章,>10000为充分湍流

,壳程流态判定,,判断值,Re_s>2000为湍流,,湍流（满足）,壳程因折流板扰动，Re>2000即达湍流,热交换器原理与设计第3章,

51,折流板数,N_b,计算值,N_b=L/B-1,块,19.00,有效管长内的折流板数量,热交换器原理与设计第3章,整数取整

52,壳程努塞尔数,Nu_s,计算值,Nu_s=0.36*Re_s^0.55*Pr_s^0.33*(μ/μ_w)^0.14,,257.94,弓形折流板壳程传热关联式,GB151-2014附录G,适用于Re=2000~1e6

53,壳程对流传热系数,h_o,计算值,h_o=Nu_s*λ_c/d_e,W/(m²·K),5889.85,壳程流体与管壁外侧的对流传热系数,GB151-2014第3.8.2条,自动计算

54,壳程摩擦系数,f_s,计算值,f_s=1.72*Re_s^(-0.19),,0.22,正三角形排列管束壳程摩擦系数经验式,热交换器原理与设计第3章,用于壳程压降计算

55,壳程横流压降,ΔP_sf,计算值,ΔP_sf=f_s*(D_s/d_e)*(N_b+1)*(ρ_c*u_s²/2),Pa,94003.69,壳程流体横向流过管束的阻力损失,GB151-2014第3.9.2条,

56,壳程缺口压降,ΔP_sb,计算值,ΔP_sb=N_b*(N_b+1)*(ρ_c*u_s²/2)*0.5,Pa,221698.06,流体通过折流板缺口的阻力损失,GB151-2014第3.9.2条,经验系数0.5

57,壳程进出口压降,ΔP_sn,计算值,ΔP_sn=1.5*(ρ_c*u_s²/2),Pa,1750.25,壳程流体进出口接管处的局部阻力损失,热交换器工程设计手册,

58,壳程总压降,ΔP_s,计算值,ΔP_s=ΔP_sf+ΔP_sb+ΔP_sn,Pa,317452.00,壳程流体总阻力损失,GB151-2014第3.9.2条,自动计算

,壳程压降判定,,判断值,ΔP_s≤5*10^4Pa,,不满足,一般液体壳程压降推荐不超过0.05MPa,热交换器工程设计手册,压降过大需调整折流板间距

六、污垢热阻与总传热系数计算,,,,,,,,,

59,管程污垢热阻,R_fi,查表值,根据介质查污垢系数表,m²·K/W,0.00,冷却水污垢热阻典型值，参考GB151推荐值,GB151-2014附录H,冷却水取值范围0.0002~0.0006

60,壳程污垢热阻,R_fo,查表值,根据介质查污垢系数表,m²·K/W,0.00,油类污垢热阻典型值，参考GB151推荐值,GB151-2014附录H,油类取值范围0.0002~0.001

61,换热管导热系数,λ_w,查表值,根据管材查取,W/(m·K),45.00,碳钢管导热系数典型值，不锈钢约16W/(m·K),热交换器原理与设计附录,碳钢取值

62,管壁热阻,R_w,计算值,R_w=(d_o/(2*λ_w))*LN(d_o/d_i),m²·K/W,0.00,换热管管壁导热热阻，以外表面积为基准,化工原理上册第2章,自动计算

63,管内对流传热热阻（外基准）,R_i,计算值,R_i=d_o/(h_i*d_i),m²·K/W,0.00,管程对流传热热阻换算到管外表面基准,化工原理上册第2章,面积修正

64,管内污垢热阻（外基准）,R_fi_o,计算值,R_fi_o=R_fi*d_o/d_i,m²·K/W,0.00,管程污垢热阻换算到管外表面基准,化工原理上册第2章,面积修正

65,壳侧对流传热热阻,R_o,计算值,R_o=1/h_o,m²·K/W,0.00,壳程对流传热热阻，外表面为基准,化工原理上册第2章,

66,总热阻,R_total,计算值,R_total=R_i+R_fi_o+R_w+R_o+R_fo,m²·K/W,0.00,两侧对流、污垢与管壁热阻之和,GB151-2014第3.8.3条,串联热阻叠加

67,总传热系数（外基准）,K_o,计算值,K_o=1/R_total,W/(m²·K),216.42,基于管外表面的总传热系数,GB151-2014第3.8.3条,核心计算结果

,总传热系数校核,,判断值,K_o在200~700W/(m²·K)范围内,,合理（满足）,液-液换热总传热系数典型范围200~700,热交换器工程设计手册,超出范围需检查参数

七、传热面积计算与校核,,,,,,,,,

68,计算所需传热面积,A_calc,计算值,A_calc=Q/(K_o*Δt_m),m²,138.67,根据传热方程计算所需的理论传热面积,GB151-2014第3.6.2条,传热基本方程

69,单根换热管外表面积,A_tube,计算值,A_tube=π*d_o*L,m²,0.24,单根换热管的有效传热外表面面积,GB151-2014第5.3节,

70,实际传热面积,A_actual,计算值,A_actual=N_t*A_tube,m²,46.18,换热器实际具有的总管外传热面积,GB151-2014第3.6.2条,自动计算

71,面积裕度,η,计算值,η=(A_actual-A_calc)/A_calc*100%,%,-66.70,实际面积相对所需面积的富裕量,GB151-2014第3.10条,工程要求15%~25%

,面积裕度判定,,判断值,15%≤η≤30%,,不满足,设计规范要求面积裕度15%~25%，最小不低于10%,GB151-2014第3.10.2条,裕度过小不安全，过大不经济

八、最终设计综合判定,,,,,,,,