夹套容器液体换热与夹套传热设计计算书（Excel自动计算版）

夹套传热设计计算,,,,,,,,,

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、基础几何参数设计,,,,,,,,,

1,容器内筒公称直径,DNi,设计值,,mm,1200,根据工艺要求及容积确定的容器内直径,GB/T9019-2015,常用标准直径系列

2,容器内筒计算直径,Di,计算值,DNi,mm,1200.00,扣除壁厚后的内筒内径，此处取公称直径近似计算,GB150.3-2011,当壁厚远小于直径时近似成立

3,容器直筒段长度,L,设计值,,mm,1500,根据工艺容积要求确定的筒体直段长度,HG/T20569-2013,满足装料系数要求

4,下封头类型,-,选用值,,-,椭圆形封头,采用标准椭圆形封头，曲面深度hi=Di/4,GB/T25198-2010,承压能力好，制造方便

5,下封头曲面深度,hi,查表值,Di/4,mm,300.00,标准椭圆形封头的曲面深度,GB/T25198-2010,长短轴比值为2

6,下封头直边高度,h0,选用值,,mm,40,标准封头直边高度，根据壁厚选取,GB/T25198-2010,避免焊缝位于转角处

7,内筒名义壁厚,δn,设计值,,mm,10,根据强度计算初选的内筒壁厚,GB150.3-2011,含钢板负偏差与腐蚀裕量

8,钢板负偏差,C1,查表值,,mm,0.3,根据钢板厚度查表得到的厚度负偏差,GB709-2019,GB/T709B类偏差

9,腐蚀裕量,C2,设计值,,mm,1.5,根据介质腐蚀性确定的腐蚀裕量,GB150.1-20114.3.6,两侧腐蚀裕量之和

10,内筒有效壁厚,δe,计算值,δn-C1-C2,mm,8.20,扣除附加量后的有效承压壁厚,GB150.3-2011,用于强度校核

11,夹套筒体公称直径,DNj,设计值,,mm,1300,夹套筒体直径，比内筒大100mm形成夹套间隙,HG/T20569-2013,夹套间隙一般取50~100mm

12,夹套筒体计算直径,Dj,计算值,DNj,mm,1300.00,夹套筒体内径,GB150.3-2011,夹套间隙为(Dj-Di)/2=50mm

13,夹套名义壁厚,δnj,设计值,,mm,8,夹套筒体名义壁厚,GB150.3-2011,夹套设计压力低于内筒

14,夹套有效壁厚,δej,计算值,δnj-C1-C2,mm,6.20,夹套筒体有效壁厚,GB150.3-2011,

15,夹套覆盖直筒段长度,Lj,设计值,,mm,1400,夹套覆盖的筒体直段长度，从下封头切线起算,工艺设计要求,保证足够换热面积

16,夹套是否覆盖下封头,-,选用值,,-,是,下封头处设置夹套，增加换热面积,HG/T20569-2013,底部进料时强化传热

17,夹套间隙宽度,b,计算值,(Dj-Di)/2,mm,50.00,夹套环隙宽度，影响介质流速,《化工设备设计全书》,50mm间隙满足蒸汽流速要求

18,夹套进口接管公称直径,DNin,设计值,,mm,80,加热介质进口接管直径,HG/T20570.12-1995,根据流量与流速确定

19,夹套出口接管公称直径,DNout,设计值,,mm,80,冷凝水出口接管直径,HG/T20570.12-1995,与进口同径便于布置

20,蒸汽进口数量,Nin,设计值,,个,2,切向进入夹套的蒸汽进口数量,换热器设计手册,对称布置减少流动死区

21,冷凝水出口数量,Nout,设计值,,个,1,夹套最低点设置冷凝水出口,换热器设计手册,设置在最低处便于排液

22,内筒外壁表面积（直段）,Ais,计算值,π·Di·Lj,m²,5.28,夹套覆盖的内筒直段外壁面积,传热学公式,换热面积基准面取筒体外壁

23,下封头外表面积,Aih,计算值,1.084·Di²,m²,1.56,标准椭圆形封头外表面积近似值,GB/T25198-2010,近似公式误差小于2%

24,总理论换热面积,Ath,计算值,Ais+Aih,m²,6.84,夹套覆盖的总换热面积,GB151-2014,包含直段与封头面积

二、工艺参数与物性数据,,,,,,,,,

25,容器内工作压力,Pi,设计值,,MPa,0.3,容器内正常工作压力（表压）,工艺设计条件,最高工作压力

26,夹套内工作压力,Pj,设计值,,MPa,0.3,夹套内蒸汽工作压力（表压）,工艺设计条件,饱和蒸汽压力对应温度

27,容器内设计压力,Pc,设计值,,MPa,0.6,容器内设计压力，取最高工作压力的1.05~1.1倍,GB150.1-2011,不小于安全阀开启压力

28,夹套内设计压力,Pjc,设计值,,MPa,0.4,夹套设计压力,GB150.1-2011,

29,容器内介质初始温度,T1,设计值,,℃,20,加热开始时容器内介质温度,工艺要求,常温进料

30,容器内介质终了温度,T2,设计值,,℃,120,加热结束时容器内介质需要达到的温度,工艺要求,反应温度

31,夹套内蒸汽温度,Ts,查表值,,℃,143.6,0.3MPa表压饱和蒸汽对应的温度,饱和水蒸气表,绝对压力0.4MPa对应温度

32,对数平均温差,ΔTm,计算值,((Ts-T1)-(Ts-T2))/ln((Ts-T1)/(Ts-T2)),℃,60.39,加热过程对数平均温差,GB151-2014附录F,恒温蒸汽对变温介质

33,容器内介质定性温度,Tm,计算值,(T1+T2)/2,℃,70.00,膜温，用于查取物性参数,传热学,进出口温度算术平均值

34,容器内介质密度,ρi,查表值,,kg/m³,950,定性温度下工艺液体的密度,化工物性手册,近似水溶液物性

35,容器内介质定压比热容,cpi,查表值,,J/(kg·K),4200,定性温度下介质的定压比热容,化工物性手册,接近水的比热

36,容器内介质动力粘度,μi,查表值,,Pa·s,0.0004,定性温度下介质的动力粘度,化工物性手册,70℃时粘度

37,容器内介质导热系数,λi,查表值,,W/(m·K),0.65,定性温度下介质的导热系数,化工物性手册,

38,容器内装料系数,φ,选用值,,-,0.8,容器内介质充装系数,HG/T20569-2013,防止加热溢出

39,容器全容积,Vtotal,计算值,π·Di²·L/4+π·Di³/24,m³,1.92,筒体容积加下封头容积,容器容积计算公式,椭圆形封头容积公式

40,容器内介质质量,m,计算值,ρi·Vtotal·φ,kg,1461.22,实际参与换热的介质质量,质量体积关系,

41,加热时间要求,t,设计值,,s,1800,工艺要求的加热时间，30min换算为秒,工艺设计条件,30min=1800s

42,蒸汽冷凝潜热,r,查表值,,J/kg,2133000,0.3MPa表压下饱和蒸汽的冷凝潜热,饱和水蒸气表,143.6℃时汽化潜热

43,冷凝水密度,ρc,查表值,,kg/m³,922,饱和温度下冷凝水的密度,饱和水物性表,

44,冷凝水动力粘度,μc,查表值,,Pa·s,0.0002,饱和温度下冷凝水粘度,水的物性表,

45,钢材导热系数,λw,查表值,,W/(m·K),45,碳钢在设计温度下的导热系数,金属材料物性手册,Q345R/Q245R平均值

46,内筒外壁污垢热阻,Rsi,查表值,,m²·K/W,0.0002,工艺介质侧的污垢热阻,GB151-2014附录E,一般水质，轻度结垢

47,夹套内壁污垢热阻,Rso,查表值,,m²·K/W,0.0001,蒸汽侧的污垢热阻,GB151-2014附录E,洁净蒸汽污垢很小

48,重力加速度,g,常数,,m/s²,9.81,重力加速度标准值,物理学常数,

三、热负荷计算,,,,,,,,,

49,介质升温吸收的显热,Qs,计算值,m·cpi·(T2-T1)/t,W,340950.77,单位时间内介质升温所需热量,热量计算公式,Q=cmΔT/t

50,容器壁升温吸收热量,Qw,计算值,估算为Qs的10%,W,34095.08,筒体与封头金属升温所需热量，工程估算为显热的5%~15%,《化工容器设计》,加热初期金属壁耗热，取10%

51,容器表面散热量,Qloss,计算值,估算为Qs的5%,W,17047.54,容器外表面向环境散热量，估算为显热的3%~8%,传热学估算,保温良好时取低值，取5%

52,总热负荷,Qtotal,计算值,Qs+Qw+Qloss,W,392093.38,设计所需总热负荷，包含各项热损失,GB151-2014,各项热量之和

53,蒸汽消耗量,ms,计算值,Qtotal/r,kg/s,0.18,单位时间所需蒸汽质量流量,热量衡算,蒸汽冷凝放出潜热

54,蒸汽消耗量（小时）,msh,计算值,ms·3600,kg/h,661.76,换算为小时流量便于工程选型,单位换算,

55,冷凝水体积流量,Vc,计算值,ms/ρc,m³/s,0.00,冷凝水生成的体积流量,质量体积关系,

56,热负荷裕度系数,β,选用值,,-,1.2,热负荷设计裕度，取1.15~1.25,换热器设计规范,考虑操作波动与结垢影响，取1.2

57,设计热负荷,Qd,计算值,β·Qtotal,W,470512.06,含裕度的设计热负荷，用于后续传热计算,GB151-2014,保证极端工况下换热能力

四、夹套侧对流传热系数计算,,,,,,,,,

58,夹套环隙流通截面积,Aj,计算值,π·(Dj/2+Di/2)·b,m²,0.20,夹套环隙的横截面积,环形通道面积计算,平均周长乘以间隙宽度

59,夹套内蒸汽比容,vs,查表值,,m³/kg,0.462,0.3MPa表压饱和蒸汽比容,饱和水蒸气表,

60,蒸汽入口体积流量,Vs,计算值,ms·vs,m³/s,0.08,蒸汽进入夹套时的体积流量,质量体积关系,

61,夹套内蒸汽流速,us,计算值,Vs/(Nin·Aj),m/s,0.22,蒸汽在夹套环隙内的流速,流速定义,切向进口产生螺旋流动

62,蒸汽冷凝对流传热系数,αo,选用值,,W/(m²·K),8000,饱和蒸汽膜状冷凝对流传热系数经验值,传热学教材,膜状冷凝α=5000~15000，取8000

63,冷凝液膜雷诺数,Rec,计算值,4·ms/(π·(Di+Dj)/2·μc),-,298.00,冷凝液膜流动状态判断,冷凝传热公式,Rec<1800为层流

64,冷凝流态判断,-,判断值,"IF(Rec<1800,""层流"",""湍流"")",-,层流,判断冷凝液膜流动状态,传热学,层流采用Nusselt公式

65,冷凝传热系数校核值,αo_cal,计算值,0.729·(g·ρc²·λc³·r/(μc·ΔT·Do))^0.25,W/(m²·K),8500,采用Nusselt层流膜状冷凝公式计算值,传热学第四版,与经验值接近，取保守值8000

66,夹套侧对流传热系数最终取值,αo_final,选用值,,W/(m²·K),8000.00,取经验值与计算值的较小值，偏安全,换热器设计手册,保守取值

五、容器内侧对流传热系数计算,,,,,,,,,

67,搅拌器类型,-,选用值,,-,桨式搅拌器,选用平直叶桨式搅拌器，适用中低粘度流体,搅拌设备设计,常用搅拌型式

68,搅拌器直径,d,设计值,,mm,800,搅拌叶轮直径，一般取筒体内径的1/3~2/3,HG/T20569-2013,取Di的2/3

69,搅拌器转速,n,设计值,,r/s,1,搅拌器转速，60r/min换算为r/s,工艺设计条件,60转/分钟

70,搅拌雷诺数,Rej,计算值,ρi·n·d²/μi,-,1520000.00,搅拌槽内流体流动雷诺数，判断流态,搅拌与混合设备设计,Re>10^4为湍流

71,搅拌流态判断,-,判断值,"IF(Rej>10000,""湍流"",IF(Rej>100,""过渡流"",""层流""))",-,湍流,判断搅拌槽内流动状态,搅拌与混合设备设计,湍流时对流传热系数高

72,搅拌普朗特数,Pr,计算值,cpi·μi/λi,-,2.58,流体普朗特数，反映动量扩散与热量扩散比值,传热学,

73,搅拌努塞尔特数,Nuj,计算值,0.36·Rej^0.67·Pr^0.33·(μi/μw)^0.14,-,6826.98,搅拌槽对流传热关联式，桨式搅拌器,传热学手册,釜壁粘度修正项μi/μw近似取1

74,容器内侧对流传热系数,αi,计算值,Nuj·λi/d,W/(m²·K),5546.92,搅拌槽内壁对流传热系数,搅拌传热关联式,湍流搅拌αi=500~1500

75,自然对流影响修正,-,选用值,,-,1.1,考虑夹套加热时自然对流对对流传热的强化,传热学,自然对流使传热系数提高约10%

76,内侧对流传热系数最终值,αi_final,计算值,αi·修正系数,W/(m²·K),6101.61,修正后的内壁对流传热系数,换热器设计手册,

六、总传热系数计算,,,,,,,,,

77,内筒外壁直径,Do,计算值,Di+2·δn,m,1.22,内筒筒体外径，作为传热面积基准直径,GB151-2014,以外壁面积为基准

78,内筒内壁直径,Di_wall,计算值,Di,m,1.20,内筒筒体内径,,

79,筒壁导热热阻,Rw,计算值,Do·ln(Do/Di_wall)/(2·λw),m²·K/W,0.00,通过筒壁的导热热阻,圆筒壁导热公式,平壁近似误差较大，采用圆筒壁公式

80,内侧对流传热热阻（以外壁为基准）,Ri,计算值,Do/(αi_final·Di_wall),m²·K/W,0.00,内壁对流传热热阻，换算到外壁基准,传热面积基准换算,热阻与面积成反比

81,外侧对流传热热阻,Ro,计算值,1/αo_final,m²·K/W,0.00,外壁蒸汽冷凝热阻,热阻定义,外侧即为基准面

82,内侧污垢热阻（换算到外壁）,Rsi_o,计算值,Rsi·Do/Di_wall,m²·K/W,0.00,内壁污垢热阻换算到外壁基准,传热面积基准换算,

83,总热阻（以外壁为基准）,Rtotal,计算值,Ri+Rsi_o+Rw+Rso+Ro,m²·K/W,0.00,各项热阻之和，构成传热过程总热阻,传热过程热阻叠加原理,串联热阻叠加

84,计算总传热系数,Kcal,计算值,1/Rtotal,W/(m²·K),1220.97,根据总热阻计算得到的总传热系数,K=1/ΣR,

85,推荐总传热系数范围,-,查表值,,W/(m²·K),500~1000,蒸汽夹套加热液体搅拌容器K值经验范围,化工工艺设计手册,搅拌良好时取高值

86,设计采用总传热系数,Kd,选用值,,W/(m²·K),700.00,取计算值与经验值下限，偏安全设计,换热器设计规范,考虑结垢与操作波动，保守取700

87,传热系数合理性判断,-,判断值,"IF(Kd>=500,""满足"",""不满足"")",-,满足,判断设计K值是否在合理范围内,化工工艺设计手册,≥500为设计合理

七、传热面积计算与校核,,,,,,,,,

88,所需理论传热面积,Areq,计算值,Qd/(Kd·ΔTm),m²,11.13,根据传热基本方程计算所需面积,Q=KAΔTm,传热速率方程

89,实际换热面积裕度,η,计算值,(Ath-Areq)/Areq·100%,%,-38.55,实际面积相对所需面积的裕度百分比,GB151-2014,一般要求裕度15%~25%

90,面积裕度判断,-,判断值,"IF(η>=15,IF(η<=30,""满足"",""裕度过大""),""不满足"")",-,不满足,判断面积裕度是否在推荐范围内,GB151-2014,15%~30%为合适范围

91,实际换热能力校核,Qactual,计算值,Kd·Ath·ΔTm,W,289115.47,现有夹套面积实际能够提供的换热量,传热速率方程,

92,换热能力判断,-,判断值,"IF(Qactual>=Qd,""满足"",""不满足"")",-,不满足,判断实际换热能力是否大于设计热负荷,工艺设计要求,实际能力需大于设计需求

八、夹套压力降计算,,,,,,,,,

93,夹套当量直径,de,计算值,4·流通截面积/润湿周长=2b,m,0.10,环形通道的当量直径，当Di>>b时近似为2b,非圆形通道当量直径,环隙宽度b远小于直径时适用

94,蒸汽密度,ρs,查表值,,kg/m³,2.16,0.3MPa表压饱和蒸汽密度,饱和水蒸气表,1/vs

95,蒸汽流动雷诺数,Res,计算值,de·us·ρs/μs,-,3336.62,夹套内蒸汽流动雷诺数,雷诺数定义,蒸汽动力粘度近似取1.4e-5Pa·s

96,蒸汽流动摩擦系数,f,计算值,0.3164/Res^0.25（湍流）,-,0.04,布拉修斯公式，适用于光滑管湍流,流体力学,Res=3000~100000

97,夹套通道长度,Lc,计算值,Lj+π·Di/4,m,2.34,蒸汽在夹套内流动的近似长度，含封头部分,通道长度估算,螺旋流动当量长度

98,沿程摩擦阻力损失,ΔPf,计算值,f·Lc/de·ρs·us²/2,Pa,0.05,蒸汽在夹套内流动的沿程摩擦压力降,范宁公式,

99,局部阻力损失,ΔPl,计算值,Σξ·ρs·us²/2,Pa,0.12,进出口、转向等局部阻力之和,局部阻力系数法,进口0.5，出口1.0，弯头0.8

100,夹套总压力降,ΔPtotal,计算值,ΔPf+ΔPl,Pa,0.17,夹套内蒸汽侧总压力损失,阻力叠加原理,

101,压力降换算,ΔPMPa,计算值,ΔPtotal/1e6,MPa,0.00,换算为MPa单位便于比较,单位换算,

102,允许压力降,ΔPallow,设计值,,MPa,0.05,夹套侧允许压力降，一般为工作压力的5%~10%,管道设计规范,0.05MPa=0.5bar

103,压力降校核判断,-,判断值,"IF(ΔPMPa<=ΔPallow,""满足"",""不满足"")",-,满足,判断压力降是否在允许范围内,化工管道设计规范,压力降不影响蒸汽输送

九、内筒强度校核,,,,,,,,,

104,内筒材料许用应力,[σ]t,查表值,,MPa,189,Q345R在150℃下的许用应力,GB150.2-2011,厚度≤16mm时

105,焊接接头系数,φ,选用值,,-,0.85,内筒纵环向焊接接头系数，局部无损检测,GB150.1-2011,双面焊对接接头

106,内筒计算压力（内压工况）,Pc_cal,设计值,,MPa,0.60,内压工况下内筒计算压力,GB150.3-2011,内筒受内压0.6MPa

107,内压工况计算壁厚,δcal,计算值,Pc_cal·Di/(2[σ]tφ-Pc_cal),mm,2.25,内压作用下内筒所需计算壁厚,GB150.3-2011式3-1,圆筒内压壁厚公式

108,内压工况壁厚校核,-,判断值,"IF(δe>=δcal,""满足"",""不满足"")",-,满足,判断有效壁厚是否满足内压强度要求,GB150.3-2011,δe≥δcal为合格

109,夹套试压时内筒外压稳定性校核压力,Pt,设计值,,MPa,0.5,夹套液压试验时内筒承受的外压差,GB150.3-2011,夹套试验压力0.5MPa

110,内筒外压计算长度,L,计算值,,mm,2000,内筒承受外压时的计算长度，包括封头凸形部分,GB150.3-2011,两支撑线间距离

111,外压应变系数A,A,计算值,1.1/(Do/δe),-,0.01,外压圆筒应变系数，几何参数计算,GB150.3-2011图4-2,Do/δe为径比

112,外压应力系数B,B,查表值,,MPa,120,根据A值与材料查外压应力系数曲线图,GB150.3-2011图4-5,Q345R150℃

113,许用外压力,[P],计算值,B·δe/(Do·1000),MPa,0.81,内筒能够承受的许用外压力,GB150.3-2011式4-1,

114,外压稳定性校核,-,判断值,"IF([P]>=Pt,""满足"",""不满足"")",-,满足,判断夹套试压时内筒外压稳定性是否满足,GB150.3-2011,[P]≥Pt为合格，否则需设加强圈

115,内筒试验压力（内压）,Pt_i,计算值,1.25·Pc·[σ]/[σ]t,MPa,0.75,内筒液压试验压力，常温下[σ]/[σ]t≈1,GB150.1-2011,液压试验压力公式

116,试验压力下应力校核,σT,计算值,Pt_i·(Di+δe)/(2·δe·φ),MPa,65.00,试验压力下圆筒薄膜应力,GB150.1-2011,σT≤0.9ReL

117,材料屈服强度,ReL,查表值,,MPa,345,Q345R常温下屈服强度,GB713-2014,

118,试验应力校核判断,-,判断值,"IF(σT<=0.9*ReL,""满足"",""不满足"")",-,满足,试验压力下应力是否小于0.9倍屈服强度,GB150.1-2011,保证试压安全

十、夹套筒体强度校核,,,,,,,,,

119,夹套材料许用应力,[σ]jt,查表值,,MPa,147,Q245R在160℃下的许用应力,GB150.2-2011,厚度≤16mm时

120,夹套筒体计算压力,Pj_cal,设计值,,MPa,0.40,夹套内设计压力,GB150.3-2011,

121,夹套筒体计算壁厚,δjcal,计算值,Pj_cal·Dj/(2[σ]jtφ-Pj_cal),mm,2.08,夹套筒体受内压所需计算壁厚,GB150.3-2011式3-1,

122,夹套筒体壁厚校核,-,判断值,"IF(δej>=δjcal,""满足"",""不满足"")",-,满足,判断夹套有效壁厚是否满足强度要求,GB150.3-2011,

123,夹套试验压力,Pt_j,计算值,1.25·Pjc,MPa,0.50,夹套液压试验压力,GB150.1-2011,

124,夹套封闭件结构,-,选用值,,-,锥形封闭环,夹套与内筒连接采用锥形封闭环，角度45°,HG/T20569-2013,结构简单，应力分布合理

125,夹套封闭环厚度,δf,计算值,1.25·δnj,mm,10.00,封闭环厚度取夹套壁厚的1.25倍,HG/T20569-2013,保证连接强度

十一、接管与开孔补强,,,,,,,,,

126,蒸汽进口接管外径×壁厚,din×δin,选用值,,mm,89×4.5,DN80无缝钢管规格,GB/T8163-2018,φ89×4.5

127,冷凝水出口接管规格,dout×δout,选用值,,mm,89×4.5,DN80无缝钢管规格,GB/T8163-2018,与进口同规格

128,接管开孔直径,dop,计算值,din+2·C2,mm,92.00,接管在内筒上的开孔直径,GB150.3-2011,考虑腐蚀裕量

129,开孔最大直径限制,dop_max,查表值,,mm,600.00,圆筒上开孔最