第三节换热器计算方法

换热器课程设计第三节换热器计算方法换热器：在不同温度的流体间传递热能的装置称为换热器。

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述行业的通用设备，占有十分重要的地位。1、热力设计根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并进行传热计算。计算出总传热系数、传热面积2、流动设计计算压降，为换热器的辅助设备提供选择参数3、结构设计根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸4、强度设计应力计算。考虑换热器的受力情况，特别是在高温高压下换热器的受压部件应按照国家压力容器的标准设计。管壳式换热器结构管箱（封头）壳体内部结构（包括管束等）单管程固定管板换热器接管壳体管束管板封头（端盖、管箱）折流挡板管程壳程①不洁净和易结垢的液体宜在管内-清洗比较方便②腐蚀性流体宜在管内-避免壳体和管子同时腐蚀，便于清洗③压强高的流体宜在管内-免壳体受压，节省壳程金属消耗量④饱和蒸汽宜走管间-便于及时排除冷凝液⑤有毒流体宜走管内，使泄露机会较少⑥

被冷却的流体宜走管间-可利用外壳向外的散热作用⑦流量小或粘度大的液体，宜走管间-提高对流传热系数⑧若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管间-减少热应力一、流体流径的选择-冷、热流体走管程或壳程上述各点若不能同时兼顾，应视具体情况抓主要矛盾。先流体的压强、防腐蚀和清洗等要求，再校核对流传热系数和压强降。增加流速对流传热系数↑，污垢热阻↓→总传热系数↑→传热面积↓流动阻力↑和动力消耗↑还需考虑结构上：高流速→管子数目↓→较长管子或增加程数管子太长不易清洗，且管长都有一定标准；程数增加使平均温度差下降二、流体流速的选择一定传热面积常用的流速范围不同粘度液体的流速

流体种类

流速管程壳程一般流体0.5~30.2~1.5易结垢流体>1>0.5气体5~303~15液体粘度最大流速>15000.61500~5000.75500~1001.1100~351.535~11.8<12.4三、流体两端温度的确定

若冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定两端温度的问题。若其中一个流体已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如：用冷水冷却某热流体，冷却水进口温度可根据当地气温条件作出估计，出口温度需根据经济衡算来决定。为节省水量，出口温度提高，则传热面积要大些；为减少传热面积，出口温度降低，则要增加水量。一般，设计时冷却水两端温度差可取为5~10℃。1.管径应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面的流速范围目前列管式换热器系列标准中管径具有：Φ25mm×2.5mm、Φ19mm×2mm四、管子的规格和排列方法小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数稍高，但容易结垢，不易清洗，用于较清洁的流体；大直径管子用于粘性大或易结垢的流体。2.管长以清洗方便及合理使用管材为原则合理的换热器管长：1.5m、2m、3m、6m等

管子长度与公称直径之比，一般为4～6，对直径小的换热器可取大些。3.管子排列方法正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形等管板强度高；流体走短路机会少，且扰动较大，因而对流传热系数较高；相同壳程内排更多管子。便于清洗，适于壳程流体易结垢的场合；但对流传热系数较正三角形的低。介于正三角形和正方形之间。4.管间距t

管间距:两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑以下几个因素：①管板强度；②清洗管子外表面时所需要的空隙；③换热管在管板上的固定方法。通常，胀管法取t=（1.3~1.5）d0，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥6+d0

焊接法取t=1.25d0。五、管程和壳程数的确定

当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，对流系数较小。为提高管内流速，可采用多管程。

但管程数过多，管程流动阻力加大，增加动力费用；多程会使平均温度差下降；多程隔板使管板上可利用面积减少

标准中管程数有：1、2、4和6程，多程时应使每程管子数大致相等。管程数m计算：u——管程内流体的适宜流速；u’——管程内流体的实际流体。1.管程数当温差校正系数低于0.8，可采用壳方多程。

如：在壳体内安装一块与管束平行的隔板，流体在壳体内流经两次，称为两壳程。

但由于隔板在制造、安装和检修等方面都有困难，故一般不采用壳方多程的换热器，而是几个换热器串联使用2.壳程数六、折流挡板形式：作用：①提高壳程内流体的流速；②加强湍流强度；③提高传热效率；④支撑换热管。圆缺形圆盘形最常负用的搜为圆缺震形挡赶板，切去倡的弓形出高度约为五外壳毙内径柱的10跃%~陕40舟%，一销般取20鞋%~锯25提%。板间狐距过还小，渴不便确于制杨造和看维修中，阻肆力较讯大；板间馆距过塘大，溉流体腐难于误垂直系地流宪过管古束，专使对下流传蛛热系愉数下足降。两相颤邻挡免板的摧距离脸（板间抽距）h为外术壳内担径D的（0.耻2~炎1）倍夜。系列樱标准驾中，旷采用向的h（mm）值正为：固定热管板范式：15皮0,返30谋0,全60骆0；浮头练式：15福0,款20绒0,走30后0,姿48糊0和60侄0.七、调外壳旬直径闻的确臂定要求泡：壳体缓内径疯等于杏或稍拢大于和管板寨的直蓄径。单程芬管壳馋体内显径：式中:t—管心来距，m；nc—横过蔽管束煤中心袖线的灰管数使；b’—管束少中心硬线上农最外落层管源的中牙心至柴壳体妈内壁排的距铸离.——管板利用率多管丧程壳裕体内首径：N——排列歉管子席数目章；t—管心叉距正三跳角形西排列——册2管程岂：0.歌7-理0.换85；>4管程为：0.讽6-驾0.狂8正方旷形排北列——维2管程戏：0.改55牌-0意.7宵;>4管程歼：0.华45泥-0懒.6迹5计算他得到券的壳赔内径坊应圆晃整。壳体榨标准运尺寸壳体外径/mm325400500600700800900100011001200最小壁厚/mm8101214八、像主要途附件1.封头方形袭：用捏于直端径小统的壳盼体（<4帆00陕mm）；圆形银：用蓬于大徐直径港的壳坊体。2.缓冲挺挡板为防焦止壳息程流蚁体进柏入换壮热器晓时对绞管束悦的冲罗击，块可在最进料享管口复装设钓缓冲渗挡板3.导流酿筒壳程轰流体撒的进钓、出饮口与分管板慌间存象在一洲段流谦体不迫能流寸动的蛛空间窃（死殖角）社，为狠了提音高传估热效殿果，米常在稀管束惧外增后设导批流筒牌。4.放气剂孔、迟排液雀孔壳体姿上常裤安有严放气盏孔和嫁排液坏孔，小排出成不冷岸凝气沉体和译冷凝状液等猾。5.接管换热愤器中锻流体宁进、虹出口芬的接侵管直崭径按领下式僚计算泡，即Vs—赛—流体啊的体砍积流加量，u——流体览在接未管中赚的流腐速流速u的经皂验值于可取券为：对液浑体u=1牢.5期~2红m/示s；对草蒸气u=2创0~誓50笑m/谅s；对气宏体u=（0.棒15缸~0粥.2）p/ρ(p为压展强，kP璃a；ρ为气朽体密肆度)。九、饶材料易选用材料贩应根毒据操叹作压狐力、盲温度闻及流光体的膏腐蚀意性等酬来选灵用。目前盯常用育的金觉属材对料有湿：碳宝钢、农不锈径钢、康低合懒金钢微、铜侦和铝翅等。非金助属材爸料有纽奉：石寒墨、和聚四利氟乙睁烯和锁玻璃磁等。十、桃流体销流动雷阻力挠（压挖强降库）的忘计算1.管程支流动层阻力总阻缸力等采于各云程直佣管阻霉力、调回弯陈阻力届及进女、出膛口之肿和。宽一般筋进、意出口套阻力素可忽至略不钢计，鲁管程爽总阻竿力的恨计算秒式为栋：2.壳程请流动蛇阻力用埃过索法球计算伯壳程假压强渐降，赞即液体虚流经则换热鲁器的北压强筹降为10脏~1谦00练kP搭a，气恼体为1~炸10奏kP粉a。设计怎步骤1、试啊算并安初选摘设备上规格①确定叔流体即在换顷热器圆中流究动途出径。②农根据漂传热亡任务候计算用热负辈荷Q。③票确定睛流体鸟在换伏热器鸣两端林的温鞠度，阴选择抽列管伏换热劝器的元形式党；计脸算定失性温挨度，研并确那定在肝定性抢温度愚下的惰流体姐物性稿。④成计算供平均鞭温差插，并角根据夕温度仿差校均正系滴数不绕应小鸦于0.避8的原胃则，纷决定佛壳程姥数。⑤胖依据畜总传尾热系扇数的撒经验摩值范致围，鲜或按往生产伟实际交情况号，选圾定总竖传热珍系数K值。⑥昂由传储热速跪率方赚程，农初步慰算出欲传热顾面积摇，并抹确定索换热肺器的悬基本鹿尺寸逮。2、计蜜算管蝴程、箱壳程签压强趣降根据愁初定煤的设题备规方格，蝇计算猪管程产、壳互程流每体的伙流速缠和压已强降会。验爪算结错果是存否满抄足工伟艺要厚求。铃若压绵强降跌不符亩合要与求，菠要调概整流酱速，判再确抚定管嚷程数闲或折景流板口间距喂，或旧选择螺另一翼规格测的换陕热器锋，重献新计经算压绿强降净直至舅满足粱要求留。3、核框算总刊传热匀系数计算购管程描、壳敬程对袋流传剃热系岩数，枣确定意污垢僻热阻热，再染计算拉总传亮热系俱数K’，比亲较K的初铃设值水和计谨算值触，若K’浙/K欣=1高.1火5~场1.迹25，则杰初选诱的换阵热器其合适眯。否血则需警另设K值，寨重复圆以上笑计算朗步骤交。设计吴任务食书将60苦00妇kg疫/h的植返物油蔑从14嫂0℃冷却笑到40玩℃，井部水进絮、出您口温估度分如别为20薄℃和40锅℃。要麦求换拢热器盆的管考程和钞壳程奥压强便降均密不大艇于35夕kP觉a。实例工艺攀设计评计算一、枯确定哑设计际方案1．选蚂择换及热器奸的类馒型两流放体的喇变化宋情况杏：热上流体释进口愁温度14盼0℃，出考口温剖度40℃；冷流斩体进观口温歉度20℃，出漫口温页度40℃。考虑纯冷热泉流体沿间温世差大馋于50℃，初瓣步确锣定选授用浮江头式猪换热载器。2．流注程安揉排与植猾物油贱相比液，井馋水易文于结漫垢，菌如果晌其流酸速太孔小，翼会加贡快污昌垢增雹长速朴度使初换热炭器传份热速槐率下帐降。刘植物造油被警冷却尊，走即壳程院便于咐散热遗。因盖此，蜡冷却溉水走翅管程碗，植队物油池走壳右程。二、震确定声物性盏数据对于秃粘度稻低的翠流体狗，其吼定性衣温度您可取音流体专进出气口温定度的网平均服值。枣所以给，壳程煎流体杨的定雀性温语度为棒：管程闸流体缘瑞的定恼性温川度为乏：定性饲温度炊下，毫管程愉流体(井水)、壳场程流授体（叠植物辰油）尽有关批物性饱参数精由《主要鸡物性映参数谈表》得出恶。2．物古性参稠数1．定吓性温闸度主要残物性脖参数虑表介质性质密度kg/m3比热kJ//(kg·℃)粘度Pa·s热导率W/(m·℃)植物油热流体9502.2610.742×10-30.172井水冷流体995.74.1740.801×10-3

0.618三、贞估算快传热渐面积1.热流若量2.平均娃传热锁温差吐先房诚按照鸽逆流志计算藏，得3.传热墙面积由于腐壳程良植物疗油的扁压力绝较高该，故差可选斥取较兼大的K值。痕假设K=路39打5W毕/忠(m2·℃)则估倚算的乐传热亿面积滔为：考虑暂到外注界因珍素的培影响购，根片据经谦验取添实际耻传热呼面积研为估吴算值闲的1.袭15倍，钉则实订际传伪热面伏积为购：4.井水积用量四、冰工艺朋结构荣尺寸1.管径登和管渐内流珠速选用Φ2贤5×挠2.亏5较高英级冷杆拔传抽热管渴（碳俱钢）刃，取魔管内嚷流速u1=0饼.7犁5m脸/s。2.管程元数和查传热软管数依据牲传热惠管内财径和博流速浑确定龟单程柏传热下管数晃：按单脏程管色设计句，传堤热管分过长博，宜控采用程多管次程结神构。告根据仆本设行计实胆际情拣况，逐采用粗标准廉管设牵计，枝现取猫传热版管长L=滥8m，则桥该换紧热器偏的管霞程数组为：传热甘管总笼根数属：n=者20痰×2亿=4帮0（根淘）按单宪程管族计算危，所业需的钩传热便管长佩度为爱：3.平均筒传热赠温差竖校正饱及壳解程数平均叠温差聚校正棍系数摸：按单伞壳程且，双移管程抓结构姿，查嫁图得皇：平均择传热扩温差由于剂平均肺传热姨温差欠校正良系数天大于0.肥8，同斤时壳极程流炉体流皆量较秃大，递故取靠单壳骨程合从适。4.传热抬管排范列和口分程允方法采用蹦正方育形错勇列。尾取管头心距t=财1.叼25窄d0，则t=柿1.辞25鸟×2虹5=淋31带.2黑5≈溜32哭mm隔板驳中心虾到离墙其最简近一序排管客中心浙距离吹：S=普t/案2+界6=骂32垄/2量+6欠=2皮2m矿m各程择相邻猾管的圣管心冒距为钳：22热×2郑=4咐4m痒m5.壳体抹内径采用讽多管萝程结扩构，仁取管丸板利级用率η=0非.8叫5，则杯壳体痒内径逢为：圆整重可取D=最30后0m爽m6.折流悠板采用背弓形愚折流烂板,取弓妹形之缘瑞流板陷圆缺均高度熔为壳棚体内沫径的25层%，则结切去歼的圆印缺高催度为缠：H=腥0.胶25遇×3津00肃=7完5m取折卡流板没间距h=丛0.美3D，则h=守0.常3×水30到0=盒90标mm故可互取h=蒸10滨0m瓶m折流花板数叛目：7.其他毒附件拉杆炎数量解与直挽径按膏表选干取，享本换普热器岗壳体府内径警为30扶0m房诚m，故晋：拉数杆直裁径为Ф1员2，拉睬杆数硬量不尸得少涝于4。8.接管壳程灵流体幸进出肯口接闻管：取接骡管内徐流体稍流速馋为u1=2赛m/扮s，则辉接管分内径擦为管程遭流体叠进出善口接篇管：取接狂管内姿液体痛流速u2=2郑.5尝m/臂