管壳式换热器的设计与选型

化学工业出版社在线教育平台

模块二传热化学工业出版社·数字出版中心01任务一认识换热器的结构02任务二认识换热装置的换热方式03任务三认识传热的基本方式及换热流体04任务四计算传热的过程速率05任务五计算间壁换热器的传热速率0607任务六计算间壁换热器的壁温

任务七管壳式换热器的设计与选型任务八换热器的操作与维护0807任务七管壳式换热器的设计与选型

子任务1列管换热器工艺设计

一、冷、热流体流动通道的选择

在列管式换热器内，冷、热流体流动通道可根据以下原则进行选择：（1）不洁净和易结垢的液体宜走容易清洗的一侧。固定管板式换热器应走管程，U型管换热器应该走壳程；（2）腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；（3）压强高的流体宜走管内，以免壳体承受压力；（4）饱和蒸气宜走壳程，因饱和蒸汽比较清净，对流传热系数与流速无关而且冷凝液容易排出；07任务七管壳式换热器的设计与选型

（5）被冷却的流体宜走壳程，便于散热；（6）若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将对流传热系数大的流体通入壳程，可减少热应力；（7）有毒流体宜走管程，可以减少流体泄露；（8）流量小而粘度大的流体一般以走壳程为宜，因在壳程Re＞100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而能得到更高的对流传热系数。

以上各点不可能同时满足，有时会产生矛盾，因此需根据具体情况而作恰当的选择。07任务七管壳式换热器的设计与选型

二、流体进出口温度的确定

选定热源或冷源时，通常进口温度已知，其出口温度需要设计者选择。若换热器中的两侧介质均为工艺流体，一般高温端的温度差不宜小于20℃，低温端温差不宜小于5℃，平均温差不能小于10℃。此外冷却水的出口温度不宜高于50～60℃，这样可以避免大量结垢。在采用多管程或多壳程换热器时，冷却剂的出口温度不能高于工艺流体出口温度。07任务七管壳式换热器的设计与选型

三、流体流动方向的选择

一般情况下，应该采用逆流操作，以便使平均传热温度差增大。但是，对某些流体的温度有限制的情况下，为防止热流体的出口温度过低或冷流体的出口温度过高，应该采用并流操作。

例如：当冷流体是热敏性流体时，因温度过高而影响产品质量，所以采取并流时，就可以将其出口温度控制在热流体的出口温度以下，但是逆流时只能将其温度控制在热流体进口温度以下，而不一定达控制在热流体出口温度以下。07任务七管壳式换热器的设计与选型

除了纯并流和纯逆流以外，也可以将冷、热流体在换热器内做多管程或多壳程的复杂折流流动。流量一定，管程或壳程越多，换热器的总传热系数越大，但是流体流动的阻力增加，平均传热温度差也会一定程度上变小，所以，应该综合考虑。07任务七管壳式换热器的设计与选型

四、管、壳程流体流速的选择

增加流速不但可加大对流传热系数，而且能降低污垢热阻，从而使总传热系数加大。但增加流速后，流体流动阻力增大，动力消耗增多，此外还要从结构上考虑对传热的影响。列管换热器中常用的流速范围在下表中列出。一般管内、管外流体都要避免出现层流流动状态。07任务七管壳式换热器的设计与选型

07任务七管壳式换热器的设计与选型

五、流体阻力的计算

流体阻力越大，动力消耗越高。过换热器的阻力分为管程阻力和壳程阻力，应分别进行估算。1、管程流体阻力（压力降）的计算

对于多程换热器，其总阻力等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。一般进、出口阻力可忽略不计，故管程总阻力的计算式为：

07任务七管壳式换热器的设计与选型

直管压强降：回弯管压强降：

07任务七管壳式换热器的设计与选型

2、壳程流体阻力（压力降）的计算

由于流体的流动状况比较复杂，因此不同公式计算得到的结果相差很多。下面公式是一个较简单的计算公式：07任务七管壳式换热器的设计与选型

管子正方形排列时：管子正三角形排列时：——相邻两管中心距——外径m。——壳一侧流体的流速，根据流体流过的最大面积计算07任务七管壳式换热器的设计与选型

某生产过程中，用循环冷却水将某油品由140℃冷却到40℃。循环水的入口温度为30℃，出口温度为40℃，流量为32353kg/h。换热过程拟采用一列单管程列管式换热器，试完成下列任务：（1）确定流体流动空间，并选择流体流动方向；（2）选择流体流动速度；（3）若采用φ25×2.5mm的换热管，根据选择流速的大小估计管子数。已知：油品物性：黏度为0.000715Pa.s，密度为825kg/m3，比热容循环水物性：黏度为0.000725Pa.s,密度为994kg/m3，比热容

07任务七管壳式换热器的设计与选型

解：（1）由于循环水容易结垢，为便于清洗，应使循环水走管程，油走壳程。在变温传热过程中，由于逆流平均传热温度差较大，所以应采用逆流操作；（2）管程内循环水的黏度0.000725Pa.s＜0.001Pa.s