管壳式换热器设计和选型共29页
管壳式换热器设计和选型
（3） ）
（4） ）
（2）计算管程的压降和传热系数
a、参考表选定流速 参考表选定流速，确定管程数目，计算管程压降 参考表选定流速
l ρu 2 （ ∑ ∆pi = (∆p1 + ∆p2 )Ft N s N p = λ d + 3） 2 Ft N s N p
若管程允许压降已经有规定，可由上式计算管程数Ns. b、计算管内传热系数hi< K估则应增加管壳数，重新） 则应增加管壳数，重新） 计算。若改变管程不能同时满足h 和 计算。若改变管程不能同时满足 i> K估,和 ∑ ∆pi < ∆p允 ,则应重新估计 估(减小 ，另选一台换热器 则应重新估计K 减小 减小)， 则应重新估计 型号进行试算。 型号进行试算。
(2) BIU 600--1.6--90--6/25-2 II
封头管箱，公称直径600mm， 封头管箱，公称直径600mm，管、壳程压力均为 1.6MPa，公称换热面积90平方米 普通级冷拔换热管， 1.6MPa，公称换热面积90平方米，普通级冷拔换热管， 平方米， 外径25mm，管长6m， 管程，单壳程的U 外径25mm，管长6m，2管程，单壳程的U形管式换热 器。
⑦流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有 流量小或粘度大的流体宜走壳程， 折流挡板的壳程中流动， 折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断 改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流， 改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流，以 提高传热系数。 提高传热系数。 若两流体温差较大， ⑧若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流 体走壳程，因壁面温度与α大的流体接近， 体走壳程，因壁面温度与α大的流体接近，以减 小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。 小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。 以上原则并不是绝对的，对具体的流体来说， 以上原则并不是绝对的，对具体的流体来说， 上述原则可能是相互矛盾的。因此， 上述原则可能是相互矛盾的。因此，在选择流体 的流径时，必须根据具体的情况， 的流径时，必须根据具体的情况，抓住主要矛盾 进行确定。 进行确定。
管壳式换热器设计选型
一、技术参数：热媒：高温蒸汽：T1=350℃，冷凝水出口温度，T2=90℃。
循环水进出温度：t1=80℃， t2=90℃换热量：W=1200x100x10=1200x104Kcal/h，热交换器形式采用卧式固定管板式换热器，换热管采用不锈钢SUS304壳体采用碳钢Q345R。
二、设计选型：根据GB151-1999《管壳式换热器》标准，及本厂技术样本进行设计计算：热水进出温度：t1=80℃， t2=90℃热媒进出温度：T1=350℃，T2=90℃。
Δt1=T1-t2=260℃,Δt2=T2-t1=10℃Δt1-Δt2 260-10对数温差Δtm= = = 76.7℃根据热交换器换热面积：F=Cr·W/（ε·K·Δtm）其中:Cr: 耗热量系数取(1.1～1.2)，取Cr=1.15W:供热量,W=1200×104 Kcal/hε:污垢系数，ε=0.8K:传热系数,取800Kcal/ M2．℃·hΔtm:对数温差, Δtm=76.7℃则： F= Cr·W/（ε·K·Δtm）=281m2根据本厂样本选取型号为：BEM900-290-6000/25X2-1.0/1.0 卧式固定管板式换热器，材质:除换热管为304外，其余全部为碳钢。
浙江杭特容器有限公司2014年4月22日一、技术参数：热媒：高温蒸汽：T1=350℃，冷凝水出口温度，T2=170℃。
循环水进出温度：t1=80℃， t2=90℃换热量：W=1200x100x10=1200x104Kcal/h，热交换器形式采用卧式固定管板式换热器，换热管采用不锈钢SUS304壳体采用碳钢Q345R。
二、设计选型：根据GB151-1999《管壳式换热器》标准，及本厂技术样本进行设计计算：热水进出温度：t1=80℃， t2=90℃热媒进出温度：T1=350℃，T2=170℃。
Δt1=T1-t2=260℃,Δt2=T2-t1=90℃Δt1-Δt2 260-90对数温差Δtm= = = 160℃根据热交换器换热面积：F=Cr·W/（ε·K·Δtm）其中:Cr: 耗热量系数取(1.1～1.2)，取Cr=1.15W:供热量,W=1200×104 Kcal/hε:污垢系数，ε=0.8K:传热系数,取800Kcal/ M2．℃·hΔtm:对数温差, Δtm=160℃则： F= Cr·W/（ε·K·Δtm）=135m2根据本厂样本选取型号为：BEM800-135-3700/25X2-1.0/1.0 卧式固定管板式换热器，材质:除换热管为304外，其余全部为碳钢。
完整版HTRI管壳式换热器设计基础教程讲解
市场前景
随着科技的不断进步和工业的快速发展，管 壳式换热器的应用领域将不断扩大。同时， 随着环保意识的提高和节能减排政策的实施， 高效、节能、环保的管壳式换热器将成为未
来市场的主流产品。
02
HTRI软件简介及功能
HTRI软件发展历程
01
初始开发阶段
HTRI软件最初由美国Heat Transfer Research Inc.公司开发，专注于管
04
HTRI在管壳式换热器设 计中的应用
工艺流程模拟与优化
工艺流程建模
使用HTRI软件对管壳式换热器工艺流程进行 建模，包括输入工艺参数、物性数据和设备尺 寸等。
模拟计算
通过软件内置的算法和模型，对工艺流程进行模拟计 算，得出各物流的温度、压力、流量和物性变化等关 键参数。
优化设计
根据模拟结果，对换热器的结构、尺寸和布局 等进行优化设计，以提高换热效率和降低能耗。
换热器类型选择依据
传热方式
根据工艺要求选择合适的传热方式，如并流、逆 流或错流。
操作条件
根据操作压力、温度、流量等条件选择合适的换 热器类型。
ABCD
流体性质
考虑流体的物理性质（如密度、粘度、比热容等） 和化学性质（如腐蚀性、结垢性等）。
经济性
在满足工艺要求的前提下，考虑换热器的制造成 本、运行费用和维修费用等因素。
壳式换热器的热工水力设计计算。
02
逐步完善阶段
随着技术的发展和用户需求的变化，HTRI软件逐步增加了新的功能模
块，如振动分析、腐蚀预测等，并不断优化算法以提高计算精度和效率。
03
广泛应用阶段
目前，HTRI软件已成为全球范围内广泛应用于石油、化工、制冷等领
管壳式换热器的设计和选用的计算步骤
管壳式换热器的设计和选用的计算步骤设有流量为m h的热流体，需从温度T1冷却至T2，可用的冷却介质入口温度t1，出口温度选定为t2。
由此已知条件可算出换热器的热流量Q和逆流操作的平均推动力。
根据传热速率基本方程：当Q和已知时，要求取传热面积A必须知K和则是由传热面积A的大小和换热器结构决定的。
可见，在冷、热流体的流量及进、出口温度皆已知的条件下，选用或设计换热器必须通过试差计算，按以下步骤进行。
初选换热器的规格尺寸初步选定换热器的流动方式，保证温差修正系数大于0.8，否则应改变流动方式，重新计算。
计算热流量Q及平均传热温差△t m，根据经验估计总传热系数K估，初估传热面积A选取管程适宜流速，估算管程数，并根据A估的数值，确定换热管直径、长度及排列。
计算管、壳程阻力在选择管程流体与壳程流体以及初步确定了换热器主要尺寸的基础上，就可以计算管、壳程流速和阻力，看是否合理。
或者先选定流速以确定管程数N P和折流板间距B再计算压力降是否合理。
这时N P与B是可以调整的参数，如仍不能满足要求，可另选壳径再进行计算，直到合理为止。
核算总传热系数分别计算管、壳程表面传热系数，确定污垢热阻，求出总传系数K计，并与估算时所取用的传热系数K估进行比较。
如果相差较多，应重新估算。
计算传热面积并求裕度根据计算的K计值、热流量Q及平均温度差△t m，由总传热速率方程计算传热面积A0，一般应使所选用或设计的实际传热面积A P大于A020%左右为宜。
即裕度为20%左右，裕度的计算式为：某有机合成厂的乙醇车间在节能改造中，为回收系统第一萃取塔釜液的热量，用其釜液将原料液从95℃预热至128℃，原料液及釜液均为乙醇，水溶液，其操作条件列表如下：表4-18设计条件数据试设计选择适宜的管壳式换热器。
解：a. 传热量Q以原料液为基准亦计入5%的热损失，按以下步骤求得传热量Q。
平均温度℃以上表中混合物的各物性分别由下式求得：混合物：Cp混合物热导率：W/(m℃)混合物密度：kg/m3混合物比热容：kJ/(kg℃)式中为组成为i的摩尔分率，为组分i的质量分率。
管壳式换热器设计选型
。直径小于400mm的壳体通常用钢管制
成，大于400mm的可用钢板卷焊而成。
壳体材料根据工作温度选择，有防腐要
求时，大多考虑使用复合金属板。
壳体内径的计算
• 单程管： • • •
D t nc 1 2 3d 0
t－－－是管心距，mm do－－－换热管外径，mm nc－－－－－横过管束中心线的管数，该值与管
• 流程安排
Ⅰ.求出换热器的热流量
q Cp 根据已知条件 T1 、T2 、 1 、Cp2、 m 1 ，
求Q
Q qm1C p1 T1 T2
实例
Ⅱ.作出适当的选择并计算 t m
①流向的选择 一般逆流优于并流 ②确定冷却介质出口温度
t m 逆
③对
T1 t1 T2 t 2
图形表示
管板
• 管板的作用是将受热管束连接在一起， 并将管程和壳程的流体分隔开来。 • 管板与管子的连接可胀接或焊接 • 管板与壳体的连接有可拆连接和不可拆 连接两种。
封头和管箱
封头和管箱位于壳体两端，其作用
是控制及分配管程流体。
壳体
壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上 焊有接管，供壳程流体进入和排除之用
列管式换热器易燃、易爆液体 和气体允许的安全流速 液体名称 乙醚、 二硫化碳、 苯 <1 甲醇、 丙酮 乙醇、 汽油 <2－3 <10 氢气
安全流速，m/s
≤8
材质的选择
1.碳钢 2.不锈钢
换热管布置和排列间距
常用换热管规格有ø19×2mm, ø25×2mm(不 锈钢）, ø25×2.5mm（碳钢）, 排列方式：正方形直列、正方形错列、 三角形直列、三角形错列、同心圆排列
i
管壳式换热器设计
1 概 述
2、冷凝器（condenser） 1）分离器 2）全凝器 3、加热器（一般不发生相变）（heater） 1）预热器（preheater）——粘度大的液体，喷雾 状不好，预热使其粘度下降； 2）过热器（superheater）——加热至饱和温度以 上。 4．蒸发器(etaporater)——发生相变 5．再沸器（reboiler） 6．废热锅炉（waste heat boiler）
1 概 述
2、浮头式换热器 优点：管束可以抽出，便于清洗； 缺点：换热器结构较复杂，金属耗量较大。 适用场合：适用于介质易结垢的场合。
3、填料函式换热器 优点：造价比浮头式低，检修、清洗容易，填料函处泄漏能 及时发现； 缺点：壳程内介质由外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、 易燃、易爆、有毒的介质。 适用场合：适用于低压小直径场合。
2 管子的选用及其与管板的连接
结构：主要有4种
2 管子的选用及其与管板的连接
3、胀焊并用 前面我们讲了胀接、焊接后，会发现它们各自有优、缺点，因而目前广泛应用了 胀焊并用的方法，这种方法能提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀， 提高使用寿命。 胀焊并用连接形式主要有： 1）先焊后胀：强度焊＋贴胀 高温高压换热器中大多用厚壁管，胀接时要使用润滑油，进入接头后缝隙中会在焊 接时生成气体，恶化焊缝质量，只要胀接过程控制得当，先焊后胀可避免这一弊病。
3 管板结构
2、正方形和转角正方形排列
正方形和转角正方形排列，管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要 经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列或转角正方形排列。
3 管板结构
3．组合排列法 多程换热器中。 3.2 管间距： 管间距指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。 一般要求管间距≥1.25d0，还应符合规定：
管壳式换热器选型计算
p1' 流体横过管束的压强降，Pa； p2' 流体通过折流板缺口的压强降，Pa； Fs 壳程压强降的结垢校正系数，液体可取1.15，气体可取1.0 Ns 串联的壳程数。
p1'
Ff0nc (NB
1)
u02
2Байду номын сангаас
p2'
NB (3.5
2h ) D
u02
2
F 管子排列方法对压强降的校正因素， 正三角为0.5,转角正方形为0.4，正方形为0.3；
常用的流速范围
流体种类
一般流体 易结垢流体
气体
流速 管程 壳程 0.5~3 0.2~1.5
>1
>0.5
5~30 3~15
不同粘度液体的流速
液体粘度 >1500 1500~500 500~100 100~35
35~1 <1
最大流速 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4
流体两端温度的确定
管壳式换热器的主要控制参数为加热面积、热 水流量、换热量、热媒参数等。
结构分类
• 固定管板式汽-水换热器 • 浮头式汽-水换热器 • U形管壳式汽-水换热器 • 填料函式换热器汽-水换热器
• 管箱（封头） • 壳体 • 内部结构（包括管束等） • 折流板（挡板） • 管板
接管 壳体
折流挡板
封头（ 端盖、管箱）
选定总传热系数K值。 ⑥ 由传热速率方程，初步算出传热面积，并确定换热器
的基本尺寸。
2、计算管程、壳程压强降
根据初定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和 压强降。验算结果是否满足工艺要求。若压强降不符合要 求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另 一规格的换热器，重新计算压强降直至满足要求。
管壳式换热器的设计及选型指导
N
B
3.5
2B D
fs
u02 2
45.7kPa
s 1.0at ，可行
传热面积校核
查表，取 Ri 0.00021m2 C W， R0 0.00018m 2 C W
K计
1
1 0.00021 0.0025 0.00018
1
685W m2 C
2317
45
1717
A计
Q
Ktm
9.54105 4186.8 685 3600 0.97 43.7
①流向的选择 一般逆流优于并流
②确定冷却介质出口温度 t2，求对数平均推动力
tm逆
T1
t1 T2
ln T1 t1
t2
T2 t2
③对 tm逆 进行 修正
R T1 T2 t1 t2
P t2 t1 T2 t1
查图得到
tm tm逆
Ⅲ.根据经验估计传热系数 K，估 计算传热面积 A qm1Cp1 T1 T2 K估 A估tm逆
f0 : 壳程流体摩擦系数
Ps P允 可增大挡板间距
Ⅵ.计算传热系数 校核传热面积
根据流体的性质选择适当的 垢层热阻 R
1 1 R 1
K估 i
0
Q
A计 Ktm
A NTd0l
A A计 1.10 ~ 1.20
否则重新估计 K估 ，重复以上计算
• 冷却介质的选择是一个经济上的权衡问题，按设 备费用和操作费用的最低原则确定冷却介质的最优出 口温度 t2opt
38.2m 2
根据所选换热器 A NTd0l 124 3.14 0.025 4.5 43.8m2
∴
A 43.8 1.15
A计 38.2