列管式换热器设计步骤
列管式换热器设计步骤
列管式换热器设计步骤1.确定换热要求：首先确定需要处理的流体类型、温度、流量和所需的换热效率。
这些参数将指导后续设计过程。
2.选择适当的管壳材料：根据流体的特性和工作温度范围，选择合适的材料来制造管壳，确保其耐腐蚀性和耐高温性。
3.确定热负荷和传热系数：计算需要传递的热负荷，并根据传热系数的公式计算出换热器所需的传热面积。
4.确定流体模式和换热方式：根据流体的性质和流量，确定流体在换热器中的流动模式（并行流、逆流或交叉流）。
此外，还需要确定热量传递的方式（对流、辐射或对流辐射耦合）。
5.确定管束布局：根据热负荷和流体流量，确定管束的布局和排列方式。
典型的布局包括单排管束、多排管束、螺旋管束等。
6.计算管壳侧传热系数：根据流体模式和管壳的几何形状，通过经验公式或计算方法计算出管壳侧的传热系数。
7.设计管束：根据换热器的尺寸和传热面积，设计合适的管束。
这涉及到确定管道的直径、长度和布局，以及管板的尺寸和孔眼的布置。
8.选择适当的传热介质：根据流体类型和工况要求，选择合适的传热介质，例如水、蒸汽、空气或其他流体。
根据传热介质的性质，确定其流速和温度范围。
9.设计支承和固定方式：确定适当的支承和固定方式，以确保换热器的稳定性和可靠性。
这包括支架的设计、支柱的安装和管束的固定方法。
10.进行热力学分析：通过进行热力学分析，确定换热过程中的压力损失和流体流速。
这将有助于确定流体的流动行为和整个热交换系统的性能。
11.进行结构强度分析：进行结构强度分析，确保换热器能够承受压力和温度的影响，并满足相关的安全标准和规范。
12.完善设计并制作图纸：根据上述步骤和计算结果，对列管式换热器的设计进行改进和完善，并制作相应的图纸和技术文件。
13.进行设备加工和制造：根据设计图纸，进行设备的加工和制造。
这包括制作管子、管板、支管、支撑件等组件，并对其进行加工和组装。
14.进行设备安装与调试：将制造好的换热器安装到系统中，并进行相关的调试和测试，以确保其正常运行。
列管式换热器设计方案计算过程参考
列管式换热器设计方案计算过程参考
设计换热器的过程一般包括以下几个步骤：确定换热器类型、选择换
热器材质、计算换热面积、计算换热器尺寸、计算流体流量和温度等。
1.确定换热器类型：根据具体的工艺要求、流体性质和换热效率要求，确定使用的换热器类型，如管壳式换热器、管板式换热器、板式换热器等。
2.选择换热器材质：根据流体性质和工艺要求，选择合适的换热器材质，如不锈钢、碳钢、镍及其合金等。
考虑耐腐蚀性、强度和成本等因素。
3.计算换热面积：根据流体的流量、温度和换热传热系数，计算所需
的换热面积。
换热面积的计算可以通过换热器设计软件进行，也可以通过
数学公式计算，例如Q=U*A*(ΔTm)式中的A即为换热面积。
4.计算换热器尺寸：根据换热面积、管子直径和管排布方式，计算换
热器的尺寸，包括换热器的长度、宽度和高度等。
根据需要还可以进行结
构强度校核和模态分析等。
5.计算流体流量和温度：根据工艺要求和热力学计算，确定流体的流
量和温度。
通过质量守恒和能量守恒等原理进行计算，例如根据流体的流
量和温度差，计算冷却液的质量流率和冷却液的温度变化等。
总结起来，设计换热器的过程包括确定换热器类型和材质、计算换热
面积和尺寸，以及计算流体流量和温度等。
根据具体的工艺要求和流体性质，选择合适的设计参数，通过数学计算和换热器设计软件进行计算，最
终得到满足工艺要求的换热器设计方案。
八列管式换热器设计的基本步骤
八、列管式换热器设计的基本步骤（一）新设计换热器的设计计算步骤由化工工艺计算热负荷以确定换热器所需之传热速率，及流体进出口温度。
---------------------------------------281 第六篇化工用石墨制品生产新工艺新技术确定流体计算所用的定性温度，查取与计算流体的物性数据，如定压比热容，重度或密度，粘度，导热系数等。
确定流体流入的空间，并确定两流体的流向，再进行平均温差的计算。
选取管径和管内线速度。
按经验数据选择传热系数值，或初步计算值，即先计算或估计管内管外流体的传热系数，再计算值。
在计算管外流体时需先确定壳体直径，但此时结构与尺寸还未定。
为方便起见，亦可假设管外的值，以计算值。
根据初估的值再计算出传热面积。
为安全起见取实际面积为初始计算值的倍。
进行总体结构设计。
即选择管长，计算管数，排列管子，计算壳径，并根据系列尺寸进行圆整。
不考虑管程分程时，应使管数及在管板上的排列与系列相同。
兴管程与壳程线速度，根据管内流速确定是否分程，若分程后影响到管板上管子的排列，则要重新考虑排列管子。
兴管内管外传热系数，估计垢层热阻，复算传热系数。
兴（修正）平均温差。
核算传热面积。
若与初步计算的面积相符即可，若不相符，且相差较大，则需对管数、程数或管子长度等进行调整，重复的计算，直至计算相符。
计算管程与壳程的压力降。
（二）选型的计算步骤以上的计算过程适合于一般设计之用，对于常见的石墨换热器，原化工部已制订了系列标准，提高了设计与制造的效率。
一般情况下应该根据具体的工艺过程的要求，在石墨换热器系列中选择合适的型号，这时可按如下的方法进行计算与选型。
根据化工生产工艺过程要求的热负荷，选择流入空间，确定管内管外的流向，计算平均温差。
根据生产经验数据初步估算所需之传热面积。
根据初步估算之传热面积（并需考虑适当的裕度），在产品系列中选择热面积最为接近的型号。
查阅所选定的定型产品结构参数，按其结构参数进行传热计算。
列管式换热器的设计与计算
列管式换热器的设计与计算设计步骤如下：第一步：确定换热器的需求首先需要明确换热器的设计参数，包括流体的性质、流量、进出口温度、压力等。
这些参数将在后续的计算中使用。
第二步：选择合适的换热器型号根据设计参数和换热需求，选择合适的列管式换热器型号。
常见的型号包括固定管板式、弹性管板式、钢套铜管式等。
第三步：计算表面积根据流体的热传导计算表面积。
换热器的表面积是根据热传导定律计算得到的，公式为：Q=U×A×ΔT，其中Q为换热量，U为传热系数，A为表面积，ΔT为温差。
根据这个公式，可以计算出所需的表面积。
第四步：确定管子数量和尺寸根据所需的表面积和型号，确定换热器中管子的数量和尺寸。
根据流体的流速和换热需求，计算出每根管子的长度和直径。
第五步：确定管板和管夹的尺寸根据管子的尺寸，确定管板和管夹的尺寸。
管板和管夹是固定管子的重要部分，负责把管子固定在换热器中，保证流体的正常流动。
第六步：确定换热器的材质和厚度根据流体的性质和工作条件，确定换热器的材质和厚度。
常见的材质有不锈钢、碳钢、铜等。
通过计算流体的温度、压力和腐蚀性等参数，选择合适的材质和厚度。
第七步：校核换热器的强度对换热器的强度进行校核。
根据国家相关标准和规范，对换热器的强度进行计算和验证，确保其能够承受工作条件下的压力和温度。
第八步：制定施工方案和图纸根据设计结果，制定换热器的施工方案和详细图纸。
包括换热器的总体布置，管子的连接方式，焊接和安装步骤等。
上述是列管式换热器的设计步骤，下面将介绍列管式换热器的计算方法。
首先，需要计算流体的传热系数。
传热系数的计算包括对流传热系数和管内传热系数两部分。
对于对流传热系数，可以使用已有的经验公式或经验图表进行估算。
对于管内传热系数，可以使用流体的性质和流速等参数进行计算。
其次，根据传热系数和管子的尺寸，计算管子的传热面积。
管子的传热面积可以根据管子的长度和直径进行计算。
然后，根据热传导定律，计算换热器的传热量。
列管式换热器设计
列管式换热器设计列管式换热器是一种常见的换热设备，广泛应用于化工、石油、制药等行业中。
本文将从列管式换热器的设计原理、设计步骤和设计考虑因素三个方面进行详细介绍。
一、设计原理列管式换热器是通过管内的换热流体和管外的换热流体之间的换热传递来实现热量的传递。
它的基本原理是利用换热流体在管内和管外的对流，通过管壁的传导传热作用，使热量从高温流体传递给低温流体。
二、设计步骤1.确定换热器的使用条件：包括换热流体的性质、入口温度、出口温度等。
2.确定换热器的换热面积：根据换热流体的热负荷和传热系数来计算所需的换热面积。
3.选择管子的尺寸和材料：根据换热流体的性质和流量来选择合适的管子尺寸和材料。
4.确定管子的数量和布置方式：根据换热面积和换热流体的流量来确定管子的数量和布置方式，一般采用多行多列的方式。
5.设计管束的尺寸：根据换热面积和管子的数量来确定管束的尺寸，包括管束的直径、长度和布置方式等。
6.计算换热器的传热系数：根据换热面积、流体的性质和传热方式来计算换热器的传热系数。
7.计算换热器的压降：根据流体的流量、管束的阻力和流体的性质来计算换热器的压降。
8.进行换热器的热力学计算：包括换热器的热力学效率、有效传热面积和温差效益等。
三、设计考虑因素1.热负荷：根据换热流体的热负荷来确定换热器的换热面积和管子的数量。
2.材料选择：根据换热流体的性质和工艺要求来选择合适的材料，包括管子的材料和管壳的材料。
3.温度差：根据换热流体的温度差来确定管束的数量和换热器的传热系数。
4.流体压降：根据流体的流量和管束的阻力来计算换热器的压降，并确定合适的管束布置方式和管束的尺寸。
5.清洗和维护：考虑到换热器的清洗和维护，要选择易于清洗和维护的结构设计。
综上所述，列管式换热器的设计是一个复杂的工程，需要考虑多个因素。
设计者需要根据具体的使用条件和要求来确定换热器的换热面积、管子的尺寸和材料、管束的数量和布置方式等。
同时，还需要计算换热器的传热系数、压降和热力学参数等。
列管式换热器设计步骤
（Φ219×6mm，长200mm）
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山东轻工业学院
3、冷凝水排出口
➢选用水煤气管 1 1 "
化
2
工
原 理
Φ42.25×3.25mm，长100mm
教
研
室
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山东轻工业学院
七、校核流体压力降
➢ 管程总压力降
ห้องสมุดไป่ตู้
化
➢ 壳程压力降
工 原
壳程是饱和水蒸汽冷凝，
理 教
d 4V
u
教
研 室
➢选用无缝热轧钢管（YB231-64） （Φ150×4.5mm，长200mm）
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2、水蒸汽进口管径
山东轻工业学院
➢ 蒸汽用量
GQ10.03 —富裕量3％
r
➢蒸汽体积流量 V＝Gν
化 工
➢取蒸汽流速u’＝20 m/s
原
理 教 研
D1
4V
u '
室 ➢选用无缝热轧钢管（YB231-64）
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山东轻工业学院
（1）管内对流传热系数α2
20.02d3R0.e8P0.r4 被加热
化 工 原 理
Re du
教
研 室
Pr CP
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山东轻工业学院
（2）管外对流传热系数α1
1 0.725
r2g3
2
0.25
n3d0 t
化
工
➢n为水平管束垂直列上的管数
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（4）管间距及排列方式
列管式换热器的设计
列管式换热器的设计列管式换热器的应用已有很悠久的历史。
现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。
同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量地应用于工业中。
为此本章对这两类换热器的工艺设计进行介绍。
列管式换热器的设计资料较完善，已有系列化标准。
目前我国列管式换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式(即列管式)换热器”(GB151)标准执行。
列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。
其中以热力设计最为重要。
不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投人使用的换热器在检验它是否满足使用要求对，均需进行这方面的工作。
热力设计指的是根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。
流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备——例如泵的选择做准备。
当然，热力设计和流动设计两者是密切关联的，特别是进行热力计算时常需从流动设计中获取某些参数。
结构设计指的是根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目、隔板的数目及布置以及连接管的尺寸，等等。
在某些情况下还需对换热器的主要零部件——特别是受压部件做应力计算，并校核其强度。
对于在高温高压下工作的换热器，更不能忽视这方面的工作。
这是保证安全生产的前提。
在做强度计算时，应尽量采用国产的标准材料和部件，根据我国压力容器安全技术规定进行计算或校核(该部分内容属设备计算，此处从略)。
列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：①根据换热任务和有关要求确定设计方案；②初步确定换热器的结构和尺寸；③核算换热器的传热面积和流体阻力；④确定换热器的工艺结构。
1.1设计方案的确定1.1.1换热器类型的选择（1）固定管板式换热器这类换热器如图2-1(a)所示。
列管式换热器设计方案
列管式换热器设计方案第一节推荐的设计程序一、工艺设计1、作出流程简图。
2、按生产任务计算换热器的换热量Q。
3、选定载热体，求出载热体的流量。
4、确定冷、热流体的流动途径。
5、计算定性温度，确定流体的物性数据（密度、比热、导热系数等）。
6、初算平均传热温度差。
7、按经验或现场数据选取或估算Ｋ值，初算出所需传热面积。
8、根据初算的换热面积进行换热器的尺寸初步设计。
包括管径、管长、管子数、管程数、管子排列方式、壳体内径（需进行圆整）等。
9、核算Ｋ。
10、校核平均温度差 m T。
11、校核传热量，要求有15－25％的裕度。
12、管程和壳程压力降的计算。
二、机械设计1、壳体直径的决定和壳体壁厚的计算。
2、换热器封头选择。
3、换热器法兰选择。
4、管板尺寸确定。
5、管子拉脱力计算。
6、折流板的选择与计算。
7、温差应力的计算。
8、接管、接管法兰选择及开孔补强等。
9、绘制主要零部件图。
三、编制计算结果汇总表四、绘制换热器装配图五、提出技术要求 六、编写设计说明书第二节 列管式换热器的工艺设计一、换热终温的确定换热终温对换热器的传热效率和传热强度有很大的影响。
在逆流换热时，当流体出口终温与热流体入口初温接近时，热利用率高，但传热强度最小，需要的传热面积最大。
为合理确定介质温度和换热终温，可参考以下数据：1、热端温差（大温差）不小于20℃。
2、冷端温差（小温差）不小于5℃。
3、在冷却器或冷凝器中，冷却剂的初温应高于被冷却流体的凝固点；对于含有不凝气体的冷凝，冷却剂的终温要求低于被冷凝气体的露点以下5℃。
二、平均温差的计算设计时初算平均温差∆t ｍ，均将换热过程先看做逆流过程计算。
1、对于逆流或并流换热过程，其平均温差可按式（2－1）进行计算：2121ln t t t t t m ∆∆∆-∆=∆ （2—1） 式中，1t ∆、2t ∆分别为大端温差与小端温差。
当221t t ∆∆时，可用算术平均值()221t t t m ∆+∆=∆。
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七、校核流体压力降
➢ 管程总压力降 ➢ 壳程压力降
壳程是饱和水蒸汽冷凝， 阻力很小，不校核其压力降。
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管程总压力降 （P272）
➢ 总压力降计算公式
P t P i P r F t N s N p
➢ 每程直管压力降
（1）管子规格
➢ 库存Φ25×2.5mm，L＝3.0m的光滑碳 钢钢管
➢ 取管内苯的流速为u’2 （0.60 m/s） ——苯系易燃易爆物 流速一般低于1 m/s
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（2）初步设计总管数
n ' A初 圆整n”
dL
n’’ 根———三角形排列管数，
3a2+3a+1
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一、确定定性温度、物性数据
1. 苯的物性数据
2.
t1 、t2 、tm 、ρ２ 、CP2 、μ2 、
λ2
2. 水蒸汽的物性数据
3.
Ts 、ρ１ 、γ１
4.
同温度下水的物性
5.
ρ 、μ 、λ
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二、换热器的类型及流体走向
➢ 卧式固定管板式换热器 ➢ 水蒸汽走壳程，苯走管程 ➢ 不需要进行热补偿 ➢ 不需要加折流挡板
10. 整个换热器采用卧式安装，安装图 见图纸2－1。
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九、参考资料
1. 《列管式换热器及其设计》（讲义） 山东轻工业学院，《化工原理教研 室》编，1987年。
2. 《化工原理》上册
化学工
业出版社，谭天恩主编，1990年。
3. 《基础化学工程》
上海科
学技术出版社，编写组，1980年。
Pi
l
di
u2
2
➢ 每程局部阻力引起的压降
P r u 22 3 u 22
➢校 核 ΔPt < 3.0×104Pa
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➢参数说明
d i —— 管内径;
l —— 管长
Ft
—— 管程结垢校正系数， 三角形为1.5，
正方形为1.4；
N s —— 壳程数，1；
N p —— 一壳程的管程数，2 。
化工原理课程设计
山东轻工业学院
列管式换热器设计
指 导
陈
教 师
振
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设计题目
山东轻工业学院
指 导
陈
教 师
振
拟用200Kpa的饱和水蒸气将常压下 20℃的苯加热到80℃，
①苯的质量流量为50t/h—单号
②苯的质量流量为40t/h－双号
试设计一列管式换热器。
已 知 仓 库 中 现 有 Φ25×2.5mm， 长 6m的碳钢钢管
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设计内容
➢设计说明书
➢布管图
187
➢装配图
187
169 114 169
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设计步骤
一、确定定性温度、物性数据 二、换热器的类型及流体走向 三、工艺计算 四、换热器尺寸的初步确定 五、校核计算
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六、进出口管径 七、校核流体压力降 八、换热器尺寸及附属部件 九、参考资料 十、对一些问题的说明
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十、对一些问题的说明
列管式换热器是目前化工生产中应用最 广泛的一种换热器，它的结构简单、坚 固、容易制造、材料范围广泛，处理能 力可以很大，适应性强。但在传热效率、 设备紧凑性、单位传热面积的金属消耗 量等方面还稍次于其他板式换热器。此 次设计所采用的固定管板式换热器是其 中最简单的一种。
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λ 计算
➢取ε＝0.2mm，ε/d = 0.01
➢
Re du
➢查图可知λ
（化工原理上册P43图1－28）
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八、换热器尺寸及附属部件
1. 管间距： t＝32.5mm
2. 壳体直径：Φ600×10mm，内径D＝ 580mm
3. 壳体材料：碳素钢A3F，钢板卷焊 4. 管子尺寸：Φ25×2.5mm，L＝3.0m，
➢选用安全系数Φ＝1.15～1.25 ➢A初＝ΦA’
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四、换热器尺寸的初步确定
➢ 确定管程结构尺寸 ➢ 壳程设计数据 ➢ 换热器长径比
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1、确定管程结构尺寸
➢管子规格 ➢初步设计总管数 ➢校核流速、确定管程 ➢管间距及排列方式
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Ad0Ln
➢余度
AA' 20% A
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六、进出口管径
➢苯进口管、出口管 ➢水蒸汽进口管径Fra bibliotek➢冷凝水排出口
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1、苯进口管、出口管
➢ 取进口流速u0＝1m/s ➢ 进口直径
d 4V
u
➢选用无缝热轧钢管（YB231-64） （Φ150×4.5mm，长200mm）
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（2）管外对流传热系数α1
1 0.725
r2g3
2
0.25
n3d0 t
➢n为水平管束垂直列上的管数
弓形排管n＝8，弓形不排管n＝7
➢假设管外壁温TW（115.6℃）
t TS TW
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（3）污垢热阻及管壁热阻
➢ 苯侧污垢热阻RS2＝1.76×10-4m2·℃/W
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2、水蒸汽进口管径
➢ 蒸汽用量
GQ10.03
r
➢蒸汽体积流量 V＝Gν
➢取蒸汽流速u’＝20 m/s
—富裕量3％
D1
4V
u '
➢选用无缝热轧钢管（YB231-64）
（Φ219×6mm，长200mm）
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3、冷凝水排出口
➢选用水煤气管 1 1 "
2
－－P269-271
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三、工艺计算
1、热负荷即传热速率Q 2、平均温度差Δtm 3、选K值，估算传热面积A初
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1、热负荷即传热速率Q
QKAtm
Q m S 2 c P 2 t 2 t 1 m S 1 c P 1 T 1 T 2
Qms1r
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➢ 实际管数n＝NT－NTb－n3 ➢ 双管程，每程n/2根排列管子
➢ 实际流速 ，与初设苯流速u’2 校核
u
ms2
n 2
4
d
2 0
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3、换热器长径比
➢ 确定长径比的取值范围
L 4~6 D
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五、校核计算
1、校核总传热系数K值 2、校核壁温TW 3、校核传热面积A
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1、校核总传热系数K值
K 1d 2d 12RS2d d1 2bdm 1dRS111
➢ 管内对流传热系数α2 ➢ 管外对流传热系数α1 ➢ 污垢热阻及管壁热阻
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（1）管内对流传热系数α2
20.02d3R0.e8P0.r4 被加热
Re du
Pr CP
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2、壳程设计数据
➢ 壳体内径
D＝t（NTb－1）+ 2 b’ t －管间距
NTb －最外层六角形对角线上管数 b’ －六角形最外层管中心到壳体
内
壁距离，取b’＝（1～1.5）d0 ➢ 壳体内径标准圆整到ΦD×δmm
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➢ 中心拉杆n3根 直径Φ12mm 双管程隔板少排NTb根
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由于水蒸汽的对流传热系数比苯侧 的对流传热系数大得多，根据壁温 总是趋近于对流传热系数较大的一 侧流体的温度实际情况，壁温与流 体温度相差无几，因此本次设计不 采用热补偿装置。
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Thanks Attention
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Science and technology, especially strategic high technology, is increasingly becoming the decisive force in economic and social development and the focus of competition in comprehensive national strength.
度40mm。（讲义P142附表1－2） ➢ 管程接口管与封头为焊接，封头与壳体
为法兰连接，法兰尺寸与上同。
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8. 管程进出口接管直径：选用无缝热 轧钢管（YB231-64）Φ152×4.5mm 长200mm。
9. 支座的公称直径Dg600mm，每个支 座承受的载荷为36.8吨，材料采用 A3F碳素钢；采用鞍形安装。（尺寸 见讲义P117图4－28b，表4－28）
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（5）管板与分程隔板的连接:采用单层隔板，隔 板材料与封头材料一致，厚度s＝10mm。（见 讲义P77表4－19）
隔板
S 管板
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