PPT-7-管壳式换热器设计计算实例
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1.3 管壳式换热器介绍
管壳式换热器具有可靠性高，适应性广泛等优点，在各工 业领域中得到最为广泛在应用。
1.3.1 基本类型 根据管壳式换热器的结构特点,可分为固定管板式、浮
头式、U形管式、填料函式和釜式沸器五类,如图示。 1.3.1.1 固定管板式换热器 固定管板式换热器管束连接在管板上，管板与壳体焊接。 1.3.1.1.1 优点： 1）传热面积比浮头式换热器大20%-30%； 2）旁路漏流较水； 3）锻件使用较少； 4）没有内漏。
4
1.2.1.3 间壁式换热器
1.2.1.3.1 间壁式换热器分类 管式换热器、板式换热器及其它形式的换热器。
管式换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热 管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器、套管式换热 器、缠绕管式换热器和管壳式换热器。
其中管壳式换热器是目前应用最为广泛的换热设备。 它占换热器总量的90%。它是典型的间壁式换热器.
足要求的场合.
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11
二、 管壳式换热器的设计参数及材料
2.1 设计参数
是指用于确定换热器施工图设计、制造、检验及验收 的参数。 它主要包括设计压力P、设计温度T、厚度δ、 焊接接头系数φ、试验压力PT、公称直径DN、公称长度 LN、换热面积A、容器类别等。
2.1.1 设计压力：
指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应
计温度。
在任何情况下，金属元件的表面温度不得超过金属材料的允许使用温 度。
2.1.3 厚度
2.1.3.1 计算厚度---- 按规范的公式计算得到的厚度。
2.1.3.2 设计厚度-----设计时必须考虑腐蚀裕量C2，计算厚度与腐蚀裕量 之和为设计厚度。
管壳式换热器工艺计算算例
苯
Re 0
d eu0
3
0.05 0.22 836.6 24154 0.381 10 3
6
因为 Re 0 在 2 10 ～ 1 10 范围内，故可用下式计算 0
0 0.36
de
Re 0 0.55 Pr0 3 Pr0
1
Cp
Rsi 0.0002m 2 C / W (有机液体），Rso 0.00017m 2 C / W（井水）4 ）总传热系
-3-
数 K0 因为苯为有机物，管子材料选用不锈钢，取其导热系数为 w 16.5W / (m·oC)，总传热系数
K 0 为： K0 1 1 d0 d 0 di i d i 1
2
壳程流通面积 A0 hD nc d 0 0.15 0.4 12 0.019 0.025m
u0
Vs 114000000 0.2m / s A0 3600 300 24 836.6 0.025
Re 0
d 0u0
0.019 0.2 836.6 8344 ＞ 500 0.381 10 3
0.1mm 则
di
0.1 0.0067 ，由《化工原理》上册第一章 P54 15
的 Re 关系图中查得：
0.033 8
2
所以
P 1
L u i 4.5 996.325 0.925 0.033 4322 Pa di 2 0.015 2
工艺计算算例
一、设计题目：
设计一台换热器
二、操作条件：
1、苯：入口温度 80℃，出口温度 40℃。 2、冷却介质：循环水，入口温度 25℃，出口温度 30℃。 3、允许压强降：不大于 60kPa。 4、每年按 300 天计，每天 24 小时连续运行。
Re 0
d eu0
3
0.05 0.22 836.6 24154 0.381 10 3
6
因为 Re 0 在 2 10 ～ 1 10 范围内，故可用下式计算 0
0 0.36
de
Re 0 0.55 Pr0 3 Pr0
1
Cp
Rsi 0.0002m 2 C / W (有机液体），Rso 0.00017m 2 C / W（井水）4 ）总传热系
-3-
数 K0 因为苯为有机物，管子材料选用不锈钢，取其导热系数为 w 16.5W / (m·oC)，总传热系数
K 0 为： K0 1 1 d0 d 0 di i d i 1
2
壳程流通面积 A0 hD nc d 0 0.15 0.4 12 0.019 0.025m
u0
Vs 114000000 0.2m / s A0 3600 300 24 836.6 0.025
Re 0
d 0u0
0.019 0.2 836.6 8344 ＞ 500 0.381 10 3
0.1mm 则
di
0.1 0.0067 ，由《化工原理》上册第一章 P54 15
的 Re 关系图中查得：
0.033 8
2
所以
P 1
L u i 4.5 996.325 0.925 0.033 4322 Pa di 2 0.015 2
工艺计算算例
一、设计题目：
设计一台换热器
二、操作条件：
1、苯：入口温度 80℃，出口温度 40℃。 2、冷却介质：循环水，入口温度 25℃，出口温度 30℃。 3、允许压强降：不大于 60kPa。 4、每年按 300 天计，每天 24 小时连续运行。
管壳式换热器的强度计算.ppt
t
p
▪ 式中 []t ——管板材料在设计温度下的许用 剪应力，取[]t=0.8 []t
▪ t ——不包括附加量的管板厚度，t=tc-C。
▪ 考虑管板开孔削弱系数为(1-do/to)，则管板 按剪切强度的计算公式为：
t 0.309Do p
t 1 do to
（3）
▪ 式中 to ——管孔中心距，mm；
▪ 管板厚度应同时考虑上述弯曲强度、剪切强度 及管板最小厚度三项因素，从中取最大厚度， 然后加上厚度附加量。
(二)基于安置在弹性基础上的圆平板的强度计算
▪ 由于管板结构的复杂，影响管板强度的因素 很多，所以正确地进行管板强度分析是比较 困准、复杂的。现行各国规范的管板厚度计 算公式，都是对实际管板作一定的假定简化 而得到的近似公式。由于所采用的假定简化 各不相同，与真实管板受力状况必然有程度 不同的差别，造成在同样条件下用现行的各 国规范计算公式算得的厚度差别很大。这些 公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以 下三种基本假设的前提下得出的。
支承情况的系数。两式中其他各项形式上相同， 整体管板＝1，但由于管板设计中需考虑开孔 及温差影响，因此含义略有差异。
式(2)中：
▪ C ——附加厚度，mm；
▪ Dc——管板计算直径（当用螺栓与法兰连接时，取 垫片平均直径；对焊接于壳体上的管板，取壳体内 径，如下图1所示），mm；
▪ K ——结构系数，与换热器型式、管板的结构有关， 对管子为直管，固定管板与浮动管板K=1.0，对U形 管，找相关资料查取；
d。——管子外径，mm；
D。——布管区最外圈管子中心圆直径，mm
▪ 当布管区不是圆形时，则D。为布管区外缘 管子中心连线所限定的周边当量直径，即
Do
p
▪ 式中 []t ——管板材料在设计温度下的许用 剪应力，取[]t=0.8 []t
▪ t ——不包括附加量的管板厚度，t=tc-C。
▪ 考虑管板开孔削弱系数为(1-do/to)，则管板 按剪切强度的计算公式为：
t 0.309Do p
t 1 do to
（3）
▪ 式中 to ——管孔中心距，mm；
▪ 管板厚度应同时考虑上述弯曲强度、剪切强度 及管板最小厚度三项因素，从中取最大厚度， 然后加上厚度附加量。
(二)基于安置在弹性基础上的圆平板的强度计算
▪ 由于管板结构的复杂，影响管板强度的因素 很多，所以正确地进行管板强度分析是比较 困准、复杂的。现行各国规范的管板厚度计 算公式，都是对实际管板作一定的假定简化 而得到的近似公式。由于所采用的假定简化 各不相同，与真实管板受力状况必然有程度 不同的差别，造成在同样条件下用现行的各 国规范计算公式算得的厚度差别很大。这些 公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以 下三种基本假设的前提下得出的。
支承情况的系数。两式中其他各项形式上相同， 整体管板＝1，但由于管板设计中需考虑开孔 及温差影响，因此含义略有差异。
式(2)中：
▪ C ——附加厚度，mm；
▪ Dc——管板计算直径（当用螺栓与法兰连接时，取 垫片平均直径；对焊接于壳体上的管板，取壳体内 径，如下图1所示），mm；
▪ K ——结构系数，与换热器型式、管板的结构有关， 对管子为直管，固定管板与浮动管板K=1.0，对U形 管，找相关资料查取；
d。——管子外径，mm；
D。——布管区最外圈管子中心圆直径，mm
▪ 当布管区不是圆形时，则D。为布管区外缘 管子中心连线所限定的周边当量直径，即
Do
管壳式换热器传热计算示例终 用于合并
Pa;
取导流板阻力系数:
;
导流板压降:
壳程结垢修正系数: 壳程压降:
Pa ;(表 3-12)
管程允许压降:[△P2]=35000 Pa;(见表 3-10) 壳程允许压降:[△P1]=35000 Pa;
△P2<[△P2] △P1<[△P1] 即压降符合要求。
Ｐa;
(2)结构设计(以下数据根据 BG150-2011)
m2; 选用φ25×2、5 无缝钢管作换热管; 管子外径 d0=0、025 m; 管子内径 di=0、025-2×0、0025=0、02 m; 管子长度取为 l=3 m; 管子总数:
管程流通截面积:
取 720 根 m2
管程流速: 管程雷诺数: 管程传热系数:(式 3-33c)
m/s 湍流
6)结构初步设计: 布管方式见图所示: 管间距 s=0、032m(按 GB151,取 1、25d0); 管束中心排管的管数按 4、3、1、1 所给的公式确定:
结构设计的任务就是根据热力计算所决定的初步结构数据,进一步设计全部结构尺寸, 选定材料并进行强度校核。最后绘成图纸,现简要综述如下:
1) 换热器流程设计 采用壳方单程,管方两程的 1-4 型换热器。由于换热器尺寸不太大,可以用一台,未考虑 采用多台组合使用,管程分程隔板采取上图中的丁字型结构,其主要优点就是布管紧密。 2)管子与传热面积 采用 25×2、5 的无缝钢管,材质 20 号钢,长 3m,管长与管径都就是换热器的标准管子 尺寸。 管子总数为 352 根,其传热面积为:
3)传热量与水热流量
取定换热器热效率为η=0、98; 设计传热量:
过冷却水流量:
; 4)有效平均温差 逆流平均温差:
根据式(3-20)计算参数 p、R: 参数 P:
管壳式换热器传热计算示例(终)
管壳式换热器传热设计说明书设计一列管试换热器，主要完成冷却水——过冷水的热量交换设计压力为管程1.5MPa （表压），壳程压力为0.75MPa（表压），壳程冷却水进,出口温度分别为20℃和50℃，管程过冷水进，出口温度分别为90℃和65℃管程冷水的流量为80t/h。
2、设计计算过程：（1）热力计算1)原始数据：过冷却水进口温度t1′=145℃；过冷却水出口温度t1〞=45℃；过冷却水工作压力P1=0.75Mp a（表压）冷水流量G1=80000kg/h；冷却水进口温度t2′=20℃；冷却水出口温度t2〞=50℃；冷却水工作压力P2=0.3 Mp a（表压）。
改为冷却水工作压力P2=2.5 Mp2)定性温度及物性参数：冷却水的定性温度t2=( t1′+ t1〞)/2=(20+50)/2=35℃；冷却水的密度查物性表得ρ2=992.9 kg/m3；冷却水的比热查物性表得C p2=4.174 kJ/kg.℃冷却水的导热系数查物性表得λ2=62.4 W/m.℃冷却水的粘度μ2=727.5×10－6 Pa·s；冷却水的普朗特数查物性表得P r2=4.865；过冷水的定性温度℃；过冷水的密度查物性表得ρ1=976 kg/m3；过冷水的比热查物性表得C p1=4.192kJ/kg.℃；过冷水的导热系数查物性表得λ1=0.672w/m.℃；过冷水的普朗特数查物性表得P r2；过冷水的粘度μ1=0.3704×10－6 Pa·s。
过冷水的工作压力P1=1.5 Mp a（表压）3)传热量与水热流量取定换热器热效率为η=0.98；设计传热量：过冷却水流量：；4)有效平均温差逆流平均温差：根据式（3-20）计算参数p、R:参数P：参数R：换热器按单壳程2管程设计，查图3—8得温差校正系数Ψ=0.83；有效平均温差：5)管程换热系数计算：附录10，初定传热系数K0=400 W/m.℃；初选传热面积：m2；选用φ25×2.5无缝钢管作换热管；管子外径d0=0.025 m；管子径d i=0.025-2×0.0025=0.02 m；管子长度取为l=3 m；管子总数：取720根管程流通截面积：m2管程流速：m/s管程雷诺数：湍流管程传热系数：（式3-33c）6)结构初步设计：布管方式见图所示:管间距s=0.032m（按GB151,取1.25d0）；管束中心排管的管数按4.3.1.1所给的公式确定：取20根；壳体径：m 取Di=0.7m；长径比：布管示意图l/D i=3/0.9=3.3 ，合理选定弓形折流板弓形折流板弓高：折流板间距：m折流板数量：折流板上管孔直径由GB151-2014可确定为 0.0254mm折流板直径由GB151-2014可确定为 0.6955m 7）壳程换热系数计算壳程流通面积：根据式(3-61)中流体横过管束时流道截面积046.0032.0025.016.0233.01o i c1=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=s d BD A m 2壳程流速：m/s ；壳程质量流速：kg m 2/s ；壳程当量直径：m ；壳程雷诺数：； 切去弓形面积所占比例按 h/D i =0.2查图4-32得为0.145壳程传热因子查 图3-24得为j s =20 管外壁温度假定值 t w1′=45℃ 壁温过冷水粘度 Pa.s粘度修正系数：根据式（3-62）计算壳程换热系数：8）传热系数计算：水侧污垢热阻：r 2=0.000344m 2.℃/w 管壁热阻r 忽略 总传热系数：传热系数比值，合理9）管壁温度计算：管外壁热流密度：Ｗ/m2.℃根据式(3-94a)计算管外壁温度：℃误差较核：℃，误差不大；10）管程压降计算：根据式(3-94b)计算管壁温度：℃；壁温下水的粘度：Pa·s；粘度修正系数：；查图3-30得管程摩擦系数：管程数：；管沿程压降计算依据式（3-112）：Pa （W=w.ρ）回弯压降：Pa；取进出口管处质量流速：W N2=1750 ㎏/㎡·s； (依据ρw2<3300取 w=1.822m/s) 进出口管处压降(依据 3-113)：；管程结垢校正系数：；管程压降：11）壳程压降计算：壳程当量直径：m；雷诺数：；查得壳程摩擦系数：λ1=0.08；(图 3-34)管束压降（公式3-129）：Pa；取进出口质量流速： kg/m2·s；( ρw2<2200 取W N2=1000 ㎏/㎡·s) 进出口管压降：Pa；取导流板阻力系数：;导流板压降：Pa壳程结垢修正系数：；(表3-12)壳程压降：Ｐa；管程允许压降：[△P2]=35000 Pa；（见表3-10）壳程允许压降：[△P1]=35000 Pa；△P2<[△P2]△P1<[△P1]即压降符合要求。
管壳式换热器设计实例
则
F1 F2 2.54 106 0.089 106 103.8( MPa ) As 25321 F1 F2 2.54 106 0.376 106 t 20.2( MPa ) AS 107211
s
根据 GB151—1999《管壳式热换器》
名称
（企业名称） 审核 校对 设计 制图 描图
设计项目 设计阶段 施工图
换热器装配图
1000 6230
比例
F 130m 2
1:30 第一张 共 7张 (续表)
38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13
Di a(b 1) 2l
式中
Di — 换热器内径，mm
b — 正六角形对角线上的管子数，查表 1-4，取 b 27 ； l — 最外层管子的中心到壳体壁边缘的距离，取 l 2d o 。
故
Di 32 (27 1) 2 2 25 932(mm)
圆整后取壳体内径 Di 1000mm （4）换热器壳体壁厚的计算 材料选用 20R 钢，计算壁厚为
标题栏明细表 下筒 DN1000 8 20R 16MnR 16MnR 20R 20R 10A 20 Q235-A Q235-A Q235-A Q235-A 材料
1 1 1 1 2 2 1 1 8 16 1 数量 单件 9.1 3.8 74.1 0.369
410 300 112 174.5 148.2 0.74 11.1 311 73 60.6 103 总计 备注 质量/kg 工程名称
q q p qt 1.14MPa [q] 4.0MPa
管壳式换热器设计和选型PPT课件
一般流体易结垢液体易结垢液体气体气体流速流速ms管程管程0530105030053010503002150530150215053015管壳式换热器中丌同粘度液体的常用流速管壳式换热器中丌同粘度液体的常用流速液体粘度液体粘度mpas150015005005001001003535150015005005001001003535最大流速最大流速06075111518060751115182424表表3管壳式换热器中易燃易爆液体的安全允许速度管壳式换热器中易燃易爆液体的安全允许速度液体名称液体名称乙醚二硫化碳苯乙醚二硫化碳苯甲醇乙醇汽油甲醇乙醇汽油丙酮丙酮安全允许速度安全允许速度ms10第12页共28页33管子的规栺和管间距管子的规栺和管间距管子规格管子规格的选择包括管径和管长
②管间距管子的中心距 称为管间距，管间距小， 有利于提高传热系数，且设备紧凑。但由于制造 上的限制。常用对比关系见表4。
表4管壳式换热器外径与中心距 的关系 换热管外径 ， mm 10 14 19 25 32 38 45 57 换热管中心距 ， mm 14 19 25 32 40 48 57 72
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管壳式换热器的设计与选型 换热器的设计是通过计算，确定经济合理的传热面积及换热器的其它有关
尺寸，以完成生产中所要求的传热任务。
第Hale Waihona Puke 页/共28页第8页/共28页
• 1．设计的基本原则 （1）流体流径的选择流体流径的选择是指在管程和
壳程各走哪一种流体，此问题受多方面因素的制约， 下面以固定管板式换热器为例，介绍一些选择的原 则:
（2）流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热 系数、流动阻力及换热器结构等方面。 流速↑加大对流传热系数，减少污垢的形成，使 总传热系数增大； 但同时使流动阻力加大，动力消耗增多； 选择高流速，使管子的数目减小，对一定换热面 积，不得不采用较长的管子或增加程数，管子太 长不利于清洗，单程变为多程使平均传热温差下 降。
②管间距管子的中心距 称为管间距，管间距小， 有利于提高传热系数，且设备紧凑。但由于制造 上的限制。常用对比关系见表4。
表4管壳式换热器外径与中心距 的关系 换热管外径 ， mm 10 14 19 25 32 38 45 57 换热管中心距 ， mm 14 19 25 32 40 48 57 72
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管壳式换热器的设计与选型 换热器的设计是通过计算，确定经济合理的传热面积及换热器的其它有关
尺寸，以完成生产中所要求的传热任务。
第Hale Waihona Puke 页/共28页第8页/共28页
• 1．设计的基本原则 （1）流体流径的选择流体流径的选择是指在管程和
壳程各走哪一种流体，此问题受多方面因素的制约， 下面以固定管板式换热器为例，介绍一些选择的原 则:
（2）流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热 系数、流动阻力及换热器结构等方面。 流速↑加大对流传热系数，减少污垢的形成，使 总传热系数增大； 但同时使流动阻力加大，动力消耗增多； 选择高流速，使管子的数目减小，对一定换热面 积，不得不采用较长的管子或增加程数，管子太 长不利于清洗，单程变为多程使平均传热温差下 降。
管壳式换热器传热机理课件pptx
管壳式换热器传热机理课件pptx
contents
目录
• 引言 • 管壳式换热器基本结构 • 传热基本原理 • 管壳式换热器传热过程分析 • 强化传热措施及优化设计
contents
目录
• 管壳式换热器性能评价与选型 • 实验与仿真技术在管壳式换热器研究中
的应用 • 总结与展望
01
引言
目的和背景
管壁热阻、流体热阻、污垢 热阻
传热系数计算
传热系数定义
单位时间内、单位面积上热量传递的速率
传热系数计算公式
K = (1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn)^-1
各部分热阻计算
管壁热阻、流体热阻、污垢热阻
温度场分布与影响因素
温度场分布
沿流动方向温度逐渐降低，径向温度梯度较小
影响因素
流体物性、流速、管壁厚度、热负荷、污垢状况 等
通过测量管壳式换热器进出口流体的温度和 流量，计算热负荷和传热系数，评估其传热 性能。
压力降实验
测量进出口流体的压力差，分析流体在管壳式换热 器内的流动阻力，为优化设计提供依据。
流场可视化实验
利用粒子图像测速仪（PIV）等技术，观察 管壳式换热器内部流场分布，揭示流动与传 热之间的相互作用。
仿真模型建立及求解过程阐述
案例分析：某管壳式换热器优化设计实践
案例背景介绍
某化工企业需要对现有管壳式换热器进行优化设计，以提高传热效率、降低能耗。
优化设计方案
通过对换热器进行流场模拟分析，发现原有设计中存在流动死区、流速分布不均等问题。针对这些问题，提出了增加 折流板数量、优化折流板结构、改变进出口管径等优化设计方案。
优化效果评估
接管类型
contents
目录
• 引言 • 管壳式换热器基本结构 • 传热基本原理 • 管壳式换热器传热过程分析 • 强化传热措施及优化设计
contents
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• 管壳式换热器性能评价与选型 • 实验与仿真技术在管壳式换热器研究中
的应用 • 总结与展望
01
引言
目的和背景
管壁热阻、流体热阻、污垢 热阻
传热系数计算
传热系数定义
单位时间内、单位面积上热量传递的速率
传热系数计算公式
K = (1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn)^-1
各部分热阻计算
管壁热阻、流体热阻、污垢热阻
温度场分布与影响因素
温度场分布
沿流动方向温度逐渐降低，径向温度梯度较小
影响因素
流体物性、流速、管壁厚度、热负荷、污垢状况 等
通过测量管壳式换热器进出口流体的温度和 流量，计算热负荷和传热系数，评估其传热 性能。
压力降实验
测量进出口流体的压力差，分析流体在管壳式换热 器内的流动阻力，为优化设计提供依据。
流场可视化实验
利用粒子图像测速仪（PIV）等技术，观察 管壳式换热器内部流场分布，揭示流动与传 热之间的相互作用。
仿真模型建立及求解过程阐述
案例分析：某管壳式换热器优化设计实践
案例背景介绍
某化工企业需要对现有管壳式换热器进行优化设计，以提高传热效率、降低能耗。
优化设计方案
通过对换热器进行流场模拟分析，发现原有设计中存在流动死区、流速分布不均等问题。针对这些问题，提出了增加 折流板数量、优化折流板结构、改变进出口管径等优化设计方案。
优化效果评估
接管类型
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kf Ai 1 hi hoo Ao 1 1 1 hi hoo 1
t fi t f 0
所以，只要 o 1 就可以起到强化换热的效果。 由于β值常常远大于1，而使η0β的值总是远大于1，这就
使肋化侧的热阻显著减小，从而增大传热系数的值。
32
ln( d o d i ) 2 l
28
上面三式相加
l t fi t fo
do 1 1 1 ln hi d i 2 d i ho d o
对外侧面积而言得传热系数的定义式由下式表示：
k ko 1 do d d 1 o ln o hi di 2 di ho
10
1 构造和工作原理
翅片管热交换器可以仅由一根或若干根翅片管组成，如室内取 暖用翅片管散热器；也可再配以外壳、风机等组成空冷器型式 的热交换器。
11
主要换热元件是翅片管，由基管和翅片组成。
翅片管的类型和选择
对翅片管的要求：良好的传 热性能、耐温性能、耐热冲 击能力（如介质热负荷不稳 定）及耐腐蚀能力，易于清 除尘垢，压降较低。
13
常见的翅片管形式
•
14
翅片管因制造方法不同而使其在传热性能、机械性能等方面有一定的 差异。按制造方法分有整体翅片、焊接翅片、高频焊翅片和机械连接 翅片。
整体翅片：由铸造、机械加工或轧制而成，翅片与管子一体，无接触 热阻，强度高，但要求翅片与管子同种材料。如低压锅炉的省煤器就 是采用整体翅片。 焊接翅片：用钎焊或氩弧焊等工艺制造，可使用与管子不一样的材料。 由于它制造简单、经济且具有较好的传热和机械性能，故已广泛应用， 主要问题是焊接工艺的质量。 高频焊翅片：利用高频发生器产生的高频电感应，使管子表面与翅片 接触处产生高温而部分熔化，同通过加压翅片与管子连成一体而成。 这种连接方法无焊剂、焊料，制造简单，性能优良。
管壳式换热器的设计计算
管壳式换热器的设计计算过程可视具体情况作适当调整，对设 计结果应进行分析，发现不合理处要有一定的反复。
1
设计计算：首先输入设计参数，计
算有效传热温差、热负荷并初选总
传热系数，计算换热器结构参数， 然后分别对传热系数、管程阻力损
失及壳程阻力损失进行校核，最后
输出合理的换热器结构及相关参数。 具体步骤如右图：
1 传热量的计算
2 传热系数的计算
3 换热系数和压力损失的计算
23
24
大作业二
25
传热过程的分析和计算
传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去 的过程称传热过程。 传热过程分析求解的基本关 系为传热方程式
kAt f 1 t f 2
式中 K为传热系数（在容易与对流换热表面传热系数想混淆时，称 总传热系数）。
定义翅化比：
Ao Ai
1 1 hi hoo
31
则传热系数 k f
1
工程上一般都以未加翅时的表面积为基准计算翅壁传热系数
Ai (t fi t f 0 ) 1 1 Ai 1 hi Ai Ai hoo Ao hi hoo Ao
15
机械连接翅片：有绕片式、镶片式、套片式及双金属轧片式
绕片式传热性能较差，主要是接触热阻的存在；
套片式传热性能较好，因为翅片紧套于管表面上后在加以表面 16 热镀锌；
单金属翅片管结构示意图（纵剖面）
17
双金属翅片管结构示意图（纵剖面）
18
双金属翅片管
19
复合翅片管 复合翅片管是由铝管和其它金属整体轧制而成。 无接触热阻，传热性能好，防腐蚀性能高，流动损失 小， 耐热震和机械震动，热膨胀性能好，且有可观的 扩展换热面。 用这种翅片管制成的换热器，效果领先于串片或绕片 等其它形式的散热器。
1
ht hc hr
27
通过圆管的传热
hi
内部对流：
hidi l (t f 1 t wi )
ho
1 lhi di
1 ho ldo
(twi two ) 圆柱面导热：Φ 1 do ln( ) 2 l d i
外部对流： hod ol (t wo t f 2 )
翅片按其在管子上排列方式，可分为纵向和横向（径向）翅片两 大类，其他类型都是这两大类的变形，例如大螺旋角翅片管接近 12 纵向，而螺纹管则接近横向。
是否需要加设翅片和应加在哪一侧以及翅片的型式和结构尺 寸应根据管内、外两侧流体的传热性能选择。通常宜将翅片 装在换热系数小的一侧；当两侧换热系数较接近时，以在内、 外两侧均加翅片，或外加翅片，内加麻花铁、螺旋体等扰动 元件。
4
一、传热模型分析 1）总传热系数：以内表面为准
5
2）管程传热系数：湿空气等低粘度流体在湍 流情况下的管程传热系数
6
二、压力降分析
仅考虑管程流体的压力损失，由3部分组成：
7
三、结构分析及参数优化
1）结构分析
由管壳式换热器结构确定传热面积： 换热器壳体直径有关系式：
2）参数优化
在固定壳程数后，余下的结构自有参数为管长L，管程数Np，每程管数N以 及管内径di。
8
大作业一
四、实际算例
9
第四节 翅片管热交换器
• 翅片管换热器是在管的表面加装翅片制成，翅 片与管表面的连接应紧密无间，否则连接处的 接触热阻很大，影响传热效果。常用的连接方 法有热套、镶钳、张力缠绕和焊接等方法。此 外，翅片管也可采用整体轧制、整体铸造或机 械加工等方法制造。 • 当两种流体的对流传热系数相差较大时，在传 热系数较小的一侧加翅片可以强化传热。
2
校核计算：首先输入运行条件及已
知参数，通过假定一侧出口温度，
计算另一出口温度，由4个进出口 温度的热平衡式和传热方程式分别
计算传热量，并进行对比直到满足
精度要求，最后输出换热器的运行 参数。具体步骤如右图：
3
实例1：水与湿空气热交换 管壳式换热器优化设计
•由于对管程出口湿空气的特殊 要求，要求在达到换热温度的 同时将压降控制在允许范围。 •在满足换热条件的情况下，要 求提高换热效率，缩小换热体 积。 • 所以设计时，需统筹换热效率 与压降损失两方面因素，实现 对换热器的优化。 •设计流程中可以忽略壳程流体 传热膜系数以及壳程压降对换 热器的影响。
从热阻的角度来看
do 1 1 1 1 ln k Ao hi Ai 2 l d i ho Ao
29
通过翅壁的传热
翅壁面积： Ao A1 A2 稳态下换热情况：
hi Ai (t f 1 t w1 )
Ai (t w1 t wo )
ho A1 (t wo t fo ) ho f A2 (t wo t fo ) ho o Ao (t wo t fo )
翅面总效率
o
( A1 f A2 ) Ao
30
A0 (t fi t f 0 ) 1 1 1 Ao Ao 1 hi Ai Ai hoo Ao hi Ai Ai hoo
t fi t f 0
以翅侧表面积为基准的翅壁传热系数 1 kf 1 Ao Ao 1 hi Ai Ai hoo
26
通过平壁的传热
单层 k
1 1 h1 h2 1 k 多层 n i 1 1 h1 i 1 i h2
说明： (1)由于平壁的两侧的面积是相等的，因此传热系数的数值 不论对哪一侧来说都是一样的。 （2） h1和h2的计算； （3）如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效换热系数(总表面 传热系数)
单层翅片管的传热系数
33
34
复合翅片管的传热系数
35
36
翅片管中存在的接触热阻的测定和计算都比较困难。下表列出了国 产绕片式 翅片管接触热阻
热交换器管窄截面上质量流
37
前面给出的公式适用于空气流过翅片管被加热或冷却时。
(3.88)-----(3.99)
38
39
钢铝复合翅片管是由钢管和 铝管经复合后在轧制出翅片 的散热管。表面均经阳极化 处理，色泽美观大方，且能 有效的防止表面腐蚀 。
20
翅片管基本几何尺寸包括：基管外径和管壁厚；翅片高度和翅片 厚度；翅片距；翅化比（单位长度翅片管翅化表面积与光管外表 面之比）；管长。
21
Байду номын сангаас
22
翅片管换热器的传热计算与阻力计算
t fi t f 0
所以，只要 o 1 就可以起到强化换热的效果。 由于β值常常远大于1，而使η0β的值总是远大于1，这就
使肋化侧的热阻显著减小，从而增大传热系数的值。
32
ln( d o d i ) 2 l
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上面三式相加
l t fi t fo
do 1 1 1 ln hi d i 2 d i ho d o
对外侧面积而言得传热系数的定义式由下式表示：
k ko 1 do d d 1 o ln o hi di 2 di ho
10
1 构造和工作原理
翅片管热交换器可以仅由一根或若干根翅片管组成，如室内取 暖用翅片管散热器；也可再配以外壳、风机等组成空冷器型式 的热交换器。
11
主要换热元件是翅片管，由基管和翅片组成。
翅片管的类型和选择
对翅片管的要求：良好的传 热性能、耐温性能、耐热冲 击能力（如介质热负荷不稳 定）及耐腐蚀能力，易于清 除尘垢，压降较低。
13
常见的翅片管形式
•
14
翅片管因制造方法不同而使其在传热性能、机械性能等方面有一定的 差异。按制造方法分有整体翅片、焊接翅片、高频焊翅片和机械连接 翅片。
整体翅片：由铸造、机械加工或轧制而成，翅片与管子一体，无接触 热阻，强度高，但要求翅片与管子同种材料。如低压锅炉的省煤器就 是采用整体翅片。 焊接翅片：用钎焊或氩弧焊等工艺制造，可使用与管子不一样的材料。 由于它制造简单、经济且具有较好的传热和机械性能，故已广泛应用， 主要问题是焊接工艺的质量。 高频焊翅片：利用高频发生器产生的高频电感应，使管子表面与翅片 接触处产生高温而部分熔化，同通过加压翅片与管子连成一体而成。 这种连接方法无焊剂、焊料，制造简单，性能优良。
管壳式换热器的设计计算
管壳式换热器的设计计算过程可视具体情况作适当调整，对设 计结果应进行分析，发现不合理处要有一定的反复。
1
设计计算：首先输入设计参数，计
算有效传热温差、热负荷并初选总
传热系数，计算换热器结构参数， 然后分别对传热系数、管程阻力损
失及壳程阻力损失进行校核，最后
输出合理的换热器结构及相关参数。 具体步骤如右图：
1 传热量的计算
2 传热系数的计算
3 换热系数和压力损失的计算
23
24
大作业二
25
传热过程的分析和计算
传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去 的过程称传热过程。 传热过程分析求解的基本关 系为传热方程式
kAt f 1 t f 2
式中 K为传热系数（在容易与对流换热表面传热系数想混淆时，称 总传热系数）。
定义翅化比：
Ao Ai
1 1 hi hoo
31
则传热系数 k f
1
工程上一般都以未加翅时的表面积为基准计算翅壁传热系数
Ai (t fi t f 0 ) 1 1 Ai 1 hi Ai Ai hoo Ao hi hoo Ao
15
机械连接翅片：有绕片式、镶片式、套片式及双金属轧片式
绕片式传热性能较差，主要是接触热阻的存在；
套片式传热性能较好，因为翅片紧套于管表面上后在加以表面 16 热镀锌；
单金属翅片管结构示意图（纵剖面）
17
双金属翅片管结构示意图（纵剖面）
18
双金属翅片管
19
复合翅片管 复合翅片管是由铝管和其它金属整体轧制而成。 无接触热阻，传热性能好，防腐蚀性能高，流动损失 小， 耐热震和机械震动，热膨胀性能好，且有可观的 扩展换热面。 用这种翅片管制成的换热器，效果领先于串片或绕片 等其它形式的散热器。
1
ht hc hr
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通过圆管的传热
hi
内部对流：
hidi l (t f 1 t wi )
ho
1 lhi di
1 ho ldo
(twi two ) 圆柱面导热：Φ 1 do ln( ) 2 l d i
外部对流： hod ol (t wo t f 2 )
翅片按其在管子上排列方式，可分为纵向和横向（径向）翅片两 大类，其他类型都是这两大类的变形，例如大螺旋角翅片管接近 12 纵向，而螺纹管则接近横向。
是否需要加设翅片和应加在哪一侧以及翅片的型式和结构尺 寸应根据管内、外两侧流体的传热性能选择。通常宜将翅片 装在换热系数小的一侧；当两侧换热系数较接近时，以在内、 外两侧均加翅片，或外加翅片，内加麻花铁、螺旋体等扰动 元件。
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一、传热模型分析 1）总传热系数：以内表面为准
5
2）管程传热系数：湿空气等低粘度流体在湍 流情况下的管程传热系数
6
二、压力降分析
仅考虑管程流体的压力损失，由3部分组成：
7
三、结构分析及参数优化
1）结构分析
由管壳式换热器结构确定传热面积： 换热器壳体直径有关系式：
2）参数优化
在固定壳程数后，余下的结构自有参数为管长L，管程数Np，每程管数N以 及管内径di。
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大作业一
四、实际算例
9
第四节 翅片管热交换器
• 翅片管换热器是在管的表面加装翅片制成，翅 片与管表面的连接应紧密无间，否则连接处的 接触热阻很大，影响传热效果。常用的连接方 法有热套、镶钳、张力缠绕和焊接等方法。此 外，翅片管也可采用整体轧制、整体铸造或机 械加工等方法制造。 • 当两种流体的对流传热系数相差较大时，在传 热系数较小的一侧加翅片可以强化传热。
2
校核计算：首先输入运行条件及已
知参数，通过假定一侧出口温度，
计算另一出口温度，由4个进出口 温度的热平衡式和传热方程式分别
计算传热量，并进行对比直到满足
精度要求，最后输出换热器的运行 参数。具体步骤如右图：
3
实例1：水与湿空气热交换 管壳式换热器优化设计
•由于对管程出口湿空气的特殊 要求，要求在达到换热温度的 同时将压降控制在允许范围。 •在满足换热条件的情况下，要 求提高换热效率，缩小换热体 积。 • 所以设计时，需统筹换热效率 与压降损失两方面因素，实现 对换热器的优化。 •设计流程中可以忽略壳程流体 传热膜系数以及壳程压降对换 热器的影响。
从热阻的角度来看
do 1 1 1 1 ln k Ao hi Ai 2 l d i ho Ao
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通过翅壁的传热
翅壁面积： Ao A1 A2 稳态下换热情况：
hi Ai (t f 1 t w1 )
Ai (t w1 t wo )
ho A1 (t wo t fo ) ho f A2 (t wo t fo ) ho o Ao (t wo t fo )
翅面总效率
o
( A1 f A2 ) Ao
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A0 (t fi t f 0 ) 1 1 1 Ao Ao 1 hi Ai Ai hoo Ao hi Ai Ai hoo
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以翅侧表面积为基准的翅壁传热系数 1 kf 1 Ao Ao 1 hi Ai Ai hoo
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通过平壁的传热
单层 k
1 1 h1 h2 1 k 多层 n i 1 1 h1 i 1 i h2
说明： (1)由于平壁的两侧的面积是相等的，因此传热系数的数值 不论对哪一侧来说都是一样的。 （2） h1和h2的计算； （3）如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效换热系数(总表面 传热系数)
单层翅片管的传热系数
33
34
复合翅片管的传热系数
35
36
翅片管中存在的接触热阻的测定和计算都比较困难。下表列出了国 产绕片式 翅片管接触热阻
热交换器管窄截面上质量流
37
前面给出的公式适用于空气流过翅片管被加热或冷却时。
(3.88)-----(3.99)
38
39
钢铝复合翅片管是由钢管和 铝管经复合后在轧制出翅片 的散热管。表面均经阳极化 处理，色泽美观大方，且能 有效的防止表面腐蚀 。
20
翅片管基本几何尺寸包括：基管外径和管壁厚；翅片高度和翅片 厚度；翅片距；翅化比（单位长度翅片管翅化表面积与光管外表 面之比）；管长。
21
Байду номын сангаас
22
翅片管换热器的传热计算与阻力计算