管壳式换热器设计选型
管壳式换热器安全阀设计选型
管壳式换热器安全阀设计选型摘要通过举例分析管壳式换热器安全阀设计选型过程中由于各种因素引起的超压事故，给出各种事故工况下安全阀安全泄放量的计算方法，指导安全阀设计选型。
说明安全阀的准确设计需要有针对性，从而满足安全系统的技术性和经济性要求。
关键词管壳式换热器；安全阀；泄放量；设计选型1概述随着工艺现代化水平的不断提高，各类生产设备及生产流程的组织与配置越来越趋于大型化与复杂化，人们开始更加意识到安全的重要性。
在现代化工装置中，为了防止因系统超压而引发安全事故，工程设计中对安全系统的要求越来越高，安全阀的设计要求也越来越严格。
除了GB150中对于压力容器超压泄放装置的有关规定与要求外，国内外的一系列标准也对于安全泄放装置的设计选型及计算提出了更为详细的分类与规定。
2超压分析比较国内外关于安全泄放装置设计的标准，我们发现：GB150中对于盛装压缩气体或水蒸气及盛装液化气体等各类容器提出了安全泄放量的计算方法，但对于容器超压的原因未作具体划分；而在API520及API521中对于安全阀引起超压的原因作了更为详细的划分与分析，针对各种事故工况下的安全阀泄放量提出了不同的计算方法；在化工部标准HG/T20570.2中借鉴总结了国外标准并提出了下列十种事故工况下泄放量的计算方法：阀门误关闭、循环水故障、电力故障、不凝气积累、控制阀故障、过度热量输入、易挥发物料进入高温系统、换热器管破裂、化学反应失控、外部火灾。
在化工设备设计中，管壳式换热器是十分常见的设备之一，应用范围广泛。
在管壳式换热器的管程与壳程中，往往存在着较大的温差与压差。
因此，安全阀的设置对于管壳式换热器系统来说是必不可少的。
下面重点以管壳式换热器设计时在不同因素影响下安全阀安全泄放量的计算来进行分析，从而说明安全阀针对性设计选型的重要性。
3工况一：管程液体热膨胀以冷却器为例，壳程走热流体（气相或液相），管程走冷流体（如冷却水）。
当管程流体进出口阀门误关闭时，造成换热器内管程流体停滞，此时由于热流体持续加热管程，在长时间下可能致使管程液体发生热膨胀超压。
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。
化工原理 壳管式换热器选型计算
化工原理 壳管式换热器选型计算假定:压载水的温度为15℃，拟利用船舶的主机缸套冷却水进行热交换（取换热器进口的缸套水温度T1=75℃，出口温度T2=65℃），将压载水加热到25℃或30℃，其中，压载水的流量为800m3/h 。
换热器的热缺失可忽略，不考虑管、壳程阻力压降。
要求确定主机缸套冷却水的流量，并选择一种换热器（常用的，能耐海水腐蚀）。
[取污垢热阻12d 25d R R 9/10m k w ==⨯⋅]选型运算步骤：压载水（海水）密度1ρ=331.02510kg/m ⨯，定压比热容3p1=3.8910J/kg k c ⨯⋅。
淡水密度332/kg 100.1m ⨯=ρ，在10℃～90℃时，其定压比热容几乎没有变化，可取3p2=4.210J/kg k c ⨯⋅。
热源水定性温度T =122T T +=75652+=70℃。
经饱和水的物性表，查得：2λ =0.668w m k ⋅ ，2μ=406.1×610-Pa S ⋅。
已知，压载水体积流量为：1v q =8003m h压载水质量流量为：31111.025800222.23600360010v m kgsqqρ⨯⨯===压载水由初温1t =15℃，利用主机缸套冷却水分不加热到2t =25℃，30℃，由于两种情形下，冷热流体的温差均不大于50℃，故均可选用固定管板式换热器进行运算，具体如下:【1】压载水：1t =15℃→2t =25℃海水的热导率、粘度比纯水稍低，其阻碍因素比较复杂，为简化运算，近似认为纯水。
定性温度1525202t +==℃。
经饱和水的物性表，查得: 1λ=0.599w m k ⋅1μ=1004×610-Pa S ⋅ 物性参数如下表：注：管程流体（压载水）参数下标为1，壳程流体（缸套水）参数下标为2.(1)运算热负荷m1p121q C t t Q =-（）=3222.2 3.89102515⨯⨯⨯-（）=9.333×610-W通过热量衡算，知 m2p212Q q C T T =-（）=639.333104.2107565⨯⨯⨯-（）=222.22 kg/s即，热源体积流量m2v2q q 3600ρ⨯==3222.2236001.010⨯⨯=8003mh(2)平均温差逆流:热源 75℃→65℃ 冷源 25℃←15℃ 温差 50℃ 50℃ 由12t t V V =50502< 12m t t t 2+=V V V 逆=50502+=50 R=1221T T t t --=75652515--=1，P=2111t t T t --=25150.1677515-=-查温度校正系数ψ图，知ψ≈1＞0.8，故采纳单壳程可行。
管壳式换热器设计和选型
管壳式换热器设计和选型首先，管壳式换热器的设计需要根据具体的换热要求来确定，主要包括换热量、换热介质、流体流量和温度等参数。
根据设计要求，可以确定壳程和管程的尺寸、管道布置、换热面积等参数。
在设计过程中，需要考虑以下几个方面：1.热力计算：根据热源和热负荷的温度和流量要求，进行热力计算，确定所需的换热面积。
2.材料选择：根据工作介质的性质和工作条件，选择合适的材料，如不锈钢、铜合金等，以确保换热器的耐腐蚀性和耐高温性。
3.管道布置：根据介质的流态和流速等因素，确定管道的布置方式，如串流、并流、交叉流等，以实现最佳的换热效果。
4.换热面积：根据设计要求和换热性能，确定所需的换热面积，以满足换热要求。
5.清洗和维护：在设计过程中，要考虑到换热器的清洗和维护，选择合适的结构和材料，以方便换热器的维护和清洗。
在选型过程中，需要考虑以下几个因素：1.流体性质：选型时需要考虑流体的性质，包括流体的物理性质、压力和温度范围、粘度等。
不同的流体对换热器的要求不同，需要选择适合的换热器类型和材料。
2.温度和压力：根据工作条件确定换热器的温度和压力范围，选择符合要求的换热器。
3.环境限制：考虑到环境因素，如空间限制、气候条件等，选择适合的换热器尺寸和类型。
4.经济效益：综合考虑设备造价、运行费用、维护保养成本等因素，选择经济、高效的换热器。
5.供应商选择：选择有经验和信誉良好的供应商，确保提供优质的产品和服务。
总之，管壳式换热器的设计和选型需要根据具体的应用要求和工艺条件来确定，需要综合考虑热力计算、材料选择、管道布置、换热面积、清洗和维护等因素，并在选型过程中考虑流体性质、温度和压力、环境限制、经济效益和供应商选择等因素，以确保设计符合要求，选型合理可靠，并能够实现高效换热。
管壳式换热器的设计及计算
管壳式换热器的设计及计算管壳式换热器是常见的一种热交换设备，用于在流体之间进行热量传递。
它由一个外壳和多个热交换管组成。
在设计和计算管壳式换热器时，需要考虑以下几个方面：选择换热器类型、确定换热器尺寸、确定流体特性、计算热量传递量和压降等。
下面将详细介绍管壳式换热器的设计及计算过程。
首先，选择适合的换热器类型。
根据具体的应用和流体特性，可以选择不同类型的管壳式换热器，如定压式、定温式、冷凝器和蒸发器等。
每种类型的换热器都有特定的性能和适用范围，需根据实际需求确定。
接下来，确定换热器的尺寸。
首先要确定传热面积，这取决于所需的传热量和两种流体间的温度差。
一般来说，换热器的传热面积越大，传热效果越好。
然后确定换热器的外壳直径和长度，这取决于流体的流速、流量和压降要求。
根据流体速度和流量计算出流道的横截面积，再确定壳程内的流道数量，最后通过换热器的设计公式计算出外壳直径和长度。
确定流体特性是设计换热器的关键一步。
需要收集并分析流体的物性数据，如温度、压力、流速、密度、热容等。
这些参数将用于计算热量传递量和压降。
此外，还需要考虑流体的腐蚀性、粘度和污染物含量等因素，在选择材料时要注意其耐腐蚀性能和抗堵塞能力。
计算热量传递量是设计换热器的核心任务。
可以使用传热计算公式，如奥兹逊公式、Nusselt数公式等，根据流体的特性参数计算出传热系数。
传热系数与换热器的结构、流体速度和物性参数有关。
通过计算热传导、对流和辐射等传热机制，可以得到热量传递量的准确数值。
最后，要计算管壳式换热器的压降。
压降是流体通过换热器时产生的能量损失。
为了保证流体的正常流动和换热效果，需要控制良好的压降。
可以通过实验或计算公式，如达西公式和克尔文公式，预测换热器内的压降情况。
根据流体的流速、流量和物性参数，计算出壳程和管程内的压降，并进行整体的能量平衡计算。
综上所述，管壳式换热器的设计和计算包括选择换热器类型、确定尺寸、确定流体特性、计算热量传递量和压降等步骤。
管壳式换热器设计与选型步骤
生意社08月13日讯
1、工艺计算:
1>按流体种类、冷却流体的流量、进出口温度、工作压力等计算出需要传递的热量。
2>根据流体的腐蚀性及其它特性选择管子和壳体的材料。
并根据材料加工特性,流体的流量、压力、温度,换热管与壳体的温度,需要传递热量的多少,造价的高低及检修清洗方便等因素,决定采用哪一种类型的管壳式换热器。
3>确立流体的流动空间,即确定管程与壳程内分别是什么介质
4>确定参与换热器的两种流体的流向,使并流、逆流还是错流。
并计算出流体的有效平均温差.
5>根据经验初选传热系数K,并估算所需传热面积A。
6>根据计算出传热面积A,参照我国管壳式换热器标准系列，初步确定换热器的基本参数(管径、管程数、管子根数、管长、管子排列方式、折流元件等的型式及布置、壳体直径等结构参数)。
7>根据确定的标准系列尺寸，进行传热系数的校核和阻力降的计算。
最后按标准选用换热器或者进行机械设计。
2、机械设计计算
机械设计计算包括：
(1)壳体和管箱壁厚的计算
(2)管子与管板连接结构设计
(3)壳体与管板连接结构设计
(4)管板厚度计算
(5)折流板、支持板等零部件的结构设计
(6)换热管与壳体在温差和流体压力联合作用下的应力计算
(7)管子拉脱力和稳定性校核
(8)判断是否需要膨胀节，如需要，则选择膨胀节结构形式，并进行有关的计算。
(9)接管、接管法兰、容器法兰、支座等的选择及开孔补强设计。
化工原理课程设计——换热器
化工原理课程设计管壳式换热器选型姓名：学号：10091693班级：工092指导老师：袁萍前言1.换热器的设备简介传热是热能从热流体间接或直接传向冷流体的过程。
其性质复杂，不但要考虑经过间壁的热传导，而且要考虑到间壁两边流体的对流传热，有时还须考虑到辐射传热。
在化学工业中常遇到的热交换问题，根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。
其中间壁式换热器詹用量最大，据统计，这类换热器占总用量的99%。
间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类，其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期的操作过程中积累了丰富的经验，其设计资料基本齐全，在许多国家都有了系列化的标准。
因此，作为广泛应用于各个领域的工业设备，它在国民经济中具有非常重要的作用。
换热器（英语翻译：heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器、双重管式换热器、填料函式换热器和双管板换热器等。
前3种应用比较普遍。
固定管板式换热器的结构：主要有外壳、管板、管束、顶盖（又称封头）等部件构成。
它的特点是结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低，因而得到广泛应用。
这种换热器的缺点是：壳程清洗困难，有温差应力存在。
这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高及壳程介质清洁，不易结垢的场合。
在满足工艺过程要求的前提下，换热器应达到安全与经济的目标。
换热器设计的主要任务是参数选择和结构设计、传热计算及压降计算等。
设计主要包括壳体形式、管程数、换热管类型、管长、管子排列、管子支承结构、冷热流体的流动通道等工艺设计和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算。
管壳式换热器设计选型
管壳式换热器设计选型
一、换热器选型的基础
在管壳式换热器结构形式中，设计和选型的主要因素有：换热器的负
荷率、传热效率、凝结物沉积、对管壳换热器热性能的影响因素、管壳型
号和规格、在换热器抗冲击性能的影响、铭牌设计性能和管壳强度要求等。
1.关于管壳式换热器的负荷率
在计算换热器的负荷率时，需要考虑换热器的负荷率与介质流量温度
有关，当流量温度越大，换热器的负荷率越大，但流量温度比较低时，换
热器的负荷率就较低。
在负荷率计算中，还需要考虑其他因素如液体的粘度、流体压力、换热面积、单位传热面积等。
2.关于管壳式换热器的传热效率
换热器的传热效率主要取决于换热器的几何结构，以及内、外管壳间
的接触面积大小，而内、外管壳间的接触面积的大小，又是由管壳结构型
号和规格参数决定的，所以，选择管壳型号和规格参数时，必须考虑到换
热器的传热效率。
3.凝结物沉积
凝结物沉积是管壳式换热器热性能的一个重要因素，它包括水铁、水铝、水锡等，这些凝结物会影响换热器的传热效率，严重影响换热器的使
用寿命。
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流动设计
• 计算压降，为换热器的辅助设备提供选 择参数
结构设计
• 根据传热面积的大小计算其主要零部件 的尺寸
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。
• 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
2 3 液体粘度 10 N S m 最大流速 m
流体种类
流速
ms
壳程
s
管程
一般流体
>1500 1500~500 500~100 100~35 35~1 <1
0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4
0.5~3 0.2~1.5 >0.5 3~15
易结垢流体 >1 气体 5~30
a. 较大 b. 给热效果较差 c. 大
根据 A估 初选换热器
实例
Ⅳ.计算冷、热流体与管壁的
①确定冷、热流体走管程或壳程
②确定管内流速
ui
qv n 0.785d NP
2 i
n 管子数 N P 管程数
核定管壳式换热器内常用流速范围
③根据所选换热管确定管子的排列
目前我国国标采用 25mm 2.5mm 和 19mm 2mm 管长
i
i d i u i i i 0.023 d i i
0.8
c p ui i
0.4
1 K do d bd 1 Rsi o o Rso i di d i d i o QO S Kt m
工艺结构尺寸
原则： 不洁净和易结垢的液体宜在管程 ①
② 腐蚀性流体宜在管程
③ 压强高的流体宜在管内 ④ 饱和蒸汽宜走壳程 ⑤ 被冷却的流体宜走壳程 ⑥ 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热
器，宜将给热系数大的流体通入壳程
⑦ 流量小而粘度大的液体一般以壳程为宜
列管式换热器内常用的流速范围
不同粘度液体的流速
。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
3、流速的确定
换热器常用流速的范围
介质 流速 管程流速 ，m/s 壳程流速 ,m/s 1.0-2.0 0.8-1.5 0.5-1.5 0.5-1.5 0.5-37 0.2-1.5 >1.0 >0.5 0.8-1.8 0.4-1.0 0.5-1.5 5-30 0.3-0.8 2-15 循环 水 新鲜水 一般液 体 易结垢 液体 低粘度 油 高粘 度油 气体
u0 :
F:
按壳程流动面积 A BD N d 计算所得的壳程流速 管子排列形式对压降的校正系数
0 TC 0
f0 : Ps P允
壳程流体摩擦系数
可增大挡板间距
实例
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 1 R K估 i 0
Q A计 Kt m
盐类，其溶解度随着温度上升而降低，为了防止盐类 析出，形成垢层，工业冷却水出口温度应小于 45C
若根据
P 、 在图上找不到相应的点，表明 R
此种流型无法完成指定换热任务，应改为其他流 动方式。
化时，可能使 急剧下降，影响操作的稳定性， 应改为其他流动方式。
若
0.8 ，经济上不太合理，且操作温度变
子排列方式有关
• 正三角形排列：
正方形排列：
nc 1.1 N
nc 1.19 N
多管程排列
D 1.05
N---排列管子数目
N
----管板利用率（正三角形排列2管程：0.7-0.85；
>4管程：0.6-0.8 正方形：2管程：0.55-0.7 ; >4管程：0.45-0.65
设计示例
确定物性数据
壳程油的定性温度为： T＝90℃ 管程流体的定性温度为： t＝35 ℃
根据定性温度查处煤油和水物性
• • • • 密度 定压必热容 导热系数 粘度
计算总传热系数
QO mo c p t o t1 t 2 t m t1 ln t 2 QO wi c p t i Re d i ui i
流动空间选择的具体措施
（1）宜于通入管内空间的流体 不清洁的流体 体积小的流体 有压力的流体 腐蚀性强的流体 与外界温差大的流体 （2）宜于通入管间空间的流体 当两流体温度相差较大时，α值大的流体走管间 若两个流体给热性能相差较大时，α值小的流体走管间 饱和蒸汽走管间 黏度大的流体走管间 泄露后危险性大的流体走管间
0.14
若 0 太小，则可减少挡板间距
实例
Ⅴ.压降校核
① 管程阻力校核
u l Pt 3 f t N P i 2 d
N P : 管程数
f t : 管程结垢校正系数，对三角形排列取1.5，
正方形排列取1.4
3 Pt N P 改变管程数，应兼顾传热与流体压降两方面 的损失
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
T1 t1 ln T2 t 2
t 2，求对数平均推动力
t m逆 进行 修正 t 2 t1 T1 T2 P R T2 t1 t1 t 2 t m t m逆 查图得到
实例
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t m逆
管外清洗方便
0.14 1 低粘度 w 0.14 高 粘 度 液 体 被 加 热 1.05 w w 0.95 高 粘 度 液 体 被 冷 却 w
换热器核算
1.热量衡算 由于采用圆缺形折流板，可采用克恩公式
o 0.55 1/ 3 o o 0.36 Re o Pr de w
0.14
当量直径，若是正三角形排列
3 2 2 4 t do 2 4 de d o
壳体流通截面积
Pt P允 必须调整管程数目重新计算
实例
② 壳程阻力损失
2 2B u0 Ps Ff 0 NTC N B 1 N B 3.5 f s D 2
NB :
NTC :
B: D:
折流板数目 横过管束中心线的管子数 折流板间距 壳体内径
⑤管程给热系数 i
Re 1000 物性系数在定性温度下求得
d i ui Cp i 0.023 di
qv NP i 2 0.785d i n
若 i
0.8
0.3 ~ 0.4
m
do S o BD1 t
壳程流速及雷诺数为
煤油处理量 /(3600* 煤油密度） uo 壳程流通截面积 Re＝
o o o
uo
一.设计任务书
T 1. 已知热流体热量 qm 1 ，温度 T1、 2 ，
冷却介质 温度 t 1
2. 确定换热面积及选定换热器
3. 选用一台合适的离心泵
A NTd 0 l
A
A计
1.10 ~ 1.20
否则重新估计 K 估 ，重复以上计算 实例
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 t 2opt
根据一般经验过程要有一定的推动力， t 10C m 冷却介质若是工业用水，含有 CaCO3 、MgCO3 等
（2）换热器减少热损失
（3）管、壳程的决定应做到便于除垢和修理，以保证运行的可靠性 （4）应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。从这个角度来 讲，顺流式就优于逆流式 （5）对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄露，应特别注意其密 封性，密封不仅要可靠，而且应要求方便及简洁 （6）应尽量避免采用贵金属，以降低成本
l
有1.5、2、3、4.5、6、9m
④折流挡板
安装折流挡板的目的是为了提高管外
对圆缺形挡板，弓形缺口的常见高度 取壳体内径的20%和25% 国标挡板间距： 固定管板式：100、150、200、300、450、600、700mm 浮头式：100、150、200、250、300、350、450 （或480）、600mm
列管式换热器的工艺设计
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