[工学]管壳式热交换器设计全解
管壳式热交换器设计全解2
管壳式热交换器设计全解2管壳式热交换器设计全解2管壳式热交换器是一种常用于工业生产和能源领域的热交换设备。
它通过管道内的流体与外壳内的流体进行热量传递，以达到加热或冷却的目的。
在设计管壳式热交换器时，需要考虑多个因素，如传热效率、流体流动特性和结构强度等。
首先，传热效率是管壳式热交换器设计中最重要的指标之一、传热效率取决于管道和外壳的材料选择、管道长度和内部结构等因素。
一般来说，传热效率越高，热交换器的性能越好。
为了提高传热效率，可以采用高导热性的材料，如铜或铝合金制成管道和外壳，同时增加管道的长度和增加管道内部的换热面积。
其次，流体流动特性也是设计管壳式热交换器时需要考虑的因素之一、流体的流动性质对于换热效果有重要影响。
一般来说，流体流速越大，传热效果越好。
因此，在设计中可以增加流体流速，以提高传热效率。
此外，还可以采用流体分流器或流体导流板等结构来改变流体的流动路径，以增加流体与管道内壁的接触面积，从而提高传热效率。
另外，结构强度也是设计管壳式热交换器时不可忽视的因素之一、热交换器通常需要承受较高的压力和温度，因此其结构需要具有足够的强度和稳定性。
在设计中，可以采用厚壁管道和加强筋等结构来增加热交换器的结构强度，使其能够承受高温高压环境下的工作。
此外，在管壳式热交换器设计中，还需要考虑维护和清洁的便利性。
热交换器使用一段时间后，会因为结垢或污垢而影响传热效果，因此需要定期进行清洗和维护。
在设计中，可以考虑采用可拆卸式管道和外壳的结构，以便于清洗和维修。
最后，还需要考虑经济性和可持续性。
热交换器的设计应尽量降低成本，提高使用寿命。
为了实现这一目标，可以选择经济实用的材料和工艺，提高热交换器的性能和效率。
综上所述，管壳式热交换器的设计需要考虑传热效率、流体流动特性、结构强度、维护和清洁的便利性、经济性和可持续性等因素。
在实际应用中，还需要根据具体的工况要求和使用环境来进行设计和选择合适的材料和结构，以满足不同生产和能源领域的需求。
管壳式热交换器设计全解83页PPT
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6、黄金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
Байду номын сангаас
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7、心急吃不了热汤圆。
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8、你可以很有个性，但某些时候请收 敛。
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9、只为成功找方法，不为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
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10、只要下定决心克服恐惧，便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为，请 记住， 除了在 脑海中 ，恐惧 无处藏 身。-- 戴尔． 卡耐基 。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
管壳式热交换器设计全解
1 4 1 4
23 23
1 4 2 2
44
1 4 2 2
1×4表示甲流体为单流程、四通道 2×2表示乙流体为两流程、两通道
b 密封垫圈
密封作用，防止介质漏出（外漏）
在两板片间造成一定的间隙，形成介质的流道（内漏）
高效就是换热效率高，结构紧凑 即在增加换热器的传热面积的同 时，也要减小换热器的体积 “紧凑性”—热交换器的单位体 积中所包含的传热面积的大小， m2/m3 紧凑式热交换器：>700m2/m3 非紧凑性热交换器：<700m2/m3
3
第一节 螺旋板式热交换器
螺旋板式换热器
螺旋板式换热器由两块金属薄板焊接在一块分隔板上并卷制成螺 旋状而构成的。卷制后，在器内形成两条相互隔开的螺旋形通道， 在顶、底部分别焊有封头和两流体进出口接管。其中有一对进出 口接管是设在园周边上，而另一对进出口则设在圆鼓的轴心上。 换热时，冷、热流体分别进入两条通道，在器内作严格的逆流流 动。 4
具有的共同特点
位缺口； ⑥板片组装后保持流道一定的间 隙、并使流层“网状”化的触点， 可使板片在两侧介质有压差情况 下减少板片的变形； ⑦使介质能均匀沿板片流道宽度 分布的导流槽；
37
介质在板片间的流动
单边流 对角流
单边流
对角流
换向板片：根据流程的需要，相应不冲出某些角孔，介质遇 到盲孔即拐弯，进行换向，增加介质的流程
操作压力和温度不能太高，尤其是所能承受的压力比较低，操作 压力只能在20atm以下，操作温度约在300-400℃以下。
不易检修，整个换热器已被卷制焊接为一个整体，一旦发生中间 泄漏或其他故障，设备即告报废。
热交换器原理与设计管壳式热交换器
☆旁路挡板可减小管束外环间隙的短路，用它增加阻力，迫 使大部分流体通过管束进行热交换。其厚度一般与折流板厚 度相同，将它嵌入折流板槽内，并点焊在每块折流板上。
或有腐蚀性介质不能走壳程。当壳体与换热管温差很大时， 可设置单波或多波膨胀节减小温差应力。
管壳式换热器结构名称
单程管壳式换热器
1 —外壳，2—管束，3、4—接管，5—封头 6—管板，7—折流板
管子两端固定在管板上，管束与管板再封装 在外壳内。两种流体分管程和壳程。
TA,out TB,in (shell side)
管板与壳体的连接
表 2.4 管板最小厚度 mm
换热管外径 d0
≤25 25＜d0＜50
用于易燃易爆
管板最小 厚度δmin
有毒介质等严 格场合
用于无害介质
的一般场合 ≥0.75d0
≮d0 ≥0.70d0
≥50 ≥0.65d0
程数
2
流口 体端 分 进隔 出板 程
图 另一 隔端 板
分程隔板
4 (平行)
4 (丁字形)
6
2.1.5 纵向隔板、折流板和支持板
☆为提高流体流速和湍流程度，强化壳程流体 传热，在壳程常装设纵向隔板或折流板。
☆折流板除使流体横过管束流动外，还有支撑 管束、防止管束振动和弯曲的作用。
☆折流板常用形式有：弓形、盘环形 (或称圆 盘－圆环形)。弓形折流板有 单弓形、双弓形和三弓形三种。
32
38
管壳式换热器设计总结
管壳式换热器设计总结管壳式换热器是一种常见的热交换设备，广泛应用于化工、石油、制药等行业。
其设计涉及到许多方面，包括换热原理、结构设计、材料选择等。
本文将从这些方面对管壳式换热器的设计进行总结和分析。
管壳式换热器的换热原理是通过管内流体与壳侧流体之间的热传导来实现热量的交换。
管内流体一般为待加热或待冷却的介质，而壳侧流体一般为冷却剂或加热介质。
通过这种方式，可以实现两种介质之间的热量转移，达到加热或冷却的目的。
管壳式换热器的结构设计是十分重要的。
它由管束、壳体、管板、管侧流体进出口以及壳侧流体进出口等部分组成。
管束是换热的核心部分，通过将多根管子固定在管板上，形成流体的通道。
而壳体则是管束的外部保护壳，起到支撑和密封的作用。
管侧流体通过管侧进出口进入管束内，与管内流体进行热量交换，然后再通过壳侧进出口流出。
这样的结构设计，既保证了换热效率，又方便了设备的安装和维护。
管壳式换热器的材料选择也是十分重要的一环。
由于在换热过程中，介质可能存在腐蚀、高温等问题，因此需要选择耐腐蚀、耐高温的材料。
常见的材料有不锈钢、钛合金等。
对于特殊的工况，还可以采用陶瓷、镍基合金等材料。
在管壳式换热器的设计过程中，还需要考虑一些其他因素。
首先是换热面积的确定，它与换热效果直接相关。
一般来说，换热面积越大，换热效果越好。
其次是流体的流速和流量，它们对换热器的换热效果和压力损失有着重要影响。
此外，还需要考虑到换热器的尺寸和重量，以及设备的安全性和可靠性等方面。
在实际应用中，还需要根据具体的工况和要求进行换热器的定制设计。
例如，在高温高压的条件下，需要采用密封性好、耐高温高压的结构和材料；在对流体的温度变化要求较高的情况下，需要采用多级换热器或增加管程等方式来提高换热效果。
管壳式换热器的设计需要考虑多个方面的因素，包括换热原理、结构设计、材料选择等。
合理的设计可以提高换热效率，降低能耗，满足工业生产的需求。
同时，还需要根据具体的工况和要求进行定制设计，以提高设备的安全性和可靠性。
热交换器原理与设计第2章 管壳式热交换器
☆挡管是两端堵死的管子，安置在相应于分程隔板槽后面的 位置上，每根挡管占据一根换热管的位置，但不穿过管板， 用点焊的方法固定于折流板上。通常每隔3～4排管子安排一 根挡管，但不应设置在折流板缺口处，也可用带定距管的拉 杆来代替挡管。
优点：结构简单，制造成本低，规格范围广，工程中应用广泛。 缺点：壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对较脏
或有腐蚀性介质不能走壳程。当壳体与换热管温差很大时， 可设置单波或多波膨胀节减小温差应力。
管壳式换热器结构名称
单程管壳式换热器
1 —外壳，2—管束，3、4—接管，5—封头 6—管板，7—折流板
图2.25 折流板的几何关系
2.2.4 进出口连接管直径的计算
进出口连接管直径的计算仍用连续性方程， 经简化后计算公式为：
D 4M1.13M
πρw
ρw
2.3 管壳式热交换器的传热计算
1) 选用经验数据：根据经验或参考资料选用工艺条 件相仿、设备类型类似的传热系数作为设计依据。 如附录 A。 2) 实验测定：实验测定传热系数比较可靠，不但可 为设计提供依据，而且可以了解设备的性能。但实 验数值一般只能在与使用条件相同的情况下应用。
焊在换热管上）。
图2.23 防冲板的形式
a) 内导流筒 图2.24 导流筒的结构
b) 外导流筒
★导流筒
❖ 在立式换热器壳程中，为使气、液介质更均匀地流入管间， 防止流体对进口处管束段的冲刷，而采用导流筒结构。
《热交换器原理与设计》管壳式热交换器设计资料
0.14
1.05
f
0.14
w
0.95
气体
f
w
0.14
1.0
同时存在对流换热与辐射换热的处理
具有辐射能力的气体
辐射
温度较高
对流 《热交换器原理与设计》管壳式热
交换器设计资料
总换热系数
7
c r
辐射
T1 4 T2 4
r
nC0100T1
100 T2
式中： C0——黑体辐射常数，其值为5.67W/(m2k4)
二、流体温度和终温的确定
流动方式 传热面积
已知
平均温差 传热单元数法
《热交换器原理与设计》管壳式热
交换器设计资料
28
可以参考数据选择流体度和换热终温:
热端温差不小于20℃
冷端温差不小于5℃
冷却器 冷流体的初温应高于热流体的凝固点 冷凝器 含有不凝结气体冷凝，冷流体的终温要求
低于被冷凝气体的露点以下5℃
管长与管径的比例《热关交系换器：原理与设计》管壳式热
交换器设计资料
30
单管程
流速一定，流通截面积At，管子数为
n
4 At
d i 2
传热面积F,管长L应为
L
F
dn
略去内径与计算直径的差别
L
F 4 At
di
《热交换器原理与设计》管壳式热
交换器设计资料
Байду номын сангаас
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四、流体流动速度的选择
流体的流动速度要尽量使流体呈湍流状态 避免产生过大压降 考虑机械条件与结构要求
第二章 管壳式热交换器
《热交换器原理与设计》管壳式热
交换器设计资料
管壳式热交换器设计全解6-PPT课件
式中：
参与传热的周边
5
粘度修正 非定温 流动
f w
n
因子修正项
Pr f Pr w
m
Pr的不同方次
壁温未知
加热 冷却 加热 冷却
热流 方向
近似值
试差法
液体
气体
6
液体
加热
f w
0.14
1.05
0.14
冷却
气体
f w
q t t 1 1 s w 1
比较q1与q2是否相等
最终求得壁温tw1=98 ℃,
13
第四节 管壳式热交换器的流动阻力计算
流动阻力产生的根源
流动阻力产生的条件 流动阻力大小的决定因素
黏 性 固体壁面 物理性质 流动状况 壁面因素
热交换器流动阻力分类
摩擦阻力 局部阻力
14
管程阻力
假设壁温时，假设值应接近α值大的那种流体的温度。 如果要考虑污垢热阻时，应该加入污垢热阻的因素。
方法
作图 牛顿迭代法。
11
在某一钢制立式管壳式热交换器中用饱和温度ts=111.38℃ 材料的导热系数λ=52w/(m ℃),管内溶液的平均温度t2=68 ℃, 换热系数α 2=3348w/(m2 ℃) 求蒸汽侧的管壁温度tw1。
第二章 管壳式热交换器
1
与换热系数有关的几个问题
定性温度
取法
流体的平均温度 壁面温度 流体和壁面的平均温度
分段
油类
高粘度流体
计算
流体进出口的 算数平均温度 卡路里 温度
2
卡路里 温度特点 卡路里
传热系数可以被视为常量 传热系数和平均对数平均温差的乘积等于 变化的传热系数和实际温差的乘积。
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L 以放热热量为准的对外热损失系数，通常为0.97-0.98
2
由式③可以知道 W1 W2
t 2 t1
冷流体的加热度 热流体的冷却度
可见 ：两种流体在热交换器内的温度变化与他们的热容量成反比
3 由 W1t1= W2t2 =Q，还可以知道，在热交换器内，热容量
越大的流体，温度变化值越小，热容量越小的流体，温度变
Q M1i1 i1 M 2 i2 i2
② 适用于任何流体
t1
t2
Q M1 C1dt1 M 2 C2dt2
t1
t2
适用于无相变流体
M1 M 2 分别为热流体与冷流体的质量流量 ，Kg/s
i1 i2 分别为热流体与冷流体的焓，J/Kg
C1 C2 分别为两种流体的定压质量比热，J/(Kg·℃)
t1
t1 dt1 t1
W qmC
t2 dt2 t2
t2
W ： 流体热容量
意义：单位温度变化下产生的流动流体的能量储存
速率。
微元传热面传递的热流量： d K (t1 t2 )dA
A Kt1 t2 dA
工程上： Kmtm A
平均传热系数Km 平均温差△tm
化值越大
4 计算流体的热容量时，M与c的单位必须一致
5 已知热交换器热负荷的条件下，热平衡方程可用于确定 流体的流量
2.2热交换器传热计算的基本方法：
平均温差法 效率（效能）－传热单元数法（η－NTU） 一、平均温差法
流体1的放热量 流体2的吸热量
qm1C1 t1' t1''
t1 热流体在热换器内的温降值，也称冷却度，℃
t2 冷流体在热交换器内的温升值，也称加热度，℃
c1
c2
分别为热、冷流体在进、出口温度范围内的平
均定压质量比热，J/(Kg·℃)
W1 W2 分别为热、冷流体的热容量，W/K
对应单位温度变化产生的流动流体的能量存储速率
讨论：
1 考虑热损失的情况下：Q1 Q2 QL 或 Q1L Q2
第二节 热交换器传热计算的 基本方法
本章要求掌握的内容：
传热过程的计算；对数平均温差的计算； 间壁式换热器的设计计算及校核计算。
热交换器热计算的基本原理
1.1 热计算基本方程 1.2平均温差法 1.3 效率—传热单元数法（传热有效度） 1.4热交换器热计算方法的比较 1.5流体流动方式的选择
1.1 热计算基本方程式
0
lntx tຫໍສະໝຸດ k Axtx texp( kAx )
可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平
qm2C2 t2'' t2'
热交换器的传热热量
A kt1 t2 dA
不考虑热交换器向外界散热热量
流体1的放热量 流体2的吸热量 热交换器的传热热量
qm1C1 t1' t1'' W1 t1' t1''
qm2C2 t2'' t2' W2 t2'' t2'
热面处的传热系数， w/（m2·℃）
dF 微元传热面积， m2
K 整个传热面上的平
均传热系数，w/ （m2·℃）
F 传热面积， m2
t 在此微元传热面处两种 tm 两种流体之间的平
流体之间的温度差，℃
均温差，℃
Q 热交换器的热负荷，W
想求得 F ，必须已知 K 、tm 、Q 。
2、热平衡方程：
Km
1 A
KdA
A
1
tm
1
d
t1 t2
1
tm A
A t1 t2 dA
二、 平均温差
流体的温度分布 1、等温有相变的传热 2、热流体等温冷凝、冷流体温度不断上升
冷流体等温沸腾、热流体温度不断下降。 3、没有相变顺流逆流 4、冷凝器（蒸发器）内温度变化情况 5、可凝蒸气和非凝结气体组成的热流体.
冷流体2
进口温度 t 2 流量 M 2 比热容 c 2
热流体1
进口温度 t1 流量 M1 比热容 c1
热交换器的换热面积F
出口温度 t 2
出口温度 t1
两流体的进口温差 t
两流体的出口温差 t
1、传热方程式：
F
Q o ktdF
工程上
Q KFtm ①
k 热交换器任一微元传
t t1 t2 dt dt1 dt2
t1 t1 dt1 t1
在固体微元面dA内，两种流体的换热 量为:
d kdA t
t2 dt2 t2
t2
对于热流体: 对于冷流体:
d
qm1c1dt1
dt1
1 qm1c1
d
d
qm2c2dt 2
dt2
1 qm2c2
13
三、换热器中传热过程对数平均温差的计算
1 简单顺流及逆流换热器的对数平均温差 流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同.
传热方程的一般形式： kAtm
换热器中冷流体温度沿换热面是不断变化的，因此，冷却 流体的局部换热温差也是沿程变化的。
以顺流情况为例，作如下假设：
（1）冷热流体的质量流量qm2、qm1以
d
dt
dt1
dt2
1 qm1c1
d kdA t
1 qm2c2
d d 1 1
qm1c1 qm2c2
dt d kdAt
dt kdA
t
tx dt k Ax dA
t t
及比热容C2,C1是常数；
（2）传热系数是常数；
t1
（3）换热器无散热损失；
（4）换热面沿流动方向的导热量可
以忽略不计。
要想计算沿整个换热面的平均温差，
t2
首先需要知道当地温差随换热面积的
变化,然后再沿整个换热面积进行平均。
t1 dt1 t1 t2 dt2 t2
在假设的基础上，并已知冷热流体的 进出口温度，现在来看图中微元换热 面dA一段的传热。温差为：
Q M1c1 t1 t1t1 M1c1 t1 t2t1 M1c1t1 W1t1
Q
Q
M 2c2
M
t2
1
t
t21
C1dt1 M 2 C2dt2
M 2c2t2t2 W2t2
Q W1t1 W2t2 ③