管壳式换热器设计
管壳式换热器设计要领
管壳式换热器设计要领1.结构设计：管壳式换热器由壳体、管束、管板、管头盖板等部分组成。
在设计中，需考虑到换热器的耐压性能、换热面积、流体分布等因素。
换热器的结构应具有良好的刚性和密封性能，以确保设备的可靠运行。
2.材料选择：换热器的材料选择直接影响其性能和使用寿命。
一般来说，壳体、管束等部分可选用碳钢、不锈钢、铜合金等材料，而密封件宜选择耐高温、耐腐蚀的材料。
在实际应用中，还需要根据工艺要求和介质特性选择合适的材料。
3.传热计算：换热器的传热计算是设计的重要环节之一、传热计算需要确定换热器的传热系数、摩擦阻力、压降等参数。
传热系数的计算可采用经验公式或传热实验数据进行估算。
同时，需考虑换热介质的性质、流体状态和流速等因素。
4.流动特性：换热器的流动特性对传热效果和设备性能有重要影响。
合理设计的管束结构和流体分布能有效提高传热效果。
同时，应考虑流体在管束间和壳内的流动方式，如单相流、两相流、多相流等。
对于热敏介质，还需注意避免结垢、热点等问题。
5.安全性和维修性：管壳式换热器在使用过程中要保证安全性和维修性。
在设计中要考虑到设备的容易维修、更换部件的便利性，以及防止泄漏、爆炸等安全事故的发生。
合理的结构设计和材料选择可以提高设备的可靠性和安全性。
6.经济性：在设计过程中要全面考虑成本和效益，追求经济性指标。
应根据具体的工艺要求和使用情况，合理选择换热器的型号、大小和材料。
在满足工艺条件的前提下，尽量降低投资成本和运行成本，提高设备的经济效益。
综上所述，管壳式换热器的设计要领主要包括结构设计、材料选择、传热计算、流动特性、安全性和维修性、经济性等方面。
合理的设计能够保证设备的正常运行和高效换热，同时提高设备的安全性和经济性。
在具体的设计中应根据实际情况进行优化和改进，以满足特定工艺要求和使用要求。
管壳式换热器的课程设计
避免选用不合适的材料导致设备损坏 或安全事故；注意材料的兼容性和与 其他材料的接触情况；考虑材料的可 加工性和安装维护的便利性。
04
管壳式换热器的优化设计
传热效率优化
01
传热效率
通过选择合适的材料、优化管程和壳程流体的流速和温度，以及采用强
化传热技术，如增加翅片、改进管子形状等，提高换热器的传热效率。
管件与结构
优化换热器内部的管件和 结构，减少流体流动过程 中的局部阻力，降低压力 损失。
结构强度优化
1 2
应力分析
对换热器进行详细的应力分析，确保其在正常操 作条件下具有足够的结构强度和稳定性。
材料选择
根据使用条件和要求，选择合适的材料和厚度， 以提高换热器的结构强度和耐腐蚀性。
3
支撑与固定
合理设计换热器的支撑和固定结构，以减小应力 集中和振动，提高其结构强度和使用寿命。
新材料与新技术的应用
新型材料
采用高导热性能的复合材料、纳米材料等，提高换热器的传热效率。
新型涂层
利用先进的涂层技术，如陶瓷涂层、金属氧化物涂层等，增强换热器的抗腐蚀和 耐磨性能。
节能减排与环保要求
高效节能
研发低能耗的换热器，优化换热器结构，降低运行过程中的能源消耗。
环保设计
采用无毒、无害的材料，减少换热器对环境的影响，同时对换热器产生的废弃物进行环保处理。
能源与动力工程领域的应用
发电厂
管壳式换热器可用于加热和冷却发电厂中的各种 流体，如锅炉给水、凝结水和冷却水等。
船舶工程
在船舶工程中，管壳式换热器可用于船舶发动机 的冷却和加热，以及生活用水的加热和冷却。
采暖系统
在供暖系统中，管壳式换热器可用于将热量从热 源传递到水中，为建筑物提供热水供暖。
管壳式换热器的设计
管壳式换热器的设计管壳式换热器是一种常用的换热设备，广泛应用于石油化工、冶金、电力、制药、食品等行业。
它由壳体、管束、管板、管箱等组成，能够有效地将两种介质之间的热量传递。
下面将从换热原理、设计要求和结构设计等方面进行详细介绍。
一、换热原理管壳式换热器通过管壳两侧的介质进行热量传递。
其中，一个介质在管内流动，被称为"壳侧流体"，另一个介质在管外流动，被称为"管侧流体"。
壳侧流体通过壳体流动，而管侧流体则通过管束流动。
热量传递主要通过壳侧流体和管侧流体之间的传导和对流传热方式进行。
二、设计要求1.热量传递效果好：要求在换热器内两种介质之间实现高效的热量传递，以满足工艺要求。
2.压力损失小：为了保证介质流动的稳定性和降低能源消耗，设计时需要尽量减小换热器内的动能损失。
3.适应不同工艺条件：换热器的设计要能适应不同的流量、温度和压力等工艺条件的变动。
4.安全可靠：要求在设计中考虑到换热器的安全性和可靠性，尽量减少故障率。
三、结构设计1.壳体：壳体是换热器的外壳，一般采用钢质材料制造。
壳体的选择应考虑到介质的性质、压力和温度等参数，并采取相应的增强措施。
2.管束：管束是由多根管子组成的，一般采用金属材料或塑料制造。
管束的设计要考虑到介质对管材的腐蚀性、温度和压力等参数，同时也要考虑到换热面积的要求。
3.管板：管板位于管束两端，起到支撑和固定管束的作用，一般采用钢质材料制造。
管板的设计要考虑到壳侧和管侧流体的流动特性，并采用合适的孔洞布置，以保证流体的均匀流动。
4.管箱：管箱是安装在管板上的设施，主要用于集流壳侧流体并将其引导出换热器。
管箱的设计应考虑到壳侧流体的流动特性和流量等参数，以实现流体的顺畅流动。
在设计过程中，需要进行换热器的热力计算和结构力学计算，以确定壳体、管束和管板等部件的尺寸和选材。
同时，还需要根据不同工艺和使用条件的要求，进行热交换面积的计算和确定。
管壳式换热器结构设计
管壳式换热器结构设计在化工、石油和能源等领域中，管壳式换热器是一种广泛应用的高效换热设备。
本文将详细探讨管壳式换热器的结构设计，包括材料选择、传热原理和应用特点等方面的内容，旨在提高设备的传热效率和可靠性。
一、管壳式换热器的基本结构管壳式换热器主要由壳体、管束、折流板、进出口接管等部件组成。
其核心部分是管束，它由许多平行排列的传热管组成。
这些传热管的一端与壳体连接，另一端则通过封头与进出口接管相连。
在操作时，一种流体（例如水或油）在管内流动，另一种流体（例如蒸汽或冷凝液）在壳侧流动，两种流体通过管壁进行热交换。
二、材料选择与优化管壳式换热器的材料选择对其性能和可靠性至关重要。
壳体通常采用碳钢、不锈钢和钛等材料，而管束则通常采用不锈钢、铜和钛等具有优良传热性能和抗腐蚀性的材料。
在某些特殊情况下，还可以考虑对关键部位进行表面处理，以提高抗腐蚀性和耐磨性。
三、传热原理与优化管壳式换热器的传热原理主要是通过对流传热和热传导的组合来实现的。
为了提高设备的传热效率，可以采用以下措施：1、改变折流板的形状和布置，以增加壳侧流体的湍流度。
2、选择具有高导热系数的材料，以提高管壁的热传导性能。
3、适当增加管束数量和布置密度，以增加传热面积。
四、应用特点与优势管壳式换热器在各种工业领域中得到了广泛应用，主要特点有：1、结构紧凑，占地面积小，易于布置。
2、材料选择广泛，适用于各种不同的工艺条件和腐蚀性介质。
3、传热效率高，能够实现两种流体的有效热交换。
4、制造工艺成熟，操作维护方便，使用寿命较长。
五、结论本文对管壳式换热器的结构设计进行了全面分析，包括材料选择、传热原理和应用特点等方面的内容。
通过合理的结构设计，可以显著提高管壳式换热器的传热效率和可靠性，使其在各种工业领域中发挥更加重要的作用。
随着技术的不断进步，管壳式换热器的设计和制造水平也将不断提升，为工业生产带来更大的价值。
六、展望随着工业生产的不断发展和能源紧缺的压力日益增大，管壳式换热器的应用前景更加广阔。
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。
管壳式换热器的设计
六、折流挡板
作用： ①提高壳程内流体的流速；
②加强湍流强度； ③提高传热效率； ④支撑换热管。
形式：
圆缺形
盘环形
最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的
10%~40%，一般取20%~25%。
两相邻挡板的距离（板间距）h为外壳内径D的（0.2~1）倍。
• 板间距过小，不便于制造和维修，阻力较大； • 板间距过大，流体难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。
s 1.72 Re 0.19
Re u0 d e
de当量直径， m；NB折流挡板数； u 0为壳层中流体的流速， m s1
设计步骤
1、试算并初选设备规格
① 确定流体在换热器中流动途径。 ② 根据传热任务计算热负荷Q。 ③ 确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的形 式；计算定性温度，并确定在定性温度下的流体物性。
五、管程和壳程数的确定
1.管程数
当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较 低，对流系数较小。 为提高管内流速，可采用多管程。 但管程数过多，管程流动阻力加大，增加动力费用；多程会使平均温度差下降； 多程隔板使管板上可利用面积减少 标准中管程数有：1、2、4和6程，多程时应使每程管子数大致相等。-管程数Np：Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ 4-公称压力PN,MPa
• •
5-公称换热面积SN,m2
一、流体流径的选择-冷、热流体走管程或壳程
① 不洁净和易结垢的液体宜在管内-清洗比较方便
② 腐蚀性流体宜在管内-避免壳体和管子同时腐蚀，便于清洗 ③ 压强高的流体宜在管内-免壳体受压，节省壳程金属消耗量
系列标准中，采用的h（mm）值为： • 固定管板式：150,300,600； • 浮头式：150,200,300,480和600.
管壳式换热器的设计
管壳式换热器的设计
1.传热面积的计算：传热面积决定了热交换效果的好坏，计算传热面
积是设计的第一步。
传热面积的大小受到工艺需求、流体特性和设备尺寸
等因素的影响。
2.流体流速的选择：流体流速对传热效率有重要影响。
流速不宜过大，以免增加流体阻力和泵耗能，但也不宜过小，以免影响传热效果。
需要通
过经验和实验确定合适的流速范围。
3.换热器的参数选择：根据工艺要求和流体性质选择合适的管壳式换
热器参数，如管子和外壳的材料、厚度和长度等。
一般情况下，不同材料
的换热器对不同的流体具有不同的传热效果和抗腐蚀能力。
4.温度和压力的控制：管壳式换热器工作时，内外两种流体通常以不
同的温度和压力运行，因此需要采取相应的措施确保换热器的安全性能。
这包括选择合适的密封材料、加装安全阀和温控装置等。
5.清洗和维护的考虑：管壳式换热器在长期使用过程中会有积垢和堵
塞的问题，因此需要预留清洗口和维护通道，并定期进行清洗和维护工作，以保证换热器的正常运行。
总之，管壳式换热器的设计需要综合考虑传热效率、流体性质、工艺
要求和设备安全性能等因素，确保换热效果良好、运行安全可靠。
通过合
理的设计和选择，可以使管壳式换热器发挥最佳的效果，实现节能降耗的
目的。
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按GB151-2014规定，取标准直径
44长径比l/Ds=4.5/0.5
45管程接管直径
D 2
mm
按钢管标准取值46管程雷诺数Re 2
47
管程换热系数
α2
W/(
·℃)48折流板形式选定
49折流板缺口高度h m 取h=0.25Ds=0.25×0.5
50折流板的圆心角度51折流板间距l s m (0.2～0.1)Ds=(0.2～0.1)×0.5=0.1～0.5,取
52折流板数目N b 块l/l s -153折流板上管孔数个由图得
54折流板上管孔直径d H
m 由GB151-2014规定
55流过折流板上管子数目根由图56
折流板缺口处管子数目
根
由图
57折流板直径D b m 由GB151-2014规定58折流板缺口面积A wg
m 2
59错流区内管数占总管数的百分比Fc
60缺口处管子所占面积A wt ㎡
61流体在缺口处流通面积A b
㎡
A b =A wg -A wt =0.03839-0.01237
62流体在两折流板间错流流通截面积
A c
㎡
63壳程流通截面积As ㎡64壳程接管直径D 1mm 按 计算，并由钢管标准选接近规格65错流区管排数
N c 排由图
66每一缺口内的有效错流管排数
N cw 排
67旁流通道数N E 68
旁通挡板数
N ss
对选取69错流面积中旁流面积所占分数F bp
70
一块折流板上管子和管孔间泄漏面
积
A tb
㎡
71
折流板外缘与课题内壁之间泄露面
积
A sb ㎡21000mm =D 22226
w 19940.021Re =
71910ρμ-⨯⨯=⨯i d 2
2i
0.80.4220.80.4
0.023Re Pr d 0.623 =0.02329023 4.80.021
λα=
⨯⨯⨯
⨯2wg 2o 1
2[(1)sin ]4220.5120π20.125 [0.5-（1-）sin60]
41800.5
s Ds h A D θ
θ=
--⨯=⨯s s c s 122{2sin[arccos()]22arccos()}
10.520.1250.520.125{2sin[arccos()]0.4730.473
0.520.125
2arccos()}
0.473π（）ππ（）π--=+-
--⨯-⨯=+-⨯-L L
L
D h D h
F D D D h
D 2
wt 2
d (1)
8
0.025140(10.64)
8
ππ =-⨯=⨯⨯-t o c A n F 0
c 0[()]0.4730.025
0.25[0.50.473(0.0320.025)]
0.032-=-+
--=-+-L s s L D d A l D D s d s
s A 2
1D 0.02854
π=p
s h N ⨯
=8.0cw bp 1
[]/2
[0.50.4730.510.044]0.25/0.031
=-+=-+⨯⨯⨯s L E E s c
F D D N l l A sb ()2[arccos(1)]20.5(0.50.4955)20.25[-arccos(1)]
20.5s s b s
D D D h
A D -=
---⨯=-ππtb 001
d ()(1)2
0.0250.0254-0.0250.510.64136
ππ（）（）=-⨯+=⨯⨯⨯+⨯t
H c A d d F n 2
ｍ
72壳程雷诺数Re 1604873理想管数传热因子j H 由图2.280.0174
折流板缺口校正因子
j c
由图2.29
1
75
折流板泄漏校正因子
j 1
0.7
76旁通校正因子j b 0.8277壳程传热因子j o j 0=j H j c j 1j b
0.005778壳程质量流量G s G s =M 1/A s =4.17/0.0285
146.279壳侧壁面温度t w ℃
假定6380
壁温下煤油粘度
μw1
kg/(m·s)
查物性表
0.001080
81壳侧换热系数α1W/(㎡·℃)314.982水垢热阻r s,2(㎡·℃)/W 查有关资料0.0005283煤油污垢热阻r s,1
(㎡·℃)/W
查有关资料
0.0004184管壁热阻
略
85传热系数K
W/(m 2·℃)
#NAME?
86传热面积F ㎡#NAME?87传热面积之比F ,,/F 72.1/61.85
#NAME?88检验壳侧壁温t w1℃#NAME?89管内摩擦系数f i 查图2.35
0.006590管侧壁温t w2℃假定4091
壁温下水的粘度
μw2
kg/(m·s)
查物性表
#NAME?
92沿程阻力
ΔP i
Pa
#NAME?
93回弯阻力ΔP r Pa #NAME?94进出口连接管阻力ΔP N Pa #NAME?95两台管程总阻力ΔP t Pa
#NAME?96
理想管束摩擦系数
f k
查图2.36
0.19
97理想管束错流段阻力
ΔP bk
Pa
#NAME?
98
理想管束缺口处阻力
ΔP wk
Pa
59.9
99旁路校正系数R b ——查图2.380.79
折流板泄漏校正系数R 1——查图2.370.55折流板间距不等的校正系数
R s ——间距相等，无需校正
1
壳程总阻力
ΔP s ,
Pa
#NAME?
10161 4.170.025
e 604.5100.0284
μ-⨯=
=
⨯⨯s M d R A sb sb 0.0023650.0035
0.18890.0310.0023650.400.0023650.00352.30由
及查图++====++tb c sb tb A A A A A A ss bp 30.3330.3959
2.31
由及查资料图线===c N F N s m ⋅2kg 112/30.14
102/3
j Pr (/)0.0060146.2233013.7
/1.0846
αμμ--==⨯⨯⨯p s w G c 001
,1,2121
11[
]125125 =[0.000520.00041]314.921476121αα--=+++++⨯+⨯s s i i d d K r r d d m
=621770/236*42.63t Q
F K =
⋅∆m
s m t r K t ∆+-=)1
(
t 1,0
011w α2
0.14
i 26-0.14
64(/)2
4 4.59967191040.00650.021265410（）
ρμμ---∆=⨯⨯=⨯⨯⨯⨯⨯t
i
w i L w P f d 2
4996r 4
422t t w P Z ρ⨯∆==⨯2
1
95.9965.12w 5.12t ⨯⨯
==∆ρN P N
i P P P ++∆=∆r t P 220.14
k 111
224(/)2 4.178
=40.19 1.084
20.031744
μμρ-∆=⨯⨯⨯
⨯⨯⨯s c
b k
w c M N P f A 2
k 1
2(20.6)
24.17(20.6 3.7)20.0320.044774
ρ∆=
++⨯=
⨯⨯⨯s w cw b c M P N A A s c
cw
b bk wk b b bk b R N N R P R P N R P N P )1(2])1[(1s +
∆+∆+∆-=∆
103两台的壳程总阻力ΔP s PaΔPs,=2ΔPs#NAME?附
录
备注
1.704748092 0.833333333
0.1
以外径为准
4.5
#NAME?
见图
合理
1.19047619
稍大
与原假定值差
0.42℃
两台
两台
没有超过表2.10的规定
没有超过表2.10的规定。