列管式换热器的设计计算
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。
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。
列管式换热器设计在计算和选型上的注意事项
列管式换热器（Shell and Tube Heat Exchanger）是一种常用的热传递设备，广泛应用于化工、石油、制药、食品等领域。
它以其结构简单、热交换效率高、适用范围广等优点，受到了工程技术人员的青睐。
在设计列管式换热器的过程中，需要注意许多关键的计算和选型问题，本文将从以下几个方面对列管式换热器的设计注意事项进行详细介绍。
一、换热器的性能参数计算1. 换热面积的计算换热面积是换热器设计时最为重要的参数之一，它直接影响着换热器的换热效率和性能。
换热面积的计算需要考虑流体的流速、温度差、传热系数等因素，通常采用表面传热系数和对流传热方程来进行计算。
2. 热负荷的计算热负荷是换热器所需要处理的热量大小，必须准确计算以保证换热器的性能符合设计要求。
在计算热负荷时，需要考虑流体的流速、密度、比热容等参数，以及流体的温度差等因素。
3. 温差分布的计算温差分布是指流体在换热器内部的温度分布情况，它直接影响着换热器的换热性能。
在设计换热器时，需要合理计算温差分布，以保证流体在换热器内部能够充分接触和传热。
二、换热器的选型与材料选择1. 流体性质的分析在进行换热器的选型和材料选择时，首先需要对流体的性质进行全面的分析。
包括流体的物理性质（如密度、粘度、比热容等）、化学性质（如腐蚀性、毒性等）等因素，以便选择合适的材料和型号。
2. 材料的选择换热器的材料选择至关重要，直接关系到换热器的使用寿命和安全性。
一般来说，不同的流体对材料的要求也不同，需要根据实际情况选择适合的材料，如碳钢、不锈钢、铜合金等。
3. 设备的选型在进行换热器的选型时，需要考虑实际使用情况、换热效率要求、设备的可靠性和维护方便性等因素。
同时还需考虑设备的制造标准、工作压力、温度等参数。
三、换热器的布局和结构设计1. 换热器的布局换热器的布局设计直接关系到设备的使用效果和维护便利性。
合理的布局设计可以减小流体的阻力、降低能耗、提高换热效率。
列管式换热器的设计方案计算
列管式换热器的设计方案计算设计方案计算是列管式换热器设计的关键步骤之一，它能够帮助工程师选择适当的列管式换热器类型、尺寸和工作参数。
以下是一个1200字以上的列管式换热器设计方案计算的例子，供参考：1.确定换热器类型：首先需要确定所需的列管式换热器类型。
常见的列管式换热器类型有直流式、逆流式和交叉式。
根据实际应用需求和换热效果等因素选择适合的类型。
2.确定管束尺寸：根据换热介质的流量、温度和压力等参数，计算所需的列管式换热器的管束尺寸。
例如，可以根据热传导方程和设计参数等计算出所需的管束长度、直径和数量等。
3.计算流体参数：根据提供的流体性质数据，例如流体的温度、密度、粘度和热传导系数等，计算出流体的物性参数以及相应的流体换热参数。
这些参数是设计换热器的重要基础。
4.计算传热面积：传热面积是设计换热器的重要参数之一、根据热传导方程和传热区域的形状等计算出所需的传热面积。
通常，传热面积的计算可以根据传热系数、温差和传热介质流量等因素进行。
5.计算传热系数：传热系数是换热器设计中的另一个重要参数。
通过合适的实验或经验公式，计算出传热系数，并考虑到局部传热系数不均匀的因素。
这一步骤将有助于准确地估算传热过程。
6.确定换热器的管材和流体分配：根据所需的换热效果和介质性质等，选择适当的管材和流体分配方案。
例如，可以选择不锈钢、铜或铁等耐腐蚀性好的材料，并确定合适的管道连接方式。
7.计算换热器的压降和泄漏等：换热过程中会产生一定的压降和泄漏。
根据设计参数和所选的换热器类型、尺寸等，计算出合适的压降和泄漏。
这将有助于保证换热器的正常运行和工作效果。
8.最后的设计优化和评估：根据以上计算结果，对设计方案进行优化和评估。
可以借助计算机辅助设计软件或其他工程设计工具，优化换热器的结构、材料和工作参数等，以达到更好的换热效果和经济性。
需要注意的是，以上只是列管式换热器设计方案计算的一个简单示例，具体的设计计算过程和方法将根据具体的应用需求和设计要求而有所不同。
列管式换热器的计算
四、列管式换热器的工艺计算4.1、确定物性参数：定性温度：可取流体进口温度的平均值壳程油的定性温度为T=(140+40)/2=90℃管程流体的定性温度为t=(30+40)/2=35℃根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据煤油在定性温度下的物性数据：ρo=825kg/m3μo=7.15×10-4Pa•Sc po=2.22KJ/(Kg•℃)λo=0.14W/(m•℃)循环冷却水在35℃下的物性数据：ρi=994kg/m3C pi=4.08KJ/(kg.℃)λi=0.626W/(m.℃)μi=0.000725Pa.s4.2、计算总传热系数：4.2.1、热流量m o=［（15.8×104）×103］/(300×24)=21944Kg/hQ o=m o c po t o=21944× 2.22×(140-40)=4.87×106KJ/h=1353KW4.2.1.2、平均传热温差4.2.1.3、冷却水用量W i=Q o/C piΔt=4.87×106/(4.08×(40-30))=119362 Kg/h 4.2.2、总传热系数K=0.023×××=4759W/(.℃﹚壳程传热系数：假设壳程的传热系数污垢热阻管壁的导热系数λ=45W/﹙m.℃﹚则总传热系数K为：4.3、计算传热面积S’=Q/(KΔt)= (1353×103)/(310×39)=111.9m2考虑15%的面积裕度，S=1.15×S’=128.7 m24.4、工艺结构尺寸4.4.1、管径和管内流速选用φ25×2.5传热管（碳钢），取管内流速μi=1m/s 4.4.2、管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数=(119362/(994×3600)0.785×0.022×1=106.2≈107根按单程管计算，所需的传热管长度为=128.7/(3.14×0.025×107)=15.32m按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。
列管式换热器计算
管程流体进口温度t1℃出口温度t2 ℃定性温度℃流量W1 kg/h比热CP1 KJ/(kg·K)黏度Pa·s导热系数W/(m·K)密度kg/m3热负荷KW按逆流计算的传热温差ΔT ℃计算温度校正系数PR查图求得温度校正系数Φ实际的传热温差ΔT ℃初选总传热系数K W/(m2·℃）换热面积 m2参照换热面积选取列管换热器结构参数壳体直径 mm列管数（根）列管外径 mm列管内径 mm列管长度 mm管间距 mm折流板间距 mm列管材质及导热系数 W/(m·K)设计的换热面积 m2结垢校正因子，对DN25管子取为1.4，对DN19管子取为1.5管程数串联的壳程数管子排列方式对压降的校正因子，正三角形为0.5，正方形斜转45度为0.4，正方形为0.3管程流体被加热取0.4，被冷却取0.3壳程流体被加热取0.4，被冷却取0.3管壁内侧表面污垢热阻（m2·℃）/K管壁外侧表面污垢热阻（m2·℃）/K换热管壁厚 mm换热管平均直径 mm采用此传热面积下的总传热系数 W/(m2·℃）冷却水壳程流体蒸汽凝液28进口温度T1 ℃18038出口温度T2 ℃6033定性温度℃120 244341流量W2 kg/h200004.174比热CP2 KJ/(kg·K) 4.250.0008黏度Pa·s0.000240.6176导热系数W/(m·K)0.685995.7密度kg/m3943.1 2832.99815热负荷KW2833.33333373.820987160.065789474120.966.43888844100042.6457064560024525203000321504555.81.4110.50.40.30.00020.00022.522.5764.2599722（1）核算压力降①管程压强降管程流通面积 m20.07693管程流速 m/s0.886073 Re22056.58取管壁粗糙度 mm0.1相对粗糙度0.005查图求得摩擦系数0.032直管中压力降 Pa1876.199回弯管压力降 Pa1172.625壳程总压力降 Pa4268.353②壳程压强降管子正三角形排列时，横过管束中心线的管子数17.21772折流板数19壳程流通面积 m20.025434壳程流速 m/s0.231613 Re22753.57壳程流体摩擦系数0.507648流体横过管束的压力降 Pa2211.017流体流过折流板缺口的压强降 Pa1441.878壳程总压力降 Pa3652.896（2)核算总传热系数①管程对流传热系数查表得 Pr 5.4 Nu134.746管程对流传热系数 W/(m2·℃)4160.956②壳程对流传热系数查表得 Pr 1.43 Nu78.33724壳程对流传热系数 W/(m2·℃)2146.44③总传热系数总传热系数k W/(m2·℃）782.4556此换热器安全系数 % 2.380818。
列管式换热器的设计计算
2.4 列管换热器设计示例某生产过程中，需将6000 kg/h的油从140℃冷却至40℃，压力为0.3MPa；冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水入口温度30℃，出口温度为40℃。
试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。
1．确定设计方案（1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃冷流体(循环水)进口温度30℃，出口温度40℃。
该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。
（2）流动空间及流速的确定由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。
选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取u i=0.5m/ｓ。
2．确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。
壳程油的定性温度为(℃)管程流体的定性温度为(℃)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
油在90℃下的有关物性数据如下：密度ρo=825 kg/m3定压比热容c po=2.22 kJ/(kg·℃)导热系数λo=0.140 W/(m·℃)粘度μo=0.000715 Pa·s循环冷却水在35℃下的物性数据：密度ρi=994 kg/m3定压比热容c pi=4.08 kJ/(kg·℃)导热系数λi=0.626 W/(m·℃)粘度μi=0.000725 Pa·s3．计算总传热系数（1）热流量Q o=W o c poΔt o=6000×2.22×(140-40)=1.32×106kJ/h=366.7(kW)（2）平均传热温差(℃)（3）冷却水用量(kg/h)（4）总传热系数K管程传热系数W/(m·℃)壳程传热系数假设壳程的传热系数αo=290 W/(m2·℃)；污垢热阻R si=0.000344 m2·℃/W , R so=0.000172 m2·℃/W管壁的导热系数λ=45 W/(m·℃)=219.5 W/(m·℃)4．计算传热面积(m2)考虑15％的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×42.8=49.2(m2)。
列管式换热器的设计
物性数据ρ２＝879 kg/m3
CP2＝1.813 kJ/kg·K
μ2＝4.4×10-4N·S/m2
λ2= =1.384×10-4kW/m·K
2、水蒸汽（下标1表示）的物性数据
定性温度 蒸汽压力200Kpa下的沸点为Ts＝119.6℃
物性数据ρ１＝1.1273 kg/m3
γ１＝2206.4 kJ/kg
蒸汽体积流量V＝Gν＝0.564×0.903＝0.510 m3/s
取蒸汽流速u’＝20 m/s
＝0.180m＝180mm
选用无缝热轧钢管（YB231-64）Φ194×6mm，长200mm。
3、冷凝水排出口
选用水煤气管 即Φ42.25×3.25mm，长100mm。
（七）、校核流体压力降
1、管程总压力降
1、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。
2、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。
实际管数n＝NT－NTb－n3＝169－23＝146根，每程73根排列管
实际流速
m/s
与初假设苯的流速u’2=0.55m/s相近，可行。
3、换热器长径比
符合要求（ ）
（五）、校核计算
1、校核总传热系数K值
（1）管内对流传热系数α2
W/m2·℃
（2）管外对流传热系数α1
式中：n为水平管束垂直列上的管数，n＝7；
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2.4 列管换热器设计示例
某生产过程中，需将6000 kg/h的油从140℃冷却至40℃，压力为0.3MPa；冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水入口温度30℃，出口温度为40℃。
试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。
1．确定设计方案
（1）选择换热器的类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃冷流体(循环水)进口温度30℃，出口温度40℃。
该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。
（2）流动空间及流速的确定
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。
选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取u i=0.5m/ｓ。
2．确定物性数据
定性温度：可取流体进口温度的平均值。
壳程油的定性温度为(℃)
管程流体的定性温度为(℃)
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
油在90℃下的有关物性数据如下：
密度ρo=825 kg/m3
定压比热容c po=2.22 kJ/(kg·℃)
导热系数λo=0.140 W/(m·℃)
粘度μo=0.000715 Pa·s
循环冷却水在35℃下的物性数据：
密度ρi=994 kg/m3
定压比热容c pi=4.08 kJ/(kg·℃)
导热系数λi=0.626 W/(m·℃)
粘度μi=0.000725 Pa·s
3．计算总传热系数
（1）热流量
Q o=W o c poΔt o=6000×2.22×(140-40)=1.32×106kJ/h=366.7(kW)
（2）平均传热温差
(℃)
（3）冷却水用量
(kg/h)
（4）总传热系数K
管程传热系数
W/(m·℃)
壳程传热系数
假设壳程的传热系数αo=290 W/(m2·℃)；
污垢热阻R si=0.000344 m2·℃/W , R so=0.000172 m2·℃/W
管壁的导热系数λ=45 W/(m·℃)
=219.5 W/(m·℃)
4．计算传热面积
(m2)
考虑 15％的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×42.8=49.2(m2)。
5．工艺结构尺寸
（1）管径和管内流速
选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速u i=0.5m/s。
（2）管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
按单程管计算，所需的传热管长度为(m)
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。
现取传热管长L=6m，则该换热器管程数
为(管程)
传热管总根数N=58×2=116(根)
（3）平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
第2章换热器设计
按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。
但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得φΔt=0.82
平均传热温差Δt m=φΔtΔ′t m=0.82×39=32(℃)
（4）传热管排列和分程方法
采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。
取管心距t=1.25 d0，则
t=1.25×25=31.25≈32(mm)
横过管束中心线的管数(根)
（5）壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为
(mm)
圆整可取D＝450mm
（6）折流板
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％，则切去的圆缺高度为h＝0.25×450＝112.5(mm)，故可取h＝110 mm。
取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×450＝135(mm)，可取B为150。
折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=6000/150-1=39(块)
折流板圆缺面水平装配。
（7）接管
壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u＝1.0 m/s，则接管内径为
取标准管径为50 mm。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u＝1.5 m/s，则接管内径为
6．换热器核算
（1）热量核算
①壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式
当量直径，由正三角形排列得
(m) 壳程流通截面积
(m) 壳程流体流速及其雷诺数分别为
普兰特准数
粘度校正
W/(m2·℃)
②管程对流传热系数
管程流通截面积(m2)
管程流体流速
普兰特准数
W/(m2·℃)
③传热系数K
=310.2 W/(m·℃)
④传热面积S
(m2)
该换热器的实际传热面积Sp
( m2)
该换热器的面积裕度为
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
（2）换热器内流体的流动阻力
①管程流动阻力
∑ΔP i=(ΔP1+ΔP2)F t N s N p
N s=1, N p=2, F t=1.5
由Re＝13628，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.005，查莫狄图得λi＝0.037 W/m·℃，流速ui＝0.497 m/s，ρ＝994 kg/m3，所以
管程流动阻力在允许范围之内。
②壳程阻力
∑ΔP o=(ΔP′1+ΔP′2)F t N s
N s＝l，F t＝l
流体流经管束的阻力
流体流过折流板缺口的阻力
总阻力∑ΔP o＝1202＋636.2＝1838.2(Pa)＜10 kPa
壳程流动阻力也比较适宜。
③换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果见表2-13。