§3-3 管壳式管壳式换热器设计和选型换热器设计和选型 管壳式换热器是一种传统的标准换热设备管壳式换热器是一种传统的标准换热设备管壳式换热器是一种传统的标准换热设备管壳式换热器是一种传统的标准换热设备 它具有制造方便、选材面广、适应性强、处理它具有制造方便、选材面广、适应性强、处理它具有制造方便、选材面广、适应性强、处理它具有制造方便、选材面广、适应性强、处理量大、清洗方便、运行可靠、能承受高温、高压等量大、清洗方便、运行可靠、能承受高温、高压等量大、清洗方便、运行可靠、能承受高温、高压等量大、清洗方便、运行可靠、能承受高温、高压等优点 在许多工业部门中大量使用，尤其是在石油、在许多工业部门中大量使用，尤其是在石油、在许多工业部门中大量使用，尤其是在石油、在许多工业部门中大量使用，尤其是在石油、化工、热能、动力等工业部门所使用的换热器中，化工、热能、动力等工业部门所使用的换热器中，化工、热能、动力等工业部门所使用的换热器中，化工、热能、动力等工业部门所使用的换热器中，管壳式换热器居主导地位管壳式换热器居主导地位管壳式换热器居主导地位。
管壳式换热器居主导地位 •鉴于管壳式换热器应用极广，为便于设计、制造、安装和使用，有关部门已制定了管壳式换热器系列标准 可查 GB151管壳式换热器的标准 U形管式换热器型号及其表示方法形管式换热器型号及其表示方法 U U式换热器型号标称式换热器型号标称式换热器型号标称式换热器型号标称 例：例：(1) 封头管箱，公称直径封头管箱，公称直径封头管箱，公称直径封头管箱，公称直径800mm800mm，管、壳程压力均为，公，管、壳程压力均为，公，管、壳程压力均为，公，管、壳程压力均为，公称换热面积称换热面积称换热面积称换热面积245245平方米，较高级冷拔换热管，外径平方米，较高级冷拔换热管，外径平方米，较高级冷拔换热管，外径平方米，较高级冷拔换热管，外径19mm19mm，管长，管长，管长，管长6m6m，，，，4 4管程，单壳程的管程，单壳程的管程，单壳程的管程，单壳程的U U形管式换热器。
形管式换热器形管式换热器形管式换热器 (2) 封头管箱，公称直径封头管箱，公称直径封头管箱，公称直径封头管箱，公称直径600mm600mm，管、壳程压力均为，公，管、壳程压力均为，公，管、壳程压力均为，公，管、壳程压力均为，公称换热面积称换热面积称换热面积称换热面积9090平方米，普通级冷拔换热管，外径平方米，普通级冷拔换热管，外径平方米，普通级冷拔换热管，外径平方米，普通级冷拔换热管，外径25mm25mm，管长，管长，管长，管长6m6m，，，，2 2管程，单壳程的管程，单壳程的管程，单壳程的管程，单壳程的U U形管式换热器形管式换热器形管式换热器形管式换热器 •DN-PN-F-)：•按GB151规定，其中分别为菱形管、波纹管、螺纹管 •、、、、 是洛阳石油化工工程公司的浮头式折流杆换热器 R R：折流杆：折流杆：折流杆：折流杆E E（（（（C C）：）：）：）：E E为换热器，为换热器，为换热器，为换热器，C C为冷凝器为冷凝器为冷凝器为冷凝器B B：封头管箱：封头管箱：封头管箱：封头管箱OO：壳体为外导流筒结构：壳体为外导流筒结构：壳体为外导流筒结构：壳体为外导流筒结构S S：钩圈式浮头：钩圈式浮头：钩圈式浮头：钩圈式浮头 一般的可查GB151规定，现在新型的设备型号越来越多 ，可联系一下出图的设计院 。
压强的单位换算关系：•1kgf/cm2•1MPa=106Pa•1bar=0.1MPa=106dyn/cm2•1atm=760mmHg=101325Pa 管壳式换热器的设计与选型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 •1 1．设计的基本原则．设计的基本原则．设计的基本原则．设计的基本原则（（（（1 1））））流体流径的选择流体流径的选择是指在管程和壳流体流径的选择流体流径的选择是指在管程和壳流体流径的选择流体流径的选择是指在管程和壳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程各走哪一种流体，此问题受多方面因素的制约程各走哪一种流体，此问题受多方面因素的制约程各走哪一种流体，此问题受多方面因素的制约，下，下，下，下面面面面以固定管板式换热器为例以固定管板式换热器为例以固定管板式换热器为例以固定管板式换热器为例，介绍一些选择的原则，介绍一些选择的原则，介绍一些选择的原则，介绍一些选择的原则: : ①①①①不洁净和易结垢的流体宜走管程不洁净和易结垢的流体宜走管程不洁净和易结垢的流体宜走管程不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。
②②②②腐蚀性的流体宜走管程腐蚀性的流体宜走管程腐蚀性的流体宜走管程腐蚀性的流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于检修与更换 ③③③③压力高的流体宜走管程压力高的流体宜走管程压力高的流体宜走管程压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量 ④④④④被冷却的流体宜走壳程被冷却的流体宜走壳程被冷却的流体宜走壳程被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果 ⑤⑤⑤⑤饱和蒸汽宜走壳程饱和蒸汽宜走壳程饱和蒸汽宜走壳程饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗 ⑥⑥⑥⑥有毒易污染的流体宜走管程有毒易污染的流体宜走管程有毒易污染的流体宜走管程有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量 ⑦⑦⑦⑦流量小或粘度大的流体宜走壳程流量小或粘度大的流体宜走壳程流量小或粘度大的流体宜走壳程流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有折，因流体在有折，因流体在有折，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低变，在低变，在低变，在低ReRe（（（（Re>100Re>100）下即可达到湍流，以提）下即可达到湍流，以提）下即可达到湍流，以提）下即可达到湍流，以提高传热系数。
高传热系数高传热系数高传热系数 ⑧⑧⑧⑧若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程体走壳程体走壳程体走壳程，因壁面温度与，因壁面温度与，因壁面温度与，因壁面温度与α α大的流体接近，以减小大的流体接近，以减小大的流体接近，以减小大的流体接近，以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力管壁与壳壁的温差，减小温差应力管壁与壳壁的温差，减小温差应力管壁与壳壁的温差，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，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，在选择流体上述原则可能是相互矛盾的因此，在选择流体上述原则可能是相互矛盾的因此，在选择流体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，抓住主要矛盾的流径时，必须根据具体的情况，抓住主要矛盾的流径时，必须根据具体的情况，抓住主要矛盾的流径时，必须根据具体的情况，抓住主要矛盾进行确定。
进行确定进行确定进行确定 （2）流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热系流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热系流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热系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数、流动阻力及换热器结构等方面数、流动阻力及换热器结构等方面数、流动阻力及换热器结构等方面 流速流速流速流速↑ ↑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 因此，需通过多方面权衡选择适宜的流速 表1至3列出了常用的流速范围，可供设计时参考选择流速时，应尽可能避免在层流下流动 表表表表1 1管壳式换热器中常用的流速范围管壳式换热器中常用的流速范围管壳式换热器中常用的流速范围管壳式换热器中常用的流速范围 流体种类：一般流体流体种类：一般流体流体种类：一般流体流体种类：一般流体 易结垢液体易结垢液体易结垢液体易结垢液体 气体气体气体气体 流速流速流速流速m/s m/s 管程管程管程管程 0.5 ~3.0 > 1.0 5.0 ~30 0.5 ~3.0 > 1.0 5.0 ~30 壳程壳程壳程壳程 0.2 ~1.5 > 0.5 3.0 ~15 0.2 ~1.5 > 0.5 3.0 ~15 表表表表2 2 管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速 液体粘度液体粘度液体粘度液体粘度mPa·s > 1500 1500 ~500 500 ~100 100~35 35 ~ 1 < 1mPa·s > 1500 1500 ~500 500 ~100 100~35 35 ~ 1 < 1最大流速最大流速最大流速最大流速 m/s 0.6 1.1 m/s 0.6 1.1 表表表表3 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 液体名称液体名称液体名称液体名称 乙醚、二硫化碳、苯乙醚、二硫化碳、苯乙醚、二硫化碳、苯乙醚、二硫化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油甲醇、乙醇、汽油甲醇、乙醇、汽油甲醇、乙醇、汽油 丙酮丙酮丙酮丙酮 安全允许速度，安全允许速度，安全允许速度，安全允许速度，m/s < 1 < 2 ~3 < 10 m/s < 1 < 2 ~3 < 10 （（（（3 3）管子的规格和管间距）管子的规格和管间距）管子的规格和管间距）管子的规格和管间距 ①管子规格管子规格的选择包括管径和管长。
目前试行的管壳式换热器系列只采用及19×2mm两种管径规格的换热管对于洁净的流体，可选择小管径，对于易结垢或不洁净的流体，可选择大管径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 表表表表4 4管壳式换热器外径与中心距管壳式换热器外径与中心距管壳式换热器外径与中心距管壳式换热器外径与中心距 的关系的关系的关系的关系 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 管壳式换热器的选用和设计计算步骤：管壳式换热器的选用和设计计算步骤： 设有一热流体需要冷却，设有一热流体需要冷却，已知：已知：qm1,cp1,t’1,t”1,qm2,cp2,t’2,选择了选择了t”2.可以计可以计算出算出Q，，△△tmlK，，ψ与换热器结构形式及尺寸有关为与换热器结构形式及尺寸有关为确定换热器的传热面积确定换热器的传热面积A，必须通过试差计算试差计算，必须通过试差计算试差计算的步骤如下：的步骤如下： （（（（1 1）初选换热器的尺寸规格）初选换热器的尺寸规格）初选换热器的尺寸规格）初选换热器的尺寸规格•a. 初步选定换热器的流动方式初步选定换热器的流动方式初步选定换热器的流动方式初步选定换热器的流动方式，由，由t’1 ,t”1 ，，t’2, t”2确定流体在换热器中两端的温度，计算定性温确定流体在换热器中两端的温度，计算定性温度，确定在定性温度下的流体物性。
度，确定在定性温度下的流体物性计算计算△△tml，，和和ψ，， ψ的数值应大于的数值应大于确定壳程数或调整加热确定壳程数或调整加热介质或冷却介质的终温介质或冷却介质的终温 (t”2 ) •b. 根据经验（或查相关的表）估计传热系数根据经验（或查相关的表）估计传热系数K估估，，计算传热面积计算传热面积A估估•c.根据根据A估估的数值，参照系列标准选定换热管的直的数值，参照系列标准选定换热管的直径、长度及排列；如果是选换热器，可根据径、长度及排列；如果是选换热器，可根据A估估在在系列标准中选择适当的换热器型号系列标准中选择适当的换热器型号 接下去的计算步骤是检验初选的换热器是否符合接下去的计算步骤是检验初选的换热器是否符合接下去的计算步骤是检验初选的换热器是否符合接下去的计算步骤是检验初选的换热器是否符合实际条件下的要求实际条件下的要求实际条件下的要求实际条件下的要求2））（（3））（（4）） （（2）计算管程的压降和传热系数）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计算若改变管程不能同时满足hi> K估估,和和 ∑ < ,则应重新估计则应重新估计K估估(减小减小)，另选一台换热器型号进行，另选一台换热器型号进行试算 （（3）计算壳程的压降和传热系数）计算壳程的压降和传热系数a、参考表选定流速参考表选定流速参考表选定流速参考表选定流速，选定挡板间距，计算壳程压降 若压降不符合要求，要调整流速，再确定管程和折流挡板间距，或选择其它型号的换热器，重新计算压降直至满足要求为止 b 、计算壳程传热系数hO，若其太小，可减少挡板间距，增加挡板数 （（4）计算传热系数，校核传热面积）计算传热系数，校核传热面积 例：管壳式换热器的计算：某化工厂拟采用管壳式换热器回收甲苯例：管壳式换热器的计算：某化工厂拟采用管壳式换热器回收甲苯的热量将正庚烷从的热量将正庚烷从80℃预热到预热到130℃已知：正庚烷的流量已知：正庚烷的流量qm2=40000kg/h,甲苯的流量甲苯的流量qm1=39000kg/h;T1=200℃；管壳两侧的；管壳两侧的压降皆不应超过压降皆不应超过3kPa.正庚烷在进出口平均温度下的有关物性为：正庚烷在进出口平均温度下的有关物性为：甲苯在进出口温度下的物性如下：甲苯在进出口温度下的物性如下： 换热器，其主要参数如下：换热器，其主要参数如下：外壳直径外壳直径D＝＝500mm,公称压强公称压强P＝＝1.6MPa,公称面积公称面积A＝＝54m2,管程管程数数NP＝＝2，管子排列方式：正方形。
管子尺寸，管子排列方式：正方形管子尺寸φ25×2.5mm,管长管长L=6m,管数管数NT＝＝124，管中心距，管中心距t=32mm.（（2）） （（3）） （（4）） 。