管壳式换热器的设计方法和选择类型

管壳式换热器的设计方法和选择类型

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、处理量大、清洗方便、运行可靠、能承受高温、高压等有优点。

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，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。

                               
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例：

（1）BIU 800—2.5—245—6/19-41

封头管箱，公称直径800mm，管、壳程压力均为2.5MPa，公称换热面积245平方米，较高级冷拔换热管，外经19mm，管长6m，4管程，单壳程的U型管式换热器。

（2）BIU 600—1.6—90—6/25-2 II

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，外经25mm，管长6m，2管程，单壳程的U型管式换热器。

压强的单位换算关系：

a、1kgf/cm2=98066.5Pa

b、1MPa=106Pa

c、1bar=0.1MPa=106dyn/cm2

d、1atm=760mmHg=101325Pa

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他有关尺寸，以完成生产中所要求的传热任务。

                               
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1、设计的基本原则

（1）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，下面以固定管板式换热器为例，介绍一些选择原则：

a、不洁净和易结垢的流体宜走管程，以为管程清洗比较方便。

b、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，

c、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。

d、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。

e、饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且整齐较洁净，一般不需清洗。

f、有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量。

g、流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流，以提高传热系数。

h、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，以减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，上述原则可能是相互矛盾的。因此，在选择流体的流径是，必须根据具体情况，抓住主要矛盾进行确定。

（2）流体流苏的选择   涉及到传热系数、流动阻力及换热器构造等方面。

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。

但同时使流动阻力增大，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，管子太长不流于清洗，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—3列出常用流速范围，选择流速时尽量避免在层下流动。

表1  管壳式换热器常见流速范围

一般流体	易结垢流体	气体	流速m/s
管程	0.5~3.0	>1.0	5.0~30
壳程	0.2~1.5	>0.5	3.1~15

表2  管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速

液体粘度mPa﹒s	>1500	1500~500	500~100	100~35	35~1	<1
最大流速m/s	0.6	0.75	1.1	1.5	1.8	2.4

表3 管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度

液体名称	乙醚、二硫化碳、苯	甲醇、乙醇、汽油	丙同
安全允许速度m/s	<1	<2~3	<10

（3）管子的规格和管间距

a、管子的规格选择包括管径和管长。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。

b、管间距：管子的中心距，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4  管壳式换热器外经与中心距的关系

换热管外经mm	10	14	19	25	32	38	45	57
换热管中心距mm	14	19	25	32	40	48	57	72

管壳式换热器选用的设计计算步骤：

设：有一热流体需要冷却，已知：qm1，cp1，t’1，t’’1，qm2，cp2，t’2，选择了t’’2，可以计算出Q，△tm1，K，φ与换热器结垢形式及尺寸有关。为确定换热器的传热面积A，必须通过试差计算，步骤如下：

（1）初选换热器的尺寸规格：

a、流动方式：由t’1，t’’，t’2，t’’2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。计算△tm1，和φ，φ的数值应大于0.8。确定壳程数或调整加热介质或冷却戒指的终温（t’’2）。

b、估计春热系数K估，计算传热面积A估。

c、根据A估的数值，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A估在系列标准中选择释放的换热器型号。

                               
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