《热交换器原理与设计》管壳式热交换器设计.docx

热交换器原理与设计管壳式热交换器设计管壳式热交换器设计需从原理出发，结合结构与性能要求系统推进，以下是关键内容：一、设计核心原理热交换器通过管程（管内流体）和壳程（壳内流体）的流体温差，利用金属管壁传热，实现热量交换。核心遵循傅里叶导热定律和牛顿冷却公式，需确保传热系数、对数平均温差及传热面积的合理匹配。二、设计关键步骤1 .工况与参数确定-工艺条件：明确冷热流体的流量、进出口温度、压力、物性参数（比热容、黏度、导热系数等）。-设计目标：确定传热负荷（Q=cmAT）,明确流体流动方式（逆流、并流或折流）。2 .结构选型与初步参数- 壳体与管径：- 壳体直径根据管排数、管间距（通常L25-1.5倍管径）及布管方式（三角形、正方形排列）确定。- 管径常用619X2mm或625X2.5mm,小管径可提高传热系数，但易结垢。- 管长与管数：- 管长一般取L5-6m（常见3m、6m）,长径比（壳径/管长）约1:15-1:25。- 管数根据传热面积（A=JidLX管数）初步计算，需兼顾流体流速（管程0.5-3ms,壳程0.2-l.5m/s）。3 .流动与传热计算- 管程与壳程传热系数：- 管程：用DittUS-BOelter公式（湍流）计算QL考虑雷诺数（Re）、普朗特数（Pr）。- 壳程：通过Kern法或Bell-Delaware法，结合折流板间距（通常0.2-1倍壳径）计算&2。- 总传热系数K：K=1+2+污垢热阻+管壁热阻，需校核K的合理性（如油-水换热K'300-600W（m2K）o- 对数平均温差ATIm：ATIm=（ATl-AT2）/In（AT/AT2）,折流时需乘以温差修正系数（6WO.8）。4 .压力降计算- 管程压降：P=人（L/d）（Pu2+局部阻力（进出口、弯头），人为摩擦系数（湍流入=0184ReZ）.2）°- 壳程压降：考虑流体横掠管束及折流板阻力，用公式AP=FsXNpX（P1/2）,Fs为阻力系数，NP为折流板数。- 压降需满足工艺要求（通常APWO1-O2MPa）,否则调整管径、管长或折流板间距。5.结构细节设计- 折流板：弓形折流板缺口高度为壳径的15%-45%,间距影响传热与压降，常用间距为0.2L倍壳径。- 管板与管壳连接：采用胀接、焊接或胀焊并用，确保密封性和强度。- 防振与支撑：流速高时加防振杆，长管设中间支撑跨距（W1500mm）O三、设计校核与优化- 传热面积裕量：实际计算面积需比理论值大10%-25%,避免污垢或工况波动影响。- 流体流速：确保管程不结垢（水速N09ms）,壳程避免流体振动（流速W临界值）。- 经济性分析：平衡设备投资（材料、制造）与运行能耗（压降越小,能耗越低）。四、典型设计案例（简化示例）- 工况：冷却水（入口20,出口35,流量50th）冷却热油（入1180,出口40,流量30th）°- 计算：1,传热负荷Q=30×IO3×2.1X（80-40）=2.52×106kJ/h（油比热容2.1kJ（kgoC）o2 .逆流ATIm=（60-25）ln（60在5）打40.3,设K=400W（m2K）,则理论面积a=Q（K×Tlm×3600）43.3m2o3 .选巾25X2.5mm碳钢管，管长6m,三角形排列，初步算管数”120根，校核流速、压降后调整结构。五、设计标准与规范-国内：GB151热交换器、JB/T4714固定管板式热交换器。-国际：TEma（美国管式换热器制造商协会）、AsmeviiiDiv.o设计时需结合工艺需求与标准，通过迭代计算确保性能与安全。