管壳式换热器设计 课程设计(3)

低粘度液体 清水 200～450 液体层流

根据表3-3初选传热系数K0=240W/(m2.℃)

由以上的计算结果及已知条件可以估算出传热面积：

F'?Q928.00?1000??85.1412m2'K0?tm240?45.4149 （13）

'式中F表示估算的传热面积；K0表示初选传热系数；Δtm表示有效平均温差；Q表示传热量。由于85.1412㎡面积过大，所以需要两台换热器，才能符合工业设计要求。实际的传热面积要考虑一定的裕度，此换热器考虑的裕度为10%。则一台换热器面积为51㎡。

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第五章 管壳式换热器结构计算

5.1换热管计算及排布方式

管子构成换热器的传热面，它的材料应根据工作压力、温度和流体腐蚀性、

流体对材料的脆化作用及毒性等决定，可选用碳钢、合金钢、铜、石墨等。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面的金属秏量更少。所哟，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用较小直径的管子。如果管程走的是易结垢的流体，则应选用较大直径管子。

表4-1 换热管的规格及排列方式 /mm

换热管外径×壁厚 碳素钢，低合金钢 25×2.5 19×2 不锈耐酸钢 25×2 19×2 正三角形 32 25 排列形式 管心距 在此，选用?25×2.5的碳钢管，采用无缝焊接工艺。 管程内水流速可以在表4-2选用：

表4-2热交换器内常用流速范围 m/s

流体 管程 循环水 新鲜水 低粘度油

流体 壳程 0.5～1.5 0.5～1.5 0.4～1.0 1.0～2.0 0.8～1.5 0.8～1.8 11

高粘度油 气体 0.5～1.5 5～30 0.3～0.8 2～15 管程内水的流速选用ω2=1m/s。

由以上计算结果可以算出管程所需流通截面:

At?M2?15.8807?0.01596m2996.2?1 (14)

?2?2式中At表示管程流通面积；M2表示冷却水量；ρ2表示水的密度；ω2表示管程内水流速。

根据传热管的内径和管程所需流通截面积，可以单程管数：

n?4At4?0.01596??50.8192?5122?di3.14159?0.02 （15)

式中At表示管程所需流通面积；di表示传热管的内径。

管子在管板上的排列方式最常见的如图4.1（a）、（b）、（c）、（d）所示四种，即正三角形排列（排列角为30度）、转角三角形（排列角为60度）、转角正方形排列（排列角为45度）、正方形排列（排列角为90度）。当管程为多程时，则需要采取组合排列。

设计的换热器的管程为2，则应采取组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

（a） （b） （c） （d）

图4.1 管子的排列方式

根据表4-1选取正三角形排列为管子的排列方式。

表4-3换热管中心距

换热管外径

19 20 22 12

25 30 32 35 s 25 38 26 40 28 42 32 44 38 50 40 52 44 56 lE选取管中心距s=32㎜，分程隔板槽两侧相邻管中心距LE=44㎜。 由管中心距可以计算出平行于流向的管距以及垂直于流向的管距。 平行于流向的管距：

sp?scos3?0?33?2?227.m7m13 （16）

垂直于流向的管距：

sp?ssin30??32?1?16mm2 （17）

由管子布置图可知每程管子数为57根；由管子布置图可以计算出管束中心至最外层管中心距为0.161m。 管束外缘直径：

DL?0.161?2?2?0.0125?0.347m （18） 传热管的总根数：

nt?nZt?51?2?104 （19）

因换热器是按单壳程，两管程设计的，所以按两管程计算，所需传热管的长度是：

F'85.1412l???5.88775mnZtd0?51?2???0.025 （20） 式中d0表示管内径，d0=0.025m；Zt=2表示两管程。按标准管长6m。

5.2壳体内径的估算

壳体内径可以用下述公式粗估：

'D?(b?1)s?2bs （21） 'b ?(1?1.5)d0 （22）

b?1.1nt （23）

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当管子按正三角形排列时，可以按上述公式计算： Ds?(1.1nt?s1?)?2d1.0 5?1.1?(10?4?1) ?0.450m80.?032?1.50.025 （24）

式中Ds表示壳体内径；nt表示传热管根数；s表示管中心距；d0传热管外径。 计算得到的内径应圆整到标准尺寸，按照钢制压力容器标准可确定：壳体内径=0.5m。

目前所采用的换热管长度与壳体直径比，一般在4～25㎜之间：

长径比=l12??12Ds0.5 （25）

式中l表示传热管长度；Ds表示壳体内径。

所以换热器的壳体内径和管子长度符合设计要求。

5.3进出口连接管直径的计算

确定连接管直径的基本公式仍可用连续性方程，经简化可以用以下公式：

D2?1.13M2???1.13?15.8807?142.78mm996.2?1 （26）

将（26）式结果圆整到最接近的标准管径，取?150×5。

5.4折流板

流动外，还有支撑管束、防止管束振动和弯曲的作用。它的装设不如纵向隔板那样困难，而且装设后可使流体横向流过管束，故此获得普遍应用。

折流板的常用形式有：弓形折流板、盘环形折流板两种，弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。在弓形折流板中，流体流动中的死角较小，结构也简单，因而用的最多。而盘环形结构比较复杂，不便清洗，一般在压力较高和物料比较清洗场合。

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