沈阳农业大学课程设计
2.2.固定管板式
因设计需要，下面简单介绍一下固定管板式换热器。
固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于70℃）和壳方流体压强过高（一般不高于600kPa）的场合。
1-挡板 2-补偿圈 3-放气嘴 图2.2.1.固定管板式换热器的示意图
2.3.设计要求
完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求： （1）合理地实现所规定的工艺条件：
①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面 （2）安全可靠
换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我国《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。 （3）有利于安装操作与维修
直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与拆卸，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。
（4）经济合理
评价换热器的最终指标是：在一定时间内（通常1年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。
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三.设计条件及主要物理参数
3.1.初选换热器的类型
两流体的温度变化情况如下：
（1）R134a：入口温度140℃，出口温度40℃；
（2）冷却介质：井水，入口温度20℃，出口温度40℃；
140?4040?20 该换热器用循环冷却井水进行冷却，由于Tm?tm???60℃>50℃,所
22需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，故从安全、方便、经济考虑可以采用带有补偿圈的管板式换热器。
3.2.确定物性参数
定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
壳程流体（R134a）的定性温度为：T= (140+40)/2=90℃ 管程流体（水）的定性温度为：t=（40+20）/2=30℃
在定性温度下，分别查取管程和壳程流体(冷却水和R134a)的物性参数，见下表3-1： 密度/（㎏/m3） 比热容/（kJ/kg粘度/（Pa?导热系数/（kJ/m?℃） R134a 水 1188 995.7 1.51 4.174 s） 2.02×10-4 8.01×10-4 ?℃） 0.082 0.618
3.3.计算热流量及平均温差 3.3.1.热流量
以热介质R134a为计算标准算它所需要被提走的热量: Q=ms1cp1(T1-T2)=6000x1.51x(140-40)=906kJ/h=251.7kw 3.3.2.平均传热温差
计算两流体的平均传热温差 暂时按单壳程、多管程计算。 逆流时，我们有
R134a：140℃→40℃ 井 水： 40℃←20℃ 从而，
?tm'?100?20?49.69
ln10020而此时，我们有：
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P?R?t2?t140?2020???0.17T1?T2140?20120T1?T2140?40100???5.00t2?t140?2020
式中：
T1,T2——热流体（R134）的进出口温度，单位℃； t1，t2——冷流体（井水）的进出口温度，单位℃；
ψ=R2+1R-11-Pln1-PRln2-P(1+R-R2+1)2-P(1+R+R2+1)
2?0.16?(1?5?52?1)52?11?0.16?lnln?0.8725?11?0.16?52?0.16?(1?5?5?1)
ψ>0.8符合要求
则平均传热推动力：△tm=?tm'×ψ=0.87x49.69=43.23℃ 3.3.3.冷却水用量
由以上的计算结果以及已知条件，很容易算得：
Qc=
Q=1356600/[4.174x(40-20)]=16250.60㎏/h
Cpc(t2?t1)
3.4.管程安排(流动空间的选择)及流速确定
已知两流体允许压强降均不大于35kPa；两流体分别为R134a和水。与134a相比，水的对流传热系数一般较大。由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应使循环自来水走管程，而使R134a走壳程。
表3-2.列管式换热器内的适宜流速范围 流体种类 流速/（m/s） 管程 壳程 冷却水 1~3.5 0.5~1.5 一般液体(黏度不高) 0.5~3.0 0.2~1.5 低黏油 0.8~1.8 0.4~1.0 高黏油 0.5~1.5 0.3~0.8 由上表，初步选用Φ25×2.5的碳钢管，则管内径di=25-2.5×2=20mm管内流速取ui=1.2m/s,从管内体积流量为：
Vi =n(π/4)×0.022×1×3600=16250.60/995.7=16.32m3/h 解得n=15
参照列管换热器中K值的大致范围，根据两流体的具体情况，初步选定总传热系数K=330W/m2?℃
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传热面积：A=n?d?L=376.83×103/(330×43.23)=26.41㎡
可以求得单程管长L=26.41/(15×3.14×0.025)=22.38m
若选用6m长的管，需要4管程，则一台换热器的总管数为4×15=60，可以初步确定换热器的主要参数见下表3-3： 项目 数据 项目 数据 壳径D(DN) 400mm 管尺寸 Φ25mm×2.5mm 管程数Np(N) 4 管长 6 m 管数n 76 管排列方式 组合式排列 中心排管数nc 11 管心距 32mm 管程流通面积Si 0.0060m 2 传热面积 35.2m 2 注：由于是多程，为了方便安装分程板，采用组合式排列更方便。 3.4.1.对表中的数据进行核算： ①每程的管数n1 =n/Np=76÷4=19,管程流通面积si =(π/4) ×0.022×19＝0.005966㎡与表中的数据0.0060㎡很相符。
②传热面积 A=πd0 Ln=3.14×0.025×6×76＝35.79㎡稍大于表中35.2㎡,这是 由于管长的一部分需用于在管板上固定管子，应以表中的值为准。
③由于换热管是组合式排列，除在分程板两侧采用正方形排列外，大部分地方采用的是正三角形排列，故中心排管数可以按照正三角形排列的形式计算：
中心排管数 nc ≈1.1n=1.1×76≈11
3.4.2.阻力损失的计算 3.4.2.1.管程
vi16.32① 流速 ui =3600==0.76m/s
si3600?0.0060uiρidi0.76?995.7?0.02② 雷诺数 Rei ===18894.68≥4000 ?48.01?10μ 流动形式为湍流
③摩擦系数 取钢管绝对粗糙度ε=0.1mm，得相对粗糙度ε/d=0.005 Rei=18894.68
??68?带入经验公式??0.1???dRe?? 可得λi=0.0330
0.23
④管内的阻力损失△Pi =λi2=2846.83Pa
l(ui2?i)/2=0.0330×6×0.762×995.7÷0.02÷di ⑤回弯阻力损失 △Pr=3×(ui2?i) /2=3×0.76 2×995.7÷2=862.67Pa
则管程内总压降为：Pt=(△Pi +△Pr)FtNsNp=(2846.83+862.6) ×1.4×1×4=20772.81Pa
=20.77kPa＜35kPa
故壳程的压降满足题目中的要求
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3.4.2.2.壳程
取折流挡板间距为 h=0.2m
①计算截面积 S0 =h(D-ncd0 )=0.2(0.4-11×0.025)=0.025㎡
6000②计算流速 u0 ==0.07m/s
3600?0.03?950③雷诺数的计算 Re0 = Re0>500
5.05.0??0.86 0.2280.228Re2240.56l⑤则折流挡板数 NB =-1=6÷0.2-1=29
hu0 0d0=0.025×0.07×950÷0.000742=2240.56 ?o④摩擦系数fo=
⑥管束的损失△P1=Ff0nc(NB+1)(300.25Pa
?ouo22)=0.5×0.86×10×(29+1)×950×0.072÷2=
2?0.22h)(u02?0)/2=29×(3.5-)(950×0.07 2)/2=168.74Pa 0.4D则壳程损失△Ps=△P1+△P2=300.25+168.74=468.99=0.469KPa＜35KPa 即壳程的压降也满足题意
综上核算初步认为所选的换热器适用
3.5.计算总传热系数
3.5.1.管程传热系数： Rei=18894.68
⑦缺口损失△P2=NB(3.5-
Pri=
cpui?i4.174?103?8.01?10-4??5.41
0.618Nui=0.023Re0.8Pr0.4?0.023?18894.680.8?5.410.4=119.15℃ αi=0.023
0.618?idiui?i0.8cpui0.4?i2
)=3681.74 W/m?℃ ()()= Nui()=119.15×(
0.02di?i?idi
3.5.2.壳程传热系数：
假设?o?500
污垢热阻：Rsi=0.00058m2℃/W Rso=0.00017 m2℃/W 管壁的导热系数： ?=45 m2℃/W 管壁厚度： b=0.0025
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