化工原理 壳管式换热器选型计算
假定：压载水的温度为15℃，拟利用船舶的主机缸套冷却水进行热交换（取换热器进口的缸套水温度T1=75℃，出口温度T2=65℃），将压载水加热到25℃或30℃，其中，压载水的流量为800m3/h 。换热器的热缺失可忽略，不考虑管、壳程阻力压降。要求确定主机缸套冷却水的流量，并选择一种换热器（常用的，能耐海水腐蚀）。[取污垢热阻1 电动液控闸阀
2
d 25d R R 9/10m k w ==⨯⋅]
压载水（海水）密度1ρ=331.02510kg/m ⨯，定压比热容3p1=3.8910J/kg k c ⨯⋅。
淡水密度3
32/kg 100.1m ⨯=ρ，在10℃～90℃时，其定压比热容几乎没有
变化，可取3p2=4.210J/kg k c ⨯⋅。
热源水定性温度T =
122T T +=7565
2
+=70℃。经饱和水的物性表，查得：2λ =0.668w m k ⋅ ，2μ=406.1×610-Pa S ⋅。
已知，压载水体积流量为：1v q =8003
m h
压载水质量流量为：
3
11
1
1.025800
222.23600
3600
10v m kg
s
q
q
ρ⨯⨯=
=
=
压载水由初温1t =15℃，利用主机缸套冷却水分不加热到2t =25℃，30℃，由于两种情形下，冷热流体的温差均不大于50℃，故均可选用固定管板式换热器进行运算，具体如下: 出租车计价器传感器【1】压载水：1t =15℃→2t =25℃
海水的热导率、粘度比纯水稍低，其阻碍因素比较复杂，为简化运算，近似认为纯水。
定性温度1525
202
t +=支承辊
=℃。经饱和水的物性表，查得: 1λ=0.599w m k ⋅
1μ=1004×610-Pa S ⋅ 物性参数如下表：
注：管程流体（压载水）参数下标为1，壳程流体（缸套水）参数下标为2. (1)运算热负荷
m1p121q C t t Q =-（）=3222.2 3.89102515⨯⨯⨯-（）
=9.333×610-W
通过热量衡算，知 m2
p212Q q C T T =-（）=639.333104.2107565⨯⨯⨯-（）
=222.22 kg/s
即，热源体积流量m2v2q q 3600ρ⨯==3
222.22
36001.010⨯⨯=800
3
m
h
(2)平均温差
逆流：热源 75℃→65℃ 冷源 25℃←15℃ 温差 50℃ 50℃ 由
12t t V V =50
50
人脸定位2< 12m t t t 2+=
V V V 逆=50502+=50 R=1221T T t t --=75652515--=1，P=2111t t T t --=2515
0.1677515-=-
查温度校正系数ψ图，知ψ≈1＞0.8，故采纳单壳程可行。 且m m t φt =V V 逆=50℃ (3)估算传热面积A 估
查表知，水-水换热的总传热系数为：1396～2838w m k ⋅，可选总传热系数2W
K 1800m k
=⋅估，则
m Q A K t =V 估估=
6
29.33310103.7m 180050
⨯=⨯ (4)试选型
管壳程的选择：本设计实例中，与缸套冷却水不同，压载水一样未经专门处理，所含杂质较复杂，进而压载水侧极易产生腐蚀、结垢及沉淀，为方便换热器的爱护治理，故采纳压载水走管程，缸套冷却水走壳程。
管程流速的选择：关于壳管式换热器，一样要求管程流速达0.2～2.5m ⁄s ，壳程流速达0.5～2.5m ⁄s ，结合本设计实例，为防止压载水杂质沉积，管程压载水流速取1m u 1.5s =。
管子排列方式选择：管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有：管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳内径可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)能够适当地提升。本例选择正三角形排列。 传热管的选择：选传热管19mm ×2mm ，其内径2d =0.017m ，外径2d =0.019m 。
估算单程管子根数：
v1211q n π3600d u 4=
ˊ=2
800
3.1436000.017 1.5
4
⨯⨯⨯=653根 按照传热面积估算管子长度： 2A L πd n =ˊ
估ˊ=103.7 2.66m 3.140.019653
=⨯⨯
若采纳单程管，则每管程的管长选用L=ι=3m 。
由换热器设计手册查得，可选管子总数N=607根，管中心距t=25mm，正三角形排列。壳体内径D=700mm ，可取折流板间距h=600mm ，折流板数B ι
3
N 114h
0.6
=-=-=块，传热面积可选A 105.1=选㎡，管程流通面积为0.1073㎡。 故，由换热器系列标准选用固定管板式换热器：BEM700-
0.350.25-105.1-3
电机定子测试台19
-1I
(5)校核总传热系数K ①管程对流传热系数1α。
管内流体流速：v11221
q 800
m u 1.6s π 3.143600d n 36000.01760744=
==⋅⨯⨯⨯
3
411116
1d u ρ0.017 1.6 1.02510Re 2.7110μ100410-⨯⨯⨯===⨯⨯ 36
p1111C μ 3.8910100410Pr 7.04λ0.599
-⨯⨯⨯===
0.80.440.8
20.411111λ0.599α0.023
Re Pr 2.71107.046224.6d 0.=0.023017
=m w k =⨯⨯⨯⨯⋅（） ②壳程对流传热系数2α。
壳程流通面积：0d 19S=hD(1)=0.60.710.1008t 25⎛⎫
-⨯⨯-= ⎪⎝⎭㎡ 缸套水流速：v228003600q m u ==2.2S s 0.1008=／ 正三角形排列的当量直径： 220e 0
22
3π4t d 24d πd 3
3.1440.0250.0194= 3.140.00.017319==⨯⨯⨯⨯－－㎜
3
4e 2226
车用暖风机
2d u ρ0.0173 2.2 1.010Re 9.3710μ406.110-⨯⨯⨯===⨯⨯ 3
6
p2222C μ 4.210406.110Pr 2.55λ0.668-⨯⨯⨯===
0.80.340.8
0.322222e λ0.668α0.023Re Pr 9.3710 2.5511163.8/()d 0.017=0.023=3
W m k =⨯⨯⨯⨯⋅（）
③总传热系数。
由于压载水所含杂质较为复杂，在管程侧易产生结垢，而壳程侧冷却水也易产生结垢，为简化运算，可取污垢热阻1
2
5d d k R R 910W ⋅==⨯㎡，碳
钢热导率λ=45W m k ⋅。
21222d d 2m 111bd d d 11
R R K αλd d αd =++++5510.002191919
91091011163.84518176224.617--⨯=+⨯++⨯⨯+
⨯⨯=5.0663×410- K=19742W m k
⋅
(6)传热面积：
A=6
2m Q 9.3331094.6m K t 197450⨯==⨯V ，与原估值差不多相符。
A 105.1 1.11A 94.6
==选，即传热面积有11﹪的裕量。 运算表明，所选换热器规格可用。 【2】压载水：123150=→=t t ℃℃ 定性温度t=
1530
22.52
+=℃。 经饱和水的物性表，查得:
1λ=0.60375W m ⋅℃ 1μ=953.375×610Pa s -⋅ 物性参数如下表：
物性
流体
密度 （3
kg/m ）
比热
（kJ/kg ·K ） 粘度 （Pa s ⋅）
导热系数（W
m ⋅℃
）
1. 压载水(冷源) 31.02510⨯ 33.8910⨯ 953.3756
10-⨯ 0.60375 2. 缸套水(热源)
31.010⨯
34.210⨯
406.16
10-⨯
0.668
注：管程流体（压载水）参数下标为1，壳程流体（缸套水）参数下标为2.
(1)运算热负荷 Q=
37m1p121q C t t 222.22 3.8910301510W -=⨯⨯⨯-⨯（）（）=1.4
通过热量衡算，知 7
m2
3p212Q 1.410kg q 333.3s C T T 4.2107565⨯===-⨯⨯-（）（）
热源体积流量 3
m2
3v2q 333.33m q 360036001200ρh 1.010
⨯=⨯=⨯=
(2)平均温差
逆流：热源 75℃→65℃ 冷源 30℃←15℃ 温差 45℃ 50℃ 由
12t 45
2t 50
=<V V 知， 12m t t 4550t 47.522
++=
==V V V 逆℃ R=1221T T 75650.667t t 3015--=
=--，P=2111t t 3015
0.25T t 7515
--==-- 查温度校正系数φ图，知φ≈0.98＞0.8，故采纳单壳程可行。
且m m t φt 46.55==V V 逆℃ (3)估算传热面积A 估
查表知，水-水换热的总传热系数为：1396～2838，可选总
传热系数2W
K 1800m k
=⋅估，则
A 估=7
2m Q 1.410167.1m K t 180046.55
⨯==⨯V 估
(4)试选型
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