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范文一：【换热器原理】换热器原理是什么 换热器的工作原理
换热器的工作原理简单，就是通过热传导，将一边物体的热量传递给另一边的物体。但是根据换热器种类的不同具体的工作原理和使用方法也不同，比如空气换热器是主要用于干燥系统中空气加热，它是热风装置中的主要设备。
换热器的工作原理是：换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。
在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。
管壳式换热器按照应力补偿的方式不同，可以分为以下三个种类：
1、固定换热器管板式换热器
固定管板式换热器是结构最为简单的管壳式换热器，它的传热管束两端管板是直接与壳体连成一体的，壳体上安装有应力补偿圈，能够在固定管板式换热器内部温差较大时减小热应力。固定管板式换热器的热应力补偿较小，不能适应温差较大的工作。
2、浮头式换热器
浮头式换热器是管壳式换热器中使用最广泛的一种，它的应力消除原理是将传热管束一段的管板放开，任由其在一定的空间内自由浮动而消除热应力。浮头式换热器的传热管束可以从壳体中抽出，清洗和维修都较为方便，但是由于结构复杂，因此浮头式换热器的价格较高。
3、U型管换热器
U型管换热器的换热器传热管束是呈U形弯曲换热器，管束的两端固定在同一块管板的上下部位，再由管箱内的隔板将其分为进口和出口两个部分，而完全消除了热应力对管束的影响。U型管换热器的结构简单、应用方便，但很难拆卸和清洗。
范文二：列管式换热器的原理和构造
列管式换热器的原理和构造
列管式换热器:是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。
流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，列管式换热器可分为以下几种主要类型：
①列管式换热器管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。
②浮头式换热器管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广，但结构比较复杂，造价较高。
③列管式换热器每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。化工生产中强腐蚀性流体的换热，需采用陶瓷、玻
璃、聚四氟乙烯、石墨等非金属材料制作管壳式换热器。这类换热器的换热性能较差，只用于压力低、振动小、温度较低的场合。
进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：①不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；②腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；③压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；④饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出。
石家庄博特环保左工15831942419
范文三：列管换热器的设计
课 程 设 计
课程名称 题目名称 专业班级 学生姓名 学号 指导教师
二 O一三 年 六 月 二十五 日
目录
1 设计任务书……………………………………………………………......................................................................1
1.1 设计任务和设计条件............................................................................................................................1 1.2 设计内容…….............................................................................................................................................2 2 概述…………………..................................................................................................................................................3 3 确定设计方案……………………………………………………….......................................................................4 3.1 选择换热器的类型…………………………………………………............................................................4 3.2 流动空间及流速的确定…………………………………………………………….........................................4 4 确定物性数据……………………………………………………….......................................................................4 5 计算总传热系数………………………………………………………...................................................................5 5.1 计算热负荷和冷却水流量………………………………………………………………..................................5 5.2 计算平均传热温差………………………………………………………......................................................5 5.3 确定总传热系数K并计算传热面积…………………………………………………………….....................5 6 换热器结构尺寸设计………………………………………………………...........................................................6 6.1 管径和管内流速…………………………………………………….............................................................6 6.2 管程数和传热管数…………………………………………………............................................................6 6.3 传热管排列和分程方法…………………………………………….........................................................6 6.4 壳体内径……………………………………………………………................................................................7 6.5 折流板………………………………………………………………..................................................................7 6.6 接管........................................................................................................................................8 7 换热器核算…………………………………………………………........................................................................8 7.1 热量核算…………………………………………………………...................................................................8 7.1.1壳程对流传热系数…………………………………………….......................................................9 7.1.2管程对流传热系数…………………………………………….......................................................9 7.1.3对流传热系数K…………………………………………..............................................................9 7.1.4传热面积…………………………………………………................................................................9 7.2 核算压强降……………………………………….................................................................................10 7.2.1管程压强降………………………………………………...............................................................10 7.2.2壳程压强降…………………………………………………….........................................................10
8 换热器主要结构尺寸和计算结果……………………………………………………........................................11 9 设计评述及附图………………………………………………….......................................................................12 10 主要符号说明…………………………………………………………................................................................13 11 参考资料……………………………………………………..............................................................................14
II
1 列管式换热器设计任务书
1.1 设计任务和设计条件
某生产过程的流程如图所示，反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至60℃之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为12000 kg/h，压力为6.9MPa，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为29℃，出口温度为39℃，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。
物性特征：
混和气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：
密度 ρ1 = 90 kg/m3
定压比热容 cp1 = 3.297 KJ/(kg?℃) 热导率 λ1 = 0.0279 W/(m?℃) 粘度 μ1 = 1.5×10-5 Pa?s 循环冷却水在34℃ 下的物性数据：
密度 ρ2 = 994.3 kg/m3 定压比热容 cp2 = 4.174 kJ/(kg?℃) 热导率 λ2 = 0.624 W/(m?℃) 粘度 μ2 = 0.742×10-3 Pa?s
1.2 设计内容
说明书要求 1、概述
2、设计方案的选择 3、确定物理性质数据 4、设计计算
（1）计算总传热系数 （2）计算传热面积 5、换热器结构尺寸设计
（1）管子的直径、长度、根数等管子尺寸 （2）壳体直径、折流板长度和数目 （3）隔板和接管尺寸 6、设计结果汇总 7、列管式换热器装配图
8、设计评述 9、符号说明 10、参考文献
图纸要求
列管式换热器装配图
2 概述
在不同温度的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称为换热器。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不用类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。
完善的换热器在设计或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
传热量、流体的热力学参数与物理化学性质是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，再单位时间内传递尽可能多的热量。
（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，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要作用。
（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装拆，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：在一定的时间内，固定费用与操作费的总和为最小。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，这一指标尤为重要。
3 确定设计方案
3.1 选择换热器的类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度110℃，出口温度60℃。冷流体（循环水）进口温度29℃，出口温度39℃。该换热器冷却热的混合气体，传热量较大，可预计排管较多，因此初步确定选用固定管板式换热器。因气体操作压力为6.9MPa，属于较高压操作，因此不选用膨胀节。
3.2流动空间及流速的确定
单从两物流的操作压力看，混合气体操作压力高达6.9MPa，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但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；且两流体温度相差较大，应使α较大的循环水（一般气体α<液体）走管内。所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。选用φ25mm×2.5mm的碳钢管，管内循环水流速取1m>
4 确定物性数据
定性温度：可取流体进出口温度的平均值。
110+60
=85（℃） 2
29+39
管程循环冷却水的定性温度为t==34（℃）
2
壳程混合气体的定性温度t=
根据定性温度，分别确定壳程和管程流体的有关物性数据。 混和气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：
密度
ρ
= 90 kg/m3
p0
定压比热容 热导率 粘度
c
= 3.297 KJ/(kg?℃) = 0.0279 W/(m?℃) = 1.5×10-5 Pa?s
λμρ
pi
循环冷却水在34℃ 下的物性数据：
密度 定压比热容
i
= 994.3 kg/m3
c
= 4.174 KJ/(kg?℃)
热导率 粘度
λμ
i
= 0.624 W/(m?℃)
i
= 0.742×10-3 Pa?s
5 计算总传热系数
5.1 计算热流量 Q =
mc
p0
ΔT =12000×3.297×(110-60) = 1.98×106KJ/h = 550(kW)
5.2计算平均传热温差(采用逆流) 热流体110℃ → 60℃ 冷流体39℃ ← 29℃ Δt 71℃ 31℃
?t
m
=
?t0-?ti71-31
=
?t0
lnln
31?ti
≈48℃
平均传热温差校正系数
110-60
R==5
39-2939-29
P=0.123
110-29
按单壳程、双管程结构查温差校正系数图表，可得 φ.95?t=0平均传热温差
'
℃ ?t=?t=0.95?48=45.6?tm
φ
5.3 确定总传热系数K
根据两流体的情况，假设K = 450 W/℃ 5.4 计算传热面积
S'=
Q550000
==25.5m2 K?t450?48
考虑15％的面积裕度，S=1.15?25.5=29.33m2
6 换热器结构尺寸设计
6.1 管径和管内流速
选用Φ25mm×2.5mm传热管（碳钢管），可设管内冷却水流速ui=1m/s。
6.2管程数和传热管数 冷却水用量wi=
Q550
==13.18kg/s cpi?ti4.174?39-29依据传热管内径和流速确定单程传热管数。
13.18
Vns = =≈43(根)计算，所需的传热管长度为22
diui0.785?0.02?14
L=
S29.33
=≈10.9m πd0ns3.14?0.02?43
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 a= 6.0(m)，则该换热器管程数为NP =
L10.9=≈2(管程) a6
传热管总根数N =43×2 = 86(根)
6.3 传热管排列和分程方法
采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。 因为壳程流体压力较大，故采用焊接法连接管子与管板。取管心距t = 1.25do，则
t= 1.25×25≈32(mm)
隔板中心到离其最近一排管中心距离=t/2+6=32/2+6=22mm 则分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn = 44mm。
横过管束中心线的管数nc = 1.19 = 11根)
6.4 壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η= 0.7，则壳体内径为： D = 1.05a = 1.05×32 /0.7= 372(mm) 圆整可取D = 400mm
6.5 折流板
采用单弓形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为
h = 0.25D = 0.25×400 = 100(mm)
取折流板间距B = 0.3D = 0.3×400 = 120(mm) 为了便于制造和维修，减小阻力，取B为100mm。 折流板数NB = 传热管长/折流板间距-1 =折流板圆缺面水平装配。
6000
-1 = 59(块) 100
6.6 接管
管程流体进、出口接管：取接管内循环水流速为u=1.5m/s，则接管内径为： d =
4V
= 0.106(m) πu
圆整取109mm。
壳程流体进、出口接管：取接管内混合气体流速为u=20m/s，则接管内径为：
4?12000
3600?90=0.049(m) .14?20
d =
圆整取59mm。
7 换热器核算
7.1 热量核算
7.1.1 壳程对流传热系数。
对圆缺形折流板，可采用凯恩公式：
αo = 0.36Reo0.55Pr1/3
当量直径，由正三角形排列得：
de = 0.020(m)
流体通过管间最大截面积为：
S = BD(1－
壳程流体流速及其雷诺数
12000/(90?3600)
=4.23m/s
0.00875
0.020?4.23?90
普兰特准数： Re0==507600
0.000015
dt
) = 0.1×0.4×(1－
0.025
) = 8.75×10-3m2) 0.032
u0=
3.297?103?1.5?10-5
Pr = =1.77
0.0279
黏度校正
αo = 0.36×
7.1.2 管程对流传热系数
0.0279
×5076000.55?1.771/3 = 835 0.02
αi = 0.023Rei0.8Pr0.4
管程流通截面积：
Si = 0.785?0.022?86/2=0.014(m2)
管程流体流速及其雷诺数分别为：
13.18
ui==0.982(m/s)
0.0135
0.02?0.982?994.3Rei = =26318 -3
0.742?10
普兰特准数：
4.174?103?0.742?10-3
Pr ==4.96
0.624
αi = 0.023×
7.1.3 对流传热系数K
0.6240.80.4
×26318×4.96= 4680 0.02
查表得，污垢热阻Rsi = 0.000344 m2?℃/W，Rs0 = 0.000172 m2?℃/W 在该条件下管壁（碳钢）导热系数λ= 45W/(m?℃) K = 1
ddbd100
+R0+Rsis0ddidiii0
1
0.0250.0250.0025?0.0251
+0.000344?++0.000172+
4680?0.020.02045?0.0225835
= =
=469.8W/(m2?℃)
7.1.4 传热面积S
Q550?103
S = ==24.4(m2)
K?t469.8?48
该换热器的实际传热面积Sp = πd0Ln = 3.14×0.02×(6.0-0.06)×(86-11) =27.98(m2) 该换热器的面积裕度为：H =
27.98-24.4SP-S
×100% =×100% =25%
24.4S
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
7.2 核算压强降
7.2.1 管程压强降ΣΔpi = (Δp1 +Δp2)FtNpNs
其中Ft = 1.4，Np = 2，Ns = 1
l
直管部分的压降 ?pl=λi
di
?ρiui2 2?????
设管壁粗糙度ε= 0.1m，传热相对粗糙度0.005，Rei =26318，查图得λ= 0.033
2
61.3?994.3
所以Δp1= 0(Pa) .=8317.8
0.0222944.3?1.3
? ()p==2393Pa2
2
)ΣΔpi = (Pa < 0.035m="" pa="" 8317.8-2393?1.4?2="">
管程压降再允许范围之内。
7.2.2 壳程压强降ΣΔpo = (Δp’1 +Δp’2)FsNs，其中Fs = 1.15，Ns = 1 壳程流通截面积：So =B(D-ncd0)=0.1?(0.4-11?0.025)=0.013)
u0 = = 4.23(m/s)
流体流经管束的阻力
2
pu0
Δp’1 = Ff0nc(NB+1)=1.26?104 = 0.5×5.0×507600-0.228×11×(59+1)×（90×4.232）/2 =
2
41400(Pa)
流体流过折流板缺口的阻力：
2
2Bpu0
?p'2=NB(3.5-)=46400
D2
ΣΔpo = (41400+46400)×1×1 = 87810Pa
壳程压降也在范围之内。
8 换热器主要结构尺寸和计算结果
工艺参数
9 设计评述
固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，本设计由于换热任务较大，故管数较多。由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程走不易结垢的混合气体。
在设计过程中应尽量做到：
1、增大传热系数。在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的情况下，尽量选择较高的流速。
2、提高平均温差。对于无相变的流体，采用逆流的传热方式，不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。
3、妥善布置传热面。本设计采用合适的管间距和排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。并且错列管束的传热方式比并列的好。
列管式换热器装配图(见打印稿)
10 符号说明
B——折流板间距，m； C——系数，无量纲； d——管径，m；
D——换热器外壳内径，m； f——摩擦系数； F——系数； h——圆缺高度，m；
K——总传热系数， W/(m2?℃)； L——管长，m； m——程数；
n——指数、管数、程数； N——管数、程数； NB——折流板数； Nu——努塞尔特准数； P——压力，Pa； 因数； Pr——普兰特准数； q——热通量，W/m2； Q——传热速率，W； r——半径，m； 汽化潜热，kJ/kg； R——热阻，m2?℃/W； 因数；
Re——雷诺准数；
S（或A）——传热面积，m2； t——冷流体温度，℃； a(或t)——管心距，m； T——热流体温度，℃； u——流速，m/s； W——质量流量，kg/s； V——体积流量，m3/s。 希腊字母：
α——对流传热系数，W/(m2?℃)；Δ——有限差值；
λ——导热系数，W/(m2?℃)； μ——黏度，Pa?s； ρ——密度，kg/m3； ψ——校正系数。 下标： c——冷流体； h——热流体； i——管内； m——平均； o——管外； s——污垢。
11 参考资料
[1] 上海医药设计院.化工工艺设计手册(上、下).北京：化学工业出版社，1986 [2] 尾范英郎（日）等，徐忠权译.热交换设计手册，1981
[3] 时钧，汪家鼎等.化学工程手册，北京：化学工业出版社，1996 [4] 卢焕章等.石油化工基础数据手册，北京：化学工业出版社，1982
[5] 陈敏恒，丛德兹等.化工原理(上、下册)(第二版).北京：化学工业出版社，2000 [6] 大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连：大连理工大学出版社，1994 [7] 柴诚敬，刘国维，李阿娜.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，1995 [8] 马江权，冷一欣.化工原理课程设计，北京：中国石化出版社，2009
[9] 柴诚敬，刘国维，李阿娜.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，1995 [10] 姚玉英等.化工原理(上、下册).天津：天津科学技术出版社，2001
范文四：列管换热器的设计
列管式换热器
列管式换热器的设计计算
________________________________________
【关键词】列管式换热器
【论文摘要】列管式换热器的设计计算
列管式换热器的设计计算
1． 流体流径的选择
哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)
(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。
(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。
(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。
(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。
(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。
(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。
(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。 在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。
2. 流体流速的选择
增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。
此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。
3. 流体两端温度的确定
若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。为了节省水量，可使水的出口温度提高些，但传热面积就需要加大；为了减小传热面积，则要增加水量。两者是相互矛盾的。一般来说，设计时可采取冷却水两端温差为5～10℃。缺水地区选用较大的温度差，水源丰富地区选用较小的温度差。
4. 管子的规格和排列方法
选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×2.5mm及φ19×mm两种规格的管子。
管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。系列标准中也采用这
四种管长。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4～6(对直径小的换热器可大些)。 如前所述，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，如第五节中图4－25所示。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；相同的壳径内可排列更多的管子。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)可以适当地提高。
管子在管板上排列的间距 (指相邻两根管子的中心距)，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=(1.3～1.5)do，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=1.25do。
5. 管程和壳程数的确定 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。
管程数m可按下式计算，即:
(4-121)
式中u―――管程内流体的适宜速度， m/s；
u′―――管程内流体的实际速度， m/s。
图4-49串联列管换热器 当壳方流体流速太低时，也可以采用壳方多程。如壳体内安装一块与管束平行的隔板，流体在壳体内流经两次，称为两壳程，如前述的图4-47和图4-48所示。但由于纵向隔板在制造、安装和检修等方面都有困难，故一般不采用壳方多程的换热器，而是将几个换热器串联使用，以代替壳方多程。例如当需二壳程时，则将总管数等分为两部分，分别安装在两个内径相等而直径较小的外壳中，然后把这两个换热器串联使用，如图4-49所示。
6. 折流挡板
安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。
第五节的图4－26已示出各种挡板的形式。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10～40％，一般取20～25％，过高或过低都不利于传热。
两相邻挡板的距离(板间距)h为外壳内径D的(0.2～1)倍。系列标准中采用的h值为:固定管板式的有150、300和600mm三种；浮头式的有150、200、300、480和600mm五种。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。
挡板切去的弓形高度及板间距对流体流动的影响如图3-42所示。
7. 外壳直径的确定
换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可用作图法确定壳体的内径。但是，当管数较多又要反复计算时，作图法太麻烦费时，一般在初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。待全部设计完成
后，仍应用作图法画出管子排列图。为了使管子排列均匀，防止流体走
另外，初步设计中也可用下式计算壳体的内径，即: (4-122)
式中 D――――壳体内径， m；
t――――管中心距， m；
nc―――－横过管束中心线的管数；
b′―――管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离， 一般取b′=(1～1.5)do。
nc值可由下面的公式计算。
管子按正三角形排列时: (4-123)
管子按正方形排列时: (4-124)
式中n为换热器的总管数。
按计算得到的壳径应圆整到标准尺寸，见表4-15。
8．主要构件
封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体(一般小于400mm)，圆形用于大直径 的壳体。
缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。 导流筒 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间(死角)，为了提 高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。 放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。
接管尺寸 换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即:
式中Vs--流体的体积流量， /s；
u --接管中流体的流速， m/s。
流速u的经验值为:
对液体 u=1.5～2 m/s
对蒸汽 u=20～50 m/s
对气体 u=(15～20)p/ρ (p为压强，单位为atm ；ρ为气体密度，单位为kg/)
9． 材料选用
列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。 10． 流体流动阻力(压强降)的计算
(1) 管程流体阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。对于多程换热器，其总阻力 Δpi等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。一般进、出口阻力可忽略不计，故管程总阻力的计算式为:
（4-125）
式中 Δp1、Δp2------分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，N/；
Ft-----结垢校正因数，无因次，对于φ25×2.5mm的管子， 取为1.4，对φ19×2mm的管子，取为1.5；
Np-----管程数；
Ns-----串联的壳程数。
上式中直管压强降Δp1可按第一章中介绍的公式计算；回弯管的压强降Δp2由下面的经验公式估算，即:
-126) (4
(2) 壳程流体阻力 现已提出的壳程流体阻力的计算公式虽然较多，但是由于流体的流动状况比较复杂，使所得的结果相差很多。下面介绍埃索法计算壳程压强Δpo的公式，即:
(4-127)
式中 Δp1′-------流体横过管束的压强降，N/；
Δp2′-------流体通过折流板缺口的压强降，N/；
Fs --------壳程压强降的结垢校正因数，无因次，对液体可取
1.15，对气体或可凝蒸气 可取1.0
而 (4-128)
(4-129)
式中 F----管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.5，对正方形斜转45°为0.4，正方形排列为0.3；
fo----壳程流体的摩擦系数，当Reo＞500时，
nC----横过管束中心线的管子数；
NB----折流板数；
h ----折流板间距，m；
uo----按壳程流通截面积Ao计算的流速，而。
一般来说，液体流经换热器的压强降为 0.1～1atm，气体的为0.01～0.1atm。设计时，换热器的工艺尺寸应在压强降与传热面积之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。 三、 列管式换热器的选用和设计计算步骤
1． 试算并初选设备规格
(1) 确定流体在换热器中的流动途径。
(2) 根据传热任务计算热负荷Q。
(3) 确定流体在换热器两端的温度，选择列管式换热器的型式；计算定性温度，并确定在定性 温度下流体的性质。
(4) 计算平均温度差，并根据温度校正系数不应小于0.8的原则，决定壳程数。
(5) 依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数K选值。
(6) 由总传热速率方程Q＝KSΔtm，初步算出传热面积S，并确定换热器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列标准选择设备规格。
2． 计算管、壳程压强降 根据初定的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压强降。检查计算结果是否合理或满足工 艺要求。若压强降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压强降直至满足要求为止。
3． 核算总传热系数 计算管、壳程对流传热系数αi 和αo，确定污垢热阻Rsi和Rso，再计算总传热系数K'，比较K得初始值和计算值，若K'/K＝1.15～1.25，则初选的设备合适。否则需另设K选值，重复以上计算步骤 。
通常，进行换热器的选择或设计时，应在满足传热要求的前提下，再考虑其他各项的问题。它们之间往往是互相矛盾的。例如，若设计的换热器的总传热系数较大，将导致流体通过换热器的压强降(阻力）增大，相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积，可能使总传热系数和压强降降低，但却又要受到安装换热器所能允许的尺寸的限制，且换热器的造价也提高了。
此外，其它因素(如加热和冷却介质的用量，换热器的检修和操作)也不可忽视。总之，设计者应综合分析考虑上述诸因素，给予细心的判断，以便作出一个适宜的设计。
范文五：列管换热器的设计
化工原理课程设计
设计说明书
列管式换热器 设计题目:
, 一、设 计 任 务 书
(一) 设计题目:列管换热器的设计
(二) 设计任务及操作条件
某生产过程中，需用循环冷却水将有机料液从102?冷却至40?。已知有机
4料液的流量为2.17×10 kg/h，循环冷却水入口温度为30?，出口温度为40?，并要求管程压降与壳程压降均不大于60kPa，试设计一台列管换热器，完成该生产任务。
(三) 选择适宜的列管式换热器并进行核算
3.1 传热计算
3.2 管、壳程流体阻力计算
3.3管板厚度计算
3.4 U形膨胀节计算
3.5 管束振动
3.6 管壳式换热器零部件结构
(四)绘制换热器装配图(A3图纸)
设计说明书包括:封面、目录、设计任务书、设计计算书、设计结果汇总表、
参考文献及设计自评表、换热器装配图等。(设计说明书及图纸均须计算机打印
完成)
目 录
, 一、设 计 任 务 书 ...............................................................................-1- , 二、概 述 .........................................................................................-3-错
误～未定义书签。
, 2.1 列管式换热器的分类简介 ................................................................-3- , 2.2 列管式换热器的选用与设计原则 ....................................................-4-
, 三、换热器的选型 ...................................................................................-5- , 3.1 确定物性参数 ....................................................................................-5- , 3.2 计算热负荷和平均温度差 ................................................................-7- , 3.3 平均传热温差校正 ..........................................................................-7- , 3.4 管径与管内流速 ..........................................................................-9- , 3.5 管程数和传热管数 ..........................................................................-9- , 3.6 壳体内径 ...........................................................................................-11- , 3.7 折流板 ...............................................................................................-11-
- 1 -
, 3.8 接管、拉杆与定距管的选定 ...........................................................-12- , 四、换热器核算 ......................................................................................-12-
, 4.1、热量核算 ........................................................................................-12-
, 4.2、传热面积核算 ................................................................................-13-
, 4.3、流动阻力核算 ................................................................................-14- , 4.4、壁温核算 ........................................................................................-15-
- , 五、换热器选型 ......................................................................................-16, 六、设计结果 ..........................................................................................-17- , 七、结构设计 .................................................................................... .....-19- , 八、强度设计计算....................................................................................-20- , 九、参 考 文 献 ....................................................................................-27- , 十、课程设计心得 ..................................................................................-28- , 十一、主要符号说明 ..............................................................................-29-
二、概述
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。它是将
热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。 换热器既可是一种单
独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等;也可是某一工艺设备的组成部分，如
氨合成塔内的热交换器。
一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、
低压换热器;不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外;铜、铝及其合金多用于制
造低温换热器;镍合金则用于高温条件下;非金属材料除制作垫片零件外，有些
已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃
换热器等。
换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷
器、过热器等。 换热器按传热方式的不同可分为:混合式、蓄热式和间壁式。
其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换
热器、板面式换热器和扩展表面式换热器(板翅式、管翅式等)
- 2 -
在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%,20%，在炼油厂约占总费用35%,40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。
2.1列管式换热器的分类简介
换热器的类型按传热方式的不同可分为:混合式、蓄热式和间壁式。其中间
-1所示。 壁式换热器应用最广泛，如表2
表2-1 换热器的结构分类
类型 特点
用于管壳温差较小的情况(一般?50?)，管间不能清刚性结构 固定管洗 式 带膨胀节 有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 浮头式 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合 列 U型管式 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难 管 管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的管 外填料函 填料函 介质 式 间 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合 式 壳 釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器 双套管式 中 式 壁 能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预 套管式 热器 沉浸式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 螺旋管式 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝 式 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间板式 换热 板可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低螺旋板式 面温热能 式 伞板式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净
板壳式 板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高
混合式 适用于允许换热流体之间直接接触
换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热蓄热式 能的场合
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
- 3 -
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
2.2列管式换热器的选用与设计原则
换热器的设计即是通过传热过程计算确定经济合理的传热面积以及换热器的结构尺寸，以完成生产工艺中所要求的传热任务。换热器的选用也是根据生产任务，计算所需的传热面积，选择合适的换热器。由于参与换热流体特性的不同，换热设备结构特点的差异，因此为了适应生产工艺的实际需要，设计或选用换热器时需要考虑多方面的因素，进行一系列的选择，并通过比较才能设计或选用出经济上合理和技术上可行的换热器。
2.2.1、 流体通道的选择
流体通道的选择可参考以下原则进行:
1( 不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子;
2( 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，管内也便于检修和清洗;
3( 高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量; 4( 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程;
5( 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果; 6( 有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏;
7( 粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数(Re<100)下即可达到湍流，可提高对流传热系数。但是有时在动力设备允许的条件下，将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。>
- 4 -
2.2.2、 流体流速的选择
换热器中流体流速的增加，可使对流传热系数增加，有利于减少污垢在管子表面沉积的可能性，即降低污垢热阻，使总传热系数增大。然而流速的增加又使流体流动阻力增大，动力消耗增大。因此，适宜的流体流速需通过技术经济核算来确定。充分利用系统动力设备的允许压降来提高流速是换热器设计的一个重要原则。在选择流体流速时，除了经济核算以外，还应考虑换热器结构上的要求。
给出工业上的常用流速范围。除此之外，还可按照液体的粘度选择流速，按材料选择容许流速以及按照液体的易燃、易爆程度选择安全允许流速。
, 三、换热器的选型
3工艺计算及主要设备设计
3.1确定物性数据
3.1.1 初选换热器的类型
两流体的温度变化情况如下:
(1)有机料液:入口温度102?，出口温度40?;
(2)冷却水:入口温度30?，出口温度40?;
该换热器用循环冷却水进行冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考略到这一因素，估计所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，需考虑热膨胀的影响，相应地进行热膨胀的补偿，故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器。 3.1.2 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不大于60kPa;两流体分别为有机料液和冷却水。与有机料液相比，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，应使循环冷却水走管程，而使有机料液走壳程。
表3-2.列管式换热器内的适宜流速范围
流速/(m/s)
流体种类
管程 壳程
一般液体 0.5~3 0.5~1.5
- 5 -
易结垢液体 >1 >0.5
气体 5~30 3~15
表3-3.不同粘度液体的流速(以普通钢壁为例) 液体粘度,1500500,100,
35,1 ,1 /mPa(s 1500 ,500 100 35
最大流速/
0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4 (m/s)
由上表，我们初步选用Φ25×2.5的碳钢管，管内流速取u=1.0m/s。 i
定性温度:取流体进出口温度的平均值。
壳程油的定性温度为:
102，40 T,,71:C2,t,T,t112管程流体的定性温度为: ,t,T,t22130，40 t,,35:C,t,,t12(102,40),(40,30)2,t,,,28.5:Cm,t1102,40根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 lnln40,302,t物性 密度 粘度 比热容C 导热系数 P
3 kg/m 流体 Pa?s kJ/(kg??) W/(m??)
-3 986 4.19 0.662 有机化合液 0.54×10
-3 994 4.174 0.626 水 0.728×10
3.2计算热负荷和平均温度差
1. 热流量
，，Q,mcT,T,21700，4.19，(102,40),1551.5kW 11p112
2.平均温度差
暂时按单壳程、多管程计算。逆流时，我们有
煤油:102??40?
水: 40??30? 得:
3.冷却水用量
Q1565.91m,,,37.5kg/s,133811kg/hc(t,t)4.174，(40,30)p221
- 6 -
3.3 平均传热温差校正
平均传热温差校正系数:
按单壳程，双管程结构，查阅相关温差校正系数图
得，由此可知，是合理的。如果温度校正系数低于0.8，则,,0.86>0.8,t
应该采用多壳程结构或其他流动方式。。
所以修正后的传热温差为: ,T,,,t,0.86，28.5,24.5:Cm,tm
3.3.1 总传热系数
T,T102,40总传热系数的经验值见表3-4，有关手册中也列有其他情况下的总传热系数12R,,,6.2t,t40,3021经验值，可供设计时参考。选择时，除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考t,t40,3021P,,,0.139虑换热器的类型。 T,t102,3011表3-4 总传热系数的选择
3管程 壳程 总传热系数/[W/(m??)
- 7 -
水(流速为0.9,1.5m/s) 水(流速为0.9,1.5m/s) 582,698 水 水(流速较高时) 814,1163 冷水 轻有机物μ,0.5mPa?s 467,814 冷水 中有机物μ=0.5,1mPa?s 290,698 冷水 重有机物μ,1mPa?s 116,467 盐水 轻有机物μ,0.5mPa?s 233,582 有机溶剂 有机溶剂μ=0.3,0.55mPa?s 198,233 轻有机物μ,0.5mPa?s 轻有机物μ,0.5mPa?s 233,465 中有机物μ=0.5,1mPa?s 中有机物μ=0.5,1mPa?s 116,349 重有机物μ,1mPa?s 重有机物μ,1mPa?s 58,233 水(流速为1m/s) 水蒸气(有压力)冷凝 2326,4652 水 水蒸气(常压或负压)冷凝 1745,3489 水溶液μ,2mPa?s 水蒸气冷凝 1163,1071 水溶液μ,2mPa?s 水蒸气冷凝 582,2908 有机物μ,0.5mPa?s 水蒸气冷凝 582,1193 有机物μ=0.5,1mPa?s 水蒸气冷凝 291,582 有机物μ,1mPa?s 水蒸气冷凝 114,349 水 有机物蒸气及水蒸气冷凝 582,1163 水 重有机物蒸气(常压)冷凝 116,349 水 重有机物蒸气(负压)冷凝 58,174 水 饱和有机溶剂蒸气(常压)冷凝 582,1163 水 含饱和水蒸气的氯气(,50?) 174,349 水 SO冷凝 814,1163 2
水 NH冷凝 698,930 3
水 氟里昂冷凝 756
1).管程传热系数:
,du 0.02，1.0，994iiiRe,,,27307.7i ,0.000728i picu4174，0.000728 Pr,,,4.85i,0.626i ,,picuiiiidu0.80.4,,0.023()()i,, iiid
,0.6260.80.40.80.42i,0.023RePr,0.023，，27307.7，4.85,4792.9W/(m,:C) d0.02i
2).壳程传热系数:
2假设壳程的传热系数是: ,,1300W/(m,:C) o
2R,0.000344m,:C污垢热阻: si
2R,0.000172m,:C so
2,,45m,:C/W管壁的导热系数:
b,0.0025管壁厚度:
- 8 -
内外平均厚度: b,0.0225m
在下面的公式中，代入以上数据，可得
1K, ddbd1oooRR，，，，siso,,,dddiiiio
,1/(0.00026，0.00043，0.000069，0.00017，0.00077)
2,588W/m,:C
3.3.2计算传热面积
由以上的计算数据，代入下面的公式，计算传热面积:
Q155150021S',,,92.6m K,588，28.5tm
考虑15%的面积裕度，则:
2S,1.15S',106.5m
3.4管径和管内流速
换热器中最常用的管径有φ19mm×2mm和φ25mm×2.5mm。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，单位传热面积的金属耗量更少。所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用φ19mm×2mm直径的管子更为合理。如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子。
标准管子的长度常用的有1500mm，2000mm，3000mm，6000mm等。当选用其他尺寸的管长时，应根据管长的规格，合理裁用，避免材料的浪费。
选用Φ25×2.5的碳钢管，管长6m，管内流速取ui=1.0m/s。 3.5管程数和传热管数
根据传热管的内径和流速，可以确定单程传热系数:
V133811/(3600，994) n,,,119.1,120(根)s220.785，0.02，1.0,duii 4
按单程计算，所需传热管的长度是:
S106.5 L,,,11.3m,dn3.14，0.025，121os
- 9 -
若按单程管计算，传热管过长，宜采用多管程结构。工业上常采用以下几种
N换热管:1500，2000，3000，4500，6000，9000mm。现取l=6000mm，则该传热D,1.05t,管程数为:
L11.3N,,,(管程)2 pl6
则传热管的总根数为:
N,Nn,2，120,240(根) ps
换热管标准排列形式有以下几种:本设计中采用正三角形排列.
在上述几种排列中，a、d排列更为合理，因为在相同折流板间距条件下，其流通截面比其他两种要大，有利于提高流速。
故本换热器采用混合排列，即在隔板附近采用正方形排列，在其他部分采用正三角形排列。管间距为t=1.25d?32mm, 则 o
横过管束中心线的管子数:
n,1.1N,1.1240,17(根) c
3.6壳体内径
对于多管程结构，壳体内径采用下式计算:
其中η为管板利用率，对于正三角形排列:两管程，0.7-0.85，大于四管程，0.6-0.8;对于正方形排列:两管程，0.55-0.7，大于四管程，0.45-0.65。
- 10 -
由于本设计采用混合排列，多管程结构，取管板利用率为η=0.7，则壳体内径为:
圆整后取D=900mm。 4V4，21500(3600，986)1d,,,0.072m1,u3.14，1.53.7 折流板
常用的折流板有弓形和圆盘
--圆环形两种。弓形折流板又分为
240单弓形、双弓形和三弓形三种。各D,1.05tN,,1.05，32，,622.1mm0.7
种折流板具体形状见右图:
本换热器采用弓形折流板，取
弓形折流板的圆缺高度为壳体内径
的25%，则切去圆缺高度为:
h,0.25D,0.25，900,225mm
折流板的间距在允许的压力降
范围内希望尽可能的小，一般推荐
折流板间距最小值为壳体内径的
0.2倍(或不小于50mm),最大值取
决于支持管所必须的最大间隔。
本设计取折流板间距为0.5D,则B,0.50，900,450mm，由于在系列标准中只有以下几种折流板间距:150，200，300，450，600(对于D=900mm,l=6000mm)
故取B=450mm
则折流板数为:
据《常用化工单元设备设计》P34，表格1-13，选取折流板与壳体间的间隙为3 . 5mm, 因此折流板直径Dc = 500 - 2 × 3 . 5 = 493mm 折流板厚度
l6000参照由万利国、董新法编著《化工制图AutoCAD实战教程与开发》143页N,,1,,1,13.3,13(块)BB450
表5-4得折流板厚度为5mm。
3.8接管、拉杆与定距管的选定
壳程流体进出口接管:取接管内有机料液流速为u=1.5m/s
则接管内径为:
- 11 -
0.14,,,o,,,0.95由无缝钢管( GB8163-87) 得， 故壳程流体(即煤油)进出口接管直径取标,,,w,,10.6620.5523，，，，，，,,0.36，，4792.93.4，0.95,1333W/m,:C准管径100mm; o0.027
管程流体进出口接管:取接管内循环水流速为u=1.8m/s,同理得接管内径为:
,N,240222，，A,d,，0.020，,0.038m ii4N42p
由无缝钢管( GB8163-87) 得，取标准管径为260mm。 拉杆的直径和数量与定距管的选定
根据《常用化工单元设备设计》P35，表格1-17，选用12mm 钢拉杆, 数量6 条。4V4，133811(3600，986)2d,,,0.163m2,u3.14，1.8定距管采用与换热管相同的管子, 即Φ25mm×2 . 5mm 钢管。
, 四、换热器核算 换热器主要传热参数核算
4.1热量核算
壳程对流传热系数
对于圆缺式折流板，可采用克恩公式:
流体流通管间最大截面积为:
则壳程流速为: 0.141,,,,0.55oo3,,,,0.36RePr oo,,d,ew,,其中，de为当量直径:
d0.025,,,,2o S,BD1,,0.45，0.90，1,,0.0886m,,,,ot0.032,,,,
m21500ou,,,0.068m/so则壳程雷诺数为: ,S3600，986，0.0886oo
,,,,2222普兰特准数为: 4t,d,,4，0.032,，0.025()o4,,4d,,,0.027me ,,d，0.025o
则管程对流传热系数，取粘度校正系数
,du0.027，0.0886，986eooRe,,,4367.98 o,3,0.54，10o
,管程对流传热系数 i
3,3,C4.19，10，0.54，10poo流通截面积: Pr,,,3.4o,0.662o
- 12 -
S,S105,93.9pH,，100%,，100%,11.8% S93.9管程流体流速:
雷诺数为:
普兰特准数为:
m133811iu,,,0.984m/s i,A994，3600，0.038ii
则其对流传热系数为:
,du0.02，0.984，994iiiRe,,,26870.1 ,3,0.728，10i
污垢热阻 3,3,C4.174，10，0.728，10piiPr,,,4.85管程与壳程的污垢热阻分别为: ,0.626i
0.6260.80.42 ，，，，，，,,0.023，26870.14.85,4731W/m,:Ci0.02
管壁导热系数为:
,42R,3.44，10m,:C/W代入数据，总传热系数为: si
1,422R,1.72，10m,:C/WK,,581W/，，m,:C soddbd1ooo，R，，R，siso ,,,dddiiiio,,45W/(m,:C)
介于1.12至1.25之间符合要求。
4.2 传热面积核算
Q155150021换热面积S按核算后所得的总传热系数计算。 K,,,511W/，，m,:CoS，,t106.5，28.5om则传热面积
580K,,1.135 Ko511
该换热器的实际传热面积为:
2S,,dL(N,n),3.14，0.025，6，(240,18),105m poc
则该换热器的面积裕度为:
Q15515002S,,,93.9m K,t588，28.5m
传热面积裕度合适，故该换热器能够完成生产任务。
- 13 -
4(3 换热器内流体的流动阻力核算
4.3.1管程流动阻力
管程为压力降:
，，,,P,,P，,PFNNi12tsP
t=1.4,Ns=1,Np=2 其中，F
传热管的相对粗糙度为: 查莫狄图得
0.01,,,0.005则由于流体与管壁摩擦产生的压降为: d20i
，，,,0.034W/m,:C
22u,l6000994，0.5，，ii,P,,0.034，，,1267.4Pa,1则管程压力降为: d2202i22u,994，0.5，， ,P,(1267.4，372.8)，1.4，4,9185.12Pa,100kPaiii,P,,3，,372.8Pa,2224.3.2壳程流动阻力
,2 uoo,p,Ffn(N，1)，F,0.41ocB2
壳程流通截面积A,h，(D,nd),0.225，(0.9,17，0.025),0.106msoco
21700u,,0.07mso 3600，986，0.0886
,du0.025，0.07，986 ooRe,,,3196o,3,0.54，10 ,0.228,0.228，，f,5.0,Re,5.0，3196,0.79oo 22,u986，0.07o则,p,Ffn(N，1)，,0.4，0.79，17，(13，1)，,182Pa 1ocB22
22 ,u2B2，0.225986，0.0.07,,oo,p,N3.5,,13，(3.5,)，,94Pa,,2BD20.92,,
，，,p,,p，,pFN12ts由此可知本换热器符合要求。 其中F,1.15,N,1ts注: NB———折流板数目; 则,p,317.4Pa,100kPaB———折流板间距, m; Di ———壳体内径, m;
- 14 -
F———管子排列方式对压力降的校正因数, 对于正三角形排列,
F = 0 . 5对于正方形斜转45?, F = 0 . 4;
f0———壳程流体的摩擦系数。
c———横过管束中心线的管数,管子按正三角形排列: nc = 1 . 1 N ;管子按n
正方形排列: nc = 1 . 19 ; N
u0 ———壳程流体横过管束的最小流速, m /s ,
4.4 壁温核算
因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按式(3-42)计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为16?，出口温度为40?计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳程和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管壁温差肯能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有:
T式中液体的平均温度t=和气体的平均温度分别按式(3-44)和式(3-45)计算mm,，/tmh,c,t为: w11，,,chT,(102，40)/2,71:C mt,0.4，40，0.6，16,25.6:Cm
22,,,,1266.7W/(m,K),,,,4766W/(m,K) hoci
传热管平均壁温
71T,71:C壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即 。 25.64766，1266.7t,,35.0:C壳体壁温和传热管壁温之差为 11，,t,71,35.0,36:C,50:C 47661266.7
该温差较小，故不需设温度补偿装置。
, 五、换热器选型
- 15 -
根据以上计算，通过查标准JB/T 4715-92 固定管板式换热器与基本参数的对照可以发现，在DN=600mm范围内，设计所得换热器与标准相差较小，与设计结果比较接近。故暂且选定该换热器，其相关尺寸规格如下:
DN(mm) 900
管程数N 2
壳程数 1
管子根数n 240
中心排管数 17
2管程流通面积m 0.038
2换热面积m 106.5
换热管长度mm 6000
,25，2.5管子规格
主要零件——封头
上下两封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4737-2002标准，封头为:。如图所示
支座
本换热器为卧式内压容器，应该选用鞍式支座，依照JB/T4712-92双鞍式支座为准，选用DN=900mm型鞍式支座。
鞍式支座在换热器上的布置应该按照下列原则确定:
- 16 -
垫片
换热器垫片通过以上设计，按照GB/T539,选定耐油石棉橡胶板作为垫片。
, 六、设计结果
参数 管程(循环水) 壳程(有机料液) 流量(kg/h) 133811 21500 进/出口温度/? 30/40 102/40 压降/kPa <60><60>
物定性温度/? 35 71
性 3密度/(kg/m) 994 986
定压比热容/[kJ/(kg??)] 4.174 4.19
,3,3粘度/(Pa?s) 0.728× 0.54× 1010
热导率(W/m??) 0.626 0.662
普朗特数 4.85 3.4
设形式 固定管板式 管程数 2 备
结壳体内径/? 900 壳程数 1 构
管径/? Φ25×2.5 管心距/? 32 参
数 管长/? 6000 管子排列 ?
管数目/根 240 折流板数/个 19
传热面积/? 106.5 折流板间距/? 450
管程数 2 材质 碳钢 主要计算结果 管程 壳程 流速/(m/s) 0.984 0.069 表面传热系数/[W/(??k)] 4731 1333 污垢热阻/(??k/W) 0.000344 0.000172
- 17 -
阻力/ Pa 9185.12 317.4 热流量/kW 1551.5 传热温差/K 36 传热系数/[W/(??K)] 580 K/Ko 1.135
七、结构设计
1、固定管板结构设计:
由于换热器的内径已确定，采用标准内径决定固定管板外径及各结构尺寸结构尺寸为:
固定管板外径: D,D,2b,900,2，5,890mm0i1
固定管板外径与壳体内径间隙:取 b,5mm1
垫片宽度:按《化工单元过程及设备课程设计》(化学工业出版社出版):表4-16:
取 b,16mmn
固定管板密封面宽度:
b,b，1.5,17.5mm2n
外头盖内径:
D,D，100,900，100,1000mm i
2、管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计:
依工艺条件:管侧压力和壳侧压力中的高值，以及设计温度和公称直径,700，按JB4703-92长颈对焊法标准选取。并确定各结构尺寸，见《化工单元过程及设备课程设计》(化学工业出版社出版)。
3、管箱结构设计:
选用B型封头管箱，因换热器直径较大，且为二管程，其管箱最小长度可不按流道面积计算，只考虑相邻焊缝间距离计算:
- 18 -
"L,h，2C，d，h，h,950mm gminfg12
取管箱长为1000mm，管道分程隔板厚度取7mm。
4、固定端管板结构设计:
依据选定的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大外径为:D=806mm。
5、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计:
依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径;按JB4703-93D,900mmN
长颈法兰标准选取并确定尺寸。
(四) 外头盖结构设计:
外头盖轴向尺寸由固定管板、法兰及强度计算确定厚度后决定。
7、垫片选择:
a.管箱垫片:
。 根据管程操作条件(循环水压力，温度35)选石棉橡胶垫。7045pCa
结构尺寸如《化工单元过程及设备课程设计》(化学工业出版社出版):图4-39
(b)所示:
D,950mm; d,800mm.
b.外头盖垫片:
。 根据壳程操作条件(有机料液，压力，温度71)，选缠绕式1615.2pCa垫片，
909mm，800mm垫片:(JB4705-92) 缠绕式垫片。
8、折流板布置:
折流板尺寸:
外径:;厚度取10mm D,D,8,900,10,890mmN
- 19 -
前端折流板距管板的距离至少为450mm;结构调整为500mm;见《化工单元过程及设备课程设计》(化学工业出版社出版)
后端折流板距浮动管板的距离至少为950mm;
实际折流板间距B=250mm，计算折流板数为15块。
9、说明:
在设计中由于给定压力等数及公称直径超出JB4730-92，长颈对焊法兰标准范围，对壳体及外头盖法兰无法直接选取标准值，只能进行非标设计强度计算。
八、强度设计计算
。 1、筒体壁厚计算:由工艺设计给定设计温度71，设计压力等于工作压力C
。MnR，选低合金结构钢板16卷制，查得材料71时许用应力为60000pCa
t,,,,163Mp。 a
CMnR取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=1mm;对16钢板的负偏差=0 C,12
内压圆筒计算厚度公式:
PDci, = 从而: t,,2,,,Pc
6.0，900,计算厚度:=mm ,29.92，163，0.85,1.6152
设计厚度:mm ,,,，C,29.9，1,30.9d2
名义厚度: 圆整取 ,,,，C,29.9mm,,30mmnd1n
有效厚度: ,,,,C,C,29mmen12
,,,水压试验压力: P,1.25P,1.25，6.0，1,6.77MpTcat,,,
所选材料的屈服应力 ,,325Mpsa
,P D， 6.77， 700，29 Tie,,,,82.2Mp水式实验应力校核: ta22，29,e
- 20 -
水压强度满足 82.2Mp,0.9,,,0.9，0.85，325,248.625Mpasa
试验压力: P,P,5.417MpTca
2、外头盖短节、封头厚度计算:
外头盖内径=800mm，其余参数同筒体: ,
短节计算壁厚:
PD6.0，800ci S== ,20.3mmt,,2,,,P2，163，0.85,6.0c
短节设计壁厚:
S,S，C,20.3，1,21.3mmd2
短节名义厚度:
圆整取=22mm S,S，C,21.3mmSnd1n
有效厚度:
S,S,C,C,21mmen12
压力试验应力校核:
,P D， 6.77，800，21 Tie,,,,129.5Mp ta22，21,e
压力试验满足试验要求。
外头盖封头选用标准椭圆封头:
封头计算壁厚:
PD5.417，800ci S== ,15.95mmt,,2,,,0.5P2，163，0.85,0.5，5.417c
封头名义厚度:
S,S，C，C,15.95，1,16.95mmn12
取名义厚度与短节等厚:
S,20mmn
3、管箱短节、封头厚度计算:
- 21 -
。由工艺设计结构设计参数为:设计温度为35，设计压力为18.786M，pCa
t,,,,170Mp选用16MnR钢板，材料许用应力，屈服强度，取焊缝,,345Mpasa系数=0.85，腐蚀裕度=1mm C,2
计算厚度:
PD18.786，700ci S== ,48.6mmt,,2,,,P2，170，0.85,18.786c
设计厚度:
S,S，C,48.6，1,49.6mmd2
名义厚度:
S,S，C,49.6mmnd1
结合考虑开孔补强及结构需要取 S,50mmn
有效厚度:
S,S,C,C,50-1,49mmen12
压力试验强度在这种情况下一定满足。
管箱封头取用厚度与短节相同，取 S,8mmn
4、 管箱短节开孔补强校核
,377，9 开孔补强采用等面积补强法，接管尺寸为，考虑实际情况选20
t,,,,130Mp,377，9号热轧碳素钢管，，=1mm Ca2
接管计算壁厚:
PD18.786，377ci mm S,,,3.2tt2，130，0.85，0.4,,,,2，Pc
接管有效壁厚:
S,S,C,C,9-1-9，0.15,6.65mmetnt12
开孔直径:
d,d，2C,377,2，9，2，2.35,363.7mmi
接管有效补强高度:
- 22 -
B=2d=2363.7=727.4mm ，
接管外侧有效补强高度:
h,dS,363.7，9,57.2mm 1nt
2mm 需补强面积:A=d,S=363.71.94=705.6 ，
可以作为补强的面积:
2 A,(B-d)(S-S),(727.4,363.7)，(6,1.94),1476.6mm1e
2 A,2h S-St f,2，57.2，( 6.65,3.2) ，130/170,284.3mm21etr
2 A，A,1476.6，284.3,1760.9,A,705.6mm12
该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。
5、壳体接管开孔补强校核:
开孔校核采用等面积补强法。选取20号热轧碳素钢管,325，12
t,,,,137Mp 钢管许用应力:， =1mm Ca2
接管计算壁厚:
PD5.471，325ci S,,,6.3mmtt2，137，1，5.417,,,,2，Pc
接管有效壁厚:
S,S,C,C,12-1-12，0.15,9.2mmetnt12
开孔直径:
d,d，2C,325,2，12，2，(1，12，0.15),306.6mmi
接管有效补强厚度:
B=2d=2306.6=613.2mm ，
接管外侧有效补强高度:
h,dS,306.6，12,60.7mm 1nt
需要补强面积:
2mm,, A=d=306.635.75=10960.95 ，
- 23 -
可以作为补强的面积为:
2 A,(B-d)(,-,),(613.2,306.6)，(37,35.75),383.25mm1e
2 A,2h S-St f,2，60.7，( 9.2,6.3 )，137/170,283.7mm21etr
尚需另加补强的面积为:
2 A,A-A-A,10960.95-383.25-283.7,10294mm412
补强圈厚度:
A102944S,,,35.7mm kB,d613.2,3250
实际补强圈与筒体等厚: ; 则另行补强面积: S,36mmk
2 A,S(B-d),36，( 613.2,325) ,10375.2mm4K0
22 A，A，A,383.25，283.7，10375.2,11042.15mm,A,10960.95mm124
同时计算焊缝面积后，该开孔补强的强度的足够。 A3
6、固定管板计算:
固定管板厚度设计采用BS法。假设管板厚度b=100mm。
总换热管数量 n=256; 一根管壁金属横截面积为:
,,22222 a,(d,d),，(25,20),176.6mm0i44
开孔温度削弱系数(双程): ,,0.5
两管板间换热管有效长度(除掉两管板厚)L取6850mm
计算系数K:
Dna700256，176.62i K,1.32,,1.32，，,10.6,bLb1000.5，6850，100
K=3.256
- 24 -
接管板筒支考虑，依K值查《化工单元过程及设备课程设计》化学工业出版
社:图4-45，
图4-46，图4-47得: G,2.9,G,-0.65,G,2.8123
管板最大应力:
P,P G11 (5.417,0.4 )， (,0.65) ，，，，st2,,P,,，6.41,,50.6Mp taa,,,,,,0.2330.607，，，，
P,P G11 (5.417,0.4) ，2.8，，，，st3,,P,,，6.41,,,71.8Mp 或taa,,,,,,0.2330.607，，，，
筒体内径截面积:
,,222 A,D,，700,384650mmi44
管板上管孔所占的总截面积:
,n256,,222 C,d,，25,125600mm044
A-C384650,125600 系数 ,,,,0.67A384650
n,a256，176.6 系数 ,,,,0.17A-C384650,125600
壳程压力:
P,5.417Mpsa
管程压力:
P,18.787Mpla
当量压差:
P,P-P1 ，, ,18.787,5.714，1 ，0.24 ,13.61Mpa1sa
管板采用16Mn锻: ,,,,150Mpra
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换热管采用10号碳系钢: ,,,,112Mpta
管板管子程度校核:
,,219.6Mp,1.5,,,,1.5，150,225Mprmaxaa
,,,71.8Mp,,,,,112Mpttmaxaa
管板计算厚度满足强度要求。
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九、参 考 文 献
【1】夏清,陈常贵主编. 化工原理(上册)[M]. 天津:天津大学出版社. 2005 【2】董大勤. 化工设备机械设计基础[M]. 北京:化学工业出版社,1999 【3】兰州石油机械研究所. 换热器[M]. 北京:烃加工出版社，1986 【4】《化工设备机械基础》编写组编. 化工设备机械基础(第三册).北京: 石油化学工业出版社，1978
【5】 刁玉玮,王立业编著. 化工设备机械基础(第四版)[M]. 大连:大连理工大学出版社. 2003
【6】华南理工大学化工原理教研组. 化工过程及设备设计[M]. 广州:华南理工大学出版社，1986
【7】贾绍义,柴诚敬主编. 化工原理课程设计[M]. 天津:天津大学出版社.2002 【8】 钱颂文主编. 换热器设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社. 2002 【9】JB/T 4715-92 固定管板式换热器与基本参数
【10】GB 151-1999管壳式换热器
【11】王静康. 化工设计[M]. 北京:化学工业出版，1998 【12】傅启民. 化工设计[M]. 合肥:中国科学技术大学出版社，2000 【13】赵慧清,蔡纪宁主编. 化工制图[M]. 北京:化学工业出版社2008
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十、课程设计心得
首先，这次课程设计课程设计，所要用到的知识很多，包括机械设计基础、机械制图、工程热力学、传热学、换热器原理与设计等方面的知识。这些知识不是机械的相加，而是需要全面的考虑和整体布局，不止一次因为考虑不全而要重新来过;有时会不耐烦，可想想不耐烦对我没有任何益处，便及时的调整过来。这次设计巩固我以前所学习的知识，让我专业知识有了更深的认识和理解。
其次，这次课程设计还考验了我们的团队合作精神，以及严谨的工作态度、平和的心态。这次设计工作量大，用到的知识多，而确我们又是第一次设计，虽然是单独完成，但我们经常要进行讨论，借阅图书资料，从而设计比较合理的方案。
前几天计算结果，设计出一个方案，有时为了一个数据查找了好几本书，还是找不到结果的时候，是挺纳闷的，很容易让人想放弃。但有目标在，或继续请教其他同学，或继续寻找;努力终会结果，这结果就是对努力的奖励。在辛苦的同时，享受着辛苦带来收获的喜悦。后面一个礼拜主要就是画图，画图那几天，每天都得画上一整天，确实很辛苦，有时感觉腰都弯不下来。但是看着自己的成果，就特别欣慰。
通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。但由于本课程设计属我第一次设计，而且时间比较短，查阅的文献有限，本课程设计还有较多地方不够完善，不能够进行有效可靠的计算。在此，感谢学院给我们提供了这么一个学习的机会，让我们把所学的知识得以运用，让我明白什么是严谨的科学态度。
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, 十一、主要符号说明
P——压力，Pa ; Q——传热速率，W; R——热阻，??K/W; Re——雷诺准数; S——传热面积，?; t——冷流体温度，?; T——热流体温度，?; u——流速，m/s; qhm——质量流速，?/h; ——表面传热系数W/(??K);
,,——有限差值; ——导热系数，W/(m?K);
3,,——粘度，Pa?s; ——密度，?/m; ,——校正系数。 r——转速，n/(r/min)
(NPSH)rH——扬程，m ——必须汽蚀余量，m
2mA——实际传热面积， Pr——普郎特系数 N——板数，块 K——总传热系数，W/(??K) B
qv——体积流量 N——管数，根 t
Np——管程数 l——管长，m
K——传热系数，W/(m?K) ?t——平均传热温差，? Cm
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