化工原理课程设计列管式换热器设计

课程设计任务书
设计一个列管式冷却器，冷却器的年处理能力为19.8×104 t。

将煤油液体从140℃冷却到40℃。

冷却水的入口温度为30℃，出口温度为40℃。

要求设计的换热器的管程和壳程的压降不大于100kPa。

设计要求
（1）换热器工艺设计计算
（2）换热器工艺流程图
（3）换热器设备结构图
（4）设计说明
目录
一、前言 (3)
二、方案设计 (5)
1、确定设计方案 (5)
2、确定物性数据 (5)
3、计算总传热系数 (6)
4、计算传热面积 (6)
5、工艺结构尺寸 (6)
6、换热器核算 (8)
三、设计结果一览表 (11)
四、对设计的评述 (12)
五、参考文献 (12)
六、主要符号说明 (13)
列管式换热器设计说明书
一、方案简介
本设计任务是利用冷流体（水）给煤油降温。

利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。

下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器.
选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。

换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。

不同的换热器适用于不同的场合。

而列管式换热器在生产中被广泛利用。

它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。

尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。

所以首选列管式换热器作为设计基础。

二、方案设计
某厂在生产过程中，需将煤油液体从140℃冷却到40℃。

冷却器的年处理能力为19.8×104 t 。

冷却水入口温度30℃，出口温度40℃。

要求换热器的管程和壳程的压降不大于100kPa 。

试设计能完成上述任务的列管式换热器。

1．确定设计方案
（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140℃，出口温度40℃冷流体。

冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。

该换热器用循环水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和流体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。

（2）流动空间及流速的确定
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。

另外，这样的选择可以使煤油通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。

同时，在此选择逆流。

选用ф25×2.5mm 的碳钢管，管内流速取ui=1.2m/ｓ。

2、确定物性数据
定性温度：可取流体进口温度的平均值。

壳程煤油的定性温度为：
℃＝＝
110280
140T
管程流体的定性温度为： ℃＝＋＝
352
40
30t 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

煤油在110℃下的有关物性数据如下： 密度 ρo =825 kg/m 3
定压比热容 c po =2.22kJ/(kg ·℃) 导热系数 λo =0.14 W/(m ·℃) 粘度 μo =0.Pa ·s
冷却水在35℃下的物性数据： 密度 ρi =994kg/m 3
定压比热容 c pi =4.08kJ/(kg ·℃) 导热系数 λi =0.626 W/(m ·℃) 粘度 μi =0. Pa ·s
列管式换热器设计说明书
3．计算总传热系数
（1）热流量 L=
1.98×105×
×24
=2.75×104Kg/h
Q o =Lc p ıΔt ı=2.75×104×2.22 ×(140-40)=6.11×106KJ/h=1697.2Kw
(2) 冷却水用量 q m2=
6.11×1064.08×(40−30)
=Kg/h
（3）平均传热温差
℃）
（）（.39304040
140ln 304040140ln
't 2
121=-----=∆∆∆-∆=
∆t t t t m （4）总传热系数
假设α0=300 W/m 2 . o C R e =
d i ×u i ×ρi
μi
=
0.02×1.2×9947.25×10−4
=32904
αi =0.023λi
d i
×（
d i ×u i ×ρi
μi
）
0.8
×（
c p×μi
λi
）
0.4
=5506W (m 2∙℃)⁄
管壁的导热系数λ=45W (m 2∙℃)⁄
R s i =0.00034m 2∙℃/W R s o =0.m 2∙℃/W K=
1
0.×0.02+0.00034×0.0250.02+0.0025∗0.02545×0.0225+0.+1
300
=236.7W (m 2∙℃)⁄
S ′=
Q o
KΔt m
=
1697.2×.7×39
=183.9m 2
若考虑15%的面积裕度
S=1.15S ′=211.5m 2
5、工艺结构尺寸
（1）管径和管内流速及管长
选用Ψ25×2.5mm 传热管(碳钢)，取管内流速u i =1.2m/s
（2）管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数 N s =
÷994÷36000.785×0.022
×1.2
=112
按单管程计算，所需传热管长度为 L=
S πd o Ns
=
211.53.14×0.025×112
=24.1
按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管长度L=6m ，则该换热器的管程数为
N p =L l
=
24.5
6
=4
传热管总根数 N=112×4=448 (根)
（3）平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
1010100304040140==--=R
11
1301403040=--=P
按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。

可得 平均传热温差
℃323982.0t '
t m =⨯=∆⋅=∆∆m t φ
（4）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。

取管心距t=1.25 d 0，则 t=1.25×25=32(mm) 横过管束中心线的管数 （根）
2644819.1≈=C N （5）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
mm 8507
.0448
32
05.1t
05.1=⨯==η
N
D 圆整可取D ＝900mm （6）折流板
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％，则切去的圆缺高度为h ＝0.25×900＝225mm ，故可取h ＝220 mm 。

取折流板间距B ＝0.3D ，则B ＝0.3×900＝270mm ，可取B 为300mm 。

折流板数 N B =
传热管长L 折流板间距B
=−1=19(块)
折流板圆缺面水平装配。

（7）接管
壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为 u ＝1 m/s ，则接管内径为
列管式换热器设计说明书
m 1086.01
14.32970000
275004u 4d 1=⨯÷⨯=⋅=
πV 圆整后可取管内径为100mm
管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速 u ＝2.0m/s ，则接管内径为
m 163.00
.214.33578400
1497554d 2=⨯÷⨯=
圆整后可取管内径为160mm 6．换热器核算 （1）热量核算
①壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式
14
.0w
3/155
.0o
e
o r e d 36
.0）（
μμλ
αP R = 当量直径，由正三角形排列得 d=0.02m
壳程流通截面积
m 0591.0032
.0025
.019.03.0t d 1o o =-⨯⨯=-
=）（）（BD S 壳程流体流速及其雷诺数分别为
3623
000715
.0825157.002.0e /m 157.00591
.02970000
27500u o o =⨯⨯==÷=
R s
普兰特准数
p=
2220×0..140
=11.34
粘度校正 114
.0w
≈）（
μμ ℃）
（⋅=⨯⨯⨯⨯
=23/155.0o m /509134.11362302
.014
.036.0W α ②管程对流传热系数
4.08.0i
i
i r e d 023
.0P R λα=
管程流通截面积
22i m 0352.0444802.0785.0=÷⨯⨯=S 管程流体流速
32904
000725..09942.102.0Re s
/m 2.10352.0)
3600994(149755u i i =⨯⨯==⨯÷=
普兰特准数
℃）
⋅=⨯⨯⨯==⨯=
24.08.0i /(583073.43290402.0626
.0023.073
.4626.0000725
.008.4r m W P α ③传热系数K
℃）（＋
＋＋＋＋＋＋＋⋅=⨯⨯⨯⨯=
=
2o
so m o i o i i i o m /8.3515091
000172.00225.045025.00025.002.0025.0000344.002.05830025.01
1
d bd d d d d 1
W R R K αλα
④传热面积S
26
m o '
'8.15032
8.351106972.1t m K Q S =⨯⨯=∆=
该换热器的实际传热面积Sp
2c o p 173.9m 06.061065448025.014.3n n 2
5
L d =-⨯--⨯⨯=--=）（）（）（N S π
该换热器的面积裕度为
%3.15%100 8
.150150.8
-173.9'''
'=⨯=
-S S S
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

（2）换热器内流体的压力降 ①管程流动阻力
∑ΔP=(ΔP 1+ΔP 2)FtNsNp Ns=1, Np=4, Ft=1.4
2
u 2u d l 2
22i
1⋅=∆⋅=∆ρξρλP P ， 由Re ＝41131，传热管相对粗糙度e
d =0.005，查莫狄图得λi ＝0.035W/m ·℃，
流速u i ＝1.2m/s ，ρ＝994kg/m3，所以
列管式换热器设计说明书
100KPa KPa 512.4644.114.294.7 2.14KPa 2
2.1994
3.94KPa
722.199402.06037..0i 2
22
1＜）（=⨯⨯+=
∆=⨯⨯=∆=⨯⨯⨯=∆∑P P P
管程压力降在允许范围之内。

②壳程压力降
5
.11,1t '2'1==∆+∆=∆∑F Ns FtNs
P P P
）（’
‘
流体流经管束的阻力
KPa
04.22
157.0825*******.05.0157
.0,19,26362355
.02
)
1(2
'1
228
.02
'
1=⨯⨯⨯⨯⨯=∆===⨯==⋅+=∆-P u N n f F u N n Ff P o B c o o B c o ρ
流体流过折流板缺口的阻力
a
K 100KPa 0061.35.111547.004.2a K 547.02
157.0825)9.03.025.3(192)B 25.3(9.0,3.0B 2
)
B 25.3(o 2
2
'22
'
2P P P u D N P m
D m u D N P o
B o B ＜）（总压力降=⨯⨯+=∆=⨯⨯⨯-⨯=⋅-
=∆==⋅-=∆∑ρρ
壳程压力降也比较适宜。

三、设计结果一览表
换热器主要结构尺寸和计算结果
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四、对设计的评述
初次接触化工原理课程设计，还荒谬地以为是像其他课程一样是实验类的，听课的时候也一头雾水，根本不知道该做什么，该怎么做，无从下手，只是觉得好难。

有一段时间都在观望。

所以自己设计的时候只能是根据老师提供的模板，用新的数据代替旧的数据，其他的公式完全照抄，花了一天时间，终于把计算部分完成了。

裕度15％，在合理范围内，但是，一看压力降却完全不合理。

再细看模板和自己的设计的时候，发现了很多问题，我的设计根本是行不同，果真用这设计的话，也是谋财害命。

所以我决定重新来过，但做出来的裕度居然一直都在50％以上，重新分析计算的过程中也出现了几次错误，由于急于求成，算出来后的结果偏离太多，检查才发现部分数据出现了错误，而且老师给的模板里面也有一些错误，这样照搬下去的一些公式就除了问题了，只好静下来认真地理解和消化原有的一些公式，这样又一次重新算过。

因此，我又花了一天的时间在计算上。

那么接下来就是画图了，由于学过化工制图，以为画图比较简单，5个小时左右可以完成，谁知道，画图更难，这主要是因为在设计的时候，没有兼顾考虑到画图，因此设计出来的管数很难安排，冥思苦想了好久，换了好多方案，查了好多资料，换了多种排列方法，还是行不通。

最终，只好把管数安排成易于排列的数目，才解决了这个问题。

其实，在整个过程中，虽然遇到了很多问题，也犯了不少错误，但是自己真的学到了很多东西，比如word文档公式的运用，比如如何使自己的设计更加合理，这就要求自己在设计前要详细的考虑各种可能出现的问题和解决办法，才能达到事半功倍的效果。

我觉得，如何查找数据也很重要，假如自己查不到数据，接下来的工作完全没办法做，假如查的数据是错误的，那设计出来的东西也是错误的，而且很可能导致严重的后果。

六、参考文献
《化工原理》，王志魁编，化学工业出版社，2006.
《化工设备设计》，潘国吕，郭庆丰编著，清华大学出版社，1996.
《化工物性算图手册》，刘光启等编著，化学工业出版社，2002.
《生物工程专业课程设计》，尹亮，黄儒强编.
《石油化工基础数据手册》《化学化工工具书》等.
七、主要符号说明
表格 1
列管式换热器设计说明书。