传热学课程设计设计讲解

目录
一、概述 (2)
1.1、换热器的分类 (2)
二、设计方案简介 (3)
2.1、选择换热器的类型： (3)
2.2、流体空间及流速的确定： (3)
三、工艺流程草图及说明 (4)
四.列管式换热器的工艺计算 (4)
4.1确定物性参数： (4)
4.2计算总传热系数 (5)
4.2.1、热流量 (5)
4.2.4、总传热系数K (5)
4.3、计算传热面积 (6)
4.4、工艺结构尺寸 (6)
4.4.1、管径和管内流速 (6)
4.4.2、管程数和传热管数 (7)
4.4.3、平均传热温差校正及壳程数 (7)
4.4.4、传热管排列和分程方程方法 (8)
4.4.5、壳体内径 (8)
4.4.6、折流板 (8)
4.4.7、接管 (8)
4.5、换热器核算 (9)
4.5.1、热量核算： (9)
4.5.3、传热系数K (10)
4.5.4、传热面积S (11)
4.5.5、换热器内流体的流动阻力 (11)
4.5.6、壁温核算 (12)
五、设计结果一览表 (13)
六、设计评述 (14)
七、参考文献 (15)
八、主要符号说明 (15)
一、概述
1.1、换热器的分类
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。

在换热器中至少要有两种温度不同的流体,一种流体温度较高,放出热量;另一种流体则温度较低,吸收热量。

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。

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，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。

列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。

列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。

它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。

所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。

在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程列管式换热器。

列管式换热管器的分类如下：
1、固定管板式
固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定在管板上，在外壳上焊有膨胀节，当两流体的温度差较大时，管体和管束热膨胀不同，补偿圈发生缓慢的弹性形变来来补偿因温差引起的热膨胀。

特点：结构简单、在相同的壳体直径内，排管最多、比较紧凑；造价低廉、壳程清洗和检修困难（壳程宜用于不易结垢和清洗的流体）。

适用：比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

2、浮头式换热器
换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮
头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。

其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。

其缺点为结构复杂，造价高。

适用：管壳壁间温差较大，易于腐蚀和易于结垢的场合。

3、填料函式换热器
这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。

但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。

4、U型管式换热器
U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。

管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。

其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。

优点是结构简单，质量轻.
适用：高温高压条件。

二、设计方案简介
确定初步方案：
2.1、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（循环水）进口温度30℃，出口温度50℃.由于该换热器用循环冷却水冷却，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壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。

2.2、流体空间及流速的确定：
根据流体流径选择的基本原则，循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且循环冷却水的推荐流速应大于煤油的推荐流速，故选择循环冷却水为管程流体，煤油为壳程流体。

根据流体
泵泵
煤油
换热器循环冷却水
加热器在直管
内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为=1.0m/s
用 φ25×2.5mm 的碳钢管（换热管标准：GB8163)。

三、工艺流程草图及说明
说明：由于循环冷却水较易结垢，为便了水垢的清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。

如图：煤油经泵抽上来，经加热器加热后，再经管道，接管C 进入换热器壳程，冷却水经泵抽上来后从接管A 进入换热器管程。

两物质在换热器中进行换热，煤油从140℃冷却至40℃后由接管D 流出；循环冷却水则从30℃加热至50℃后，由接管B 流出。

四.列管式换热器的工艺计算
4.1确定物性参数：
定性温度：可取流体进口温度的平均温度值。

壳程油的定性温度为 T=(140+40)/2=90℃ 管程流体的定性温度为 t=(30+50)/2=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。

根据煤油在90℃下的有关物性数据如下：密度：ρ
=825kg/m3
=2.22KJ/(kg.℃)
定压比热容：Cp
o
=0.140W/(m.℃)
导热系数：λ
粘度：μ
=7.15×10-4Pa.s、
=11.34
普朗特常数：Pr
循环冷却水在40℃下的物性数据：
=992.2kg/m3
密度：ρ
i
=4.174KJ/(kg.℃)
定压比热容：Cp
i
=0.634W/(m.℃)
导热系数：λ
i
=6.56×10-4Pa.s
粘度：μ
i
=4.32
普朗特常数：Pr
i
4.2计算总传热系数
4.2.1、热流量Q4.2.2、平均传热温差4.2.3、冷却水用量4.2.4、总传热系数K 管程传热系数
i α=
壳程传热系数 假设壳程的传热系数0
α；
污垢热阻
si R
管壁的导热系数λ=45W/﹙m.℃﹚
4.3、计算传热面积
考虑15%的面积裕度，S=1.15×S '=40.8×1.15=46.9m 2
4.4、工艺结构尺寸
4.4.1、管径和管内流速
选用φ25×2.5传热管（碳钢），取管内流速。

4.4.2、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
s n =
按单程管计算，所需的传热管长度为
L =
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L=6m,换热器管程数为2，则
每程管数为：100/2=50根 管内流速：
4.4.3、平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。

但R=5的点在图上难以读出，因而相应以1/R 代替R ，PR 代替P ，查同一直线，可得
由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程
合适。

4.4.4、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=1.25d0,则
t=1.25×25=31.25≈32(mm)
横过管束中心线的管数n4.4.5、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D圆整可取D=500mm 4.4.6、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35%，则切去的圆缺高度为h=0.35×500=175mm 取折流板间距B=0.6D，则B=0.6×500=300mm 折流挡板数为折流挡板圆缺面水平装配。

4.4.7、接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u1=10m/s，则接管内径为圆整后取标准管径为20mm。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u 2=1.5m/s 则接管内径为
d
圆整后取标准管径为350mm
4.5、换热器核算
4.5.1、热量核算：
壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用克恩公式
当量直径，由正三角形排列得
壳程流通截面积
壳程流体及雷诺数为
普朗特准数
4.5.2、管程对流传热系数
管程流体流速
Pr 普朗特准数
4.5.3、传热系数K
查有关文献知
管外侧污垢热阻：
管内侧污垢热阻：
管壁热阻查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为λ=45W/(m.K)。

K =
4.5.4、传热面积S
该换热器的实际传热面积
该换热器的面积裕度为
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

4.5.5、换热器内流体的流动阻力
1.管程流动阻力
由Re=11162.3，传热管相对粗糙度
，查莫迪图得
，流速u i =0.369m/s ，ρ=992.2kg/m
3，
所以
管程流动阻力
1.4t F = 1s N = 2p N =
1P ∆
∑∆
管程流动阻力在允许的范围之内。

2.管壳流动阻力
流速u 0=0.07m/s ，ρ=825 kg/m 3，所以
壳程阻力
∑∆
F=0.5，
f =
，n c =12，N B =19
流体流过折流挡板缺口的阻力
B=0.3m ，D=0.5m
故总阻力为
综上所述，该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压强100kPa 均符合要求，故所设计的换热器符合条件。

4.5.6、壁温核算
因为管壁很薄，而且壁热阻很小。

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18℃，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
体和传热管壁温之差。

但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。

计算中，应该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:
n
c
n
m
c w
w t T t αααα1
1
++
=
==i c αα2265.6w/㎡·°C
==o h αα329.2w/㎡·°C
C t T t n
c n
m
c
w
w ︒=++=
++
=
8.342
.32916.226512.3298
.266.22659011
αααα 壳体壁温，即可近似取壳程流体的平均温度，T=90℃
壳体壁温和传热管壁温之差为，Δt=90-34.8=55.18℃＞50℃
该温差较大，需加温度补偿设置,故不能用固定管板式换热器，应选浮头换热器为宜.
五、设计结果一览表
名称
管程 壳程 物料名称 循环水 煤油 操作压力，Pa 1475.3 360.4 操作温度，℃ 30/50 140/40 流量，Kg/h
18172 6818.2 物性参数
定性温度/℃
40℃ 90℃
密度、（kg
)
825 992.2 定压比热容/[kJ/
﹙kg.K ﹚] 4.174 2.22 粘度/Pa.s
0.000656
0.000715
热导率/[W/
﹙m.K﹚]0.634 0.140 普朗特数 4.32 11.34
设备结构参数形式浮头式换热
器
台数 1
壳体内径
/mm
500 壳程数 1
管径/mm Φ25×2.5管间距/mm32 管长/mm6000 排列方式正三角形管数100 折流板数19 传热面积
/
53.13 折流板间距
/mm
300 管程数 2 材质碳钢
主要计算结果管程管壳
流速/(m.s)0.369 0.07 表面传热系
/[w/(.k﹚]
2265.6 329.2 污垢热阻/
﹙.k/w﹚
0.000344 0.000172
阻力/MPa0.0015 0.0004
热流量/kw420.6
传热温差/k55.18
传热系数/[w/
﹙.k﹚]
235.12
裕度/%11.35
六、设计评述
本次化工原理课程设计，加深了我对化工原理课本知识的理解，同时使我学会了很多实用的东西，提高了我动手的能力和灵活运用知识的能力，让我受益匪浅。

在这次化工原理课程设计中，我的理论运用于实践的能力得到了很到的提升，主要有以下的几个方面：
⑴初步掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据（已发表的文献）的能力。

⑵树立了既考虑技术上的先进性和可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作过程中的方便性，劳动条件和环保性的正确设计思想，在这种思想的指导下去分析和解决实际问题的能力。

⑶培养了迅速准确的进行工程计算的能力，首先必须根据产量和基本的物性数据计算出理论值，在根据国家标准来核算，从而选用合适的配件高效率的完成规定的生产任务。

⑷学会用简洁的文字和清晰的图表来表述自己设计思想的能力。

在画图中基本是根据基本数据来查阅资料逐一确定的，工作繁杂。

从设计结果可看出，若要保持传热系数，温度越大、换热管数越多、折流板数越多、壳径越大、这主要是因为煤油的出口温度升高，总的传热温差下降，所以换热面积增大，才能保证Q和K。

因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应的增大，通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要。

由于本课程设计属于我的初次设计，而且时间上比较仓促，可查阅的文献有限，本次设计还有很多不完善的地方。

七、附图（A3图纸的装配图）
八、参考文献
［1］戴锅生主编．《传热学第二版》．北京：高等教育出版社，2012.2
［2］夏清、贾绍义主编《化工原理.上下册》．天津：天津大学出版社，2012.1［3］杨树人、汪志明等主编《工程流体力学》．北京：石油工业出版社，2006.6［4］贾绍义、柴诚敬主编《化工单元操作课程设计》．天津：天津大学出版社，2011.9
［5］匡国柱、史启才主编．《化工单元过程及设备课程设计第二版》．北京：化学工业出版社，2007.10
［6］刘盛宾主编．《列管换热器》．北京：化学工业出版社，2000.5
［7］刘巍主编．《冷换设备工艺计算手册》．北京：中国石化出版社，2003［8］上海医药设计院．《化工工艺设计手册》．北京：化工工业出版社，1996［9］郭庆丰、潘国昌主编．《化工设备设计手册》．北京：清华大学出版社，1998
［10］孙培先主编.《画法几何与工程制图》。

北京：机械工业出版社，2010.7 ［11］周大军主编．《化工工艺制图》．北京：化工工业出版社，2003
九、主要符号说明
英文字母
B—折流板间距H—面积裕度，
C—系数，无量纲希腊字母
d __管径，m α—对流传热系数；
D—换热器外壳内径，m Δ—有限差值；
—摩擦系数；λ—导热系数，W/(m.℃); F—系数；μ—粘度，Pa.s;
h—圆缺高度，m; ρ—密度，kg/;
K—总传热系数，；—校正系数；L—管长，m;
m—管程；下标
n—指数；c—冷流体；
管数；h—热流体；
程数；i—管内；
N—管数；m—平均；
程数；o—管外；
—折流板数；s—污垢。

—努赛尔特准数；
P—压力，Pa;
因数；
—普朗特准数；
q—热通量，；
Q—传热速率，W;
r—半径，m;
R—热阻，；
因数；
Re—雷诺准数；
S—传热面积，；
t—冷流体温度，℃；
u—流速，m/s;
W—质量流量，kg/s; r—转数，r/min。