化工原理的课程设计与列管式换热器的设计方案

安阳工学院

课程设计说明书

课程名称：化工原理课程设计

设计题目：列管式热水冷却器

院系：化学与环境工程学院

学生姓名：张豪

学号：201005020014

专业班级：应用化学1班

指导教师：路有昌

2012/11/14

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列管式换热器设计任务书

设计一台列管式换热器

一、设计任务及操作条件

(1)处理能力 2.5×105 t/a热水

(2)设备型式列管式换热器

(3)操作条件

①热水:入口温度80℃,出口温度60℃.

②冷却介质:循环水,入口温度32℃,出口温度40℃.

③允许压降:不大于105Pa.

④每年按300天计算,每天24小时连续运行.

二、设计要求及内容

(1)根据换热任务和有关要求确认设计方案;

(2)初步确认换热器的结构和尺寸;

(3)核算换热器的传热面积和流体阻力;

(4)确认换热器的工艺结构.

摘要：通过对列管式换热器的设计，首先要确定设计的方案，选择合适的计算步骤。查得计算中用到的各种数据，对该换热器的传热系数传热面积工艺结构尺寸等等要进行核算，与要设计的目标进行对照是否能满足要求，最终确定换热器的结构尺寸为设计图纸做好准备和参考，来完成本次课程设计。

关键词：标准方案核算结构尺寸

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目录

一.概述 (5)

二.方案的设计与拟定 (5)

三.设计计算 (8)

3.1 确定设计方案 (9)

3.1.1选择换热器的类型 (9)

3.1.2流动空间及管子的确定 (9)

3.2确定物性数据 (9)

3.3初选换热器规格 (10)

3.3.1热流量 (10)

3.3.2冷却水用量 (10)

3.3.3平均温度差 (10)

3.3.4换热器规格 (11)

3.4核算总传热系数 (11)

3.4.1计算管程传热系数 (11)

3.4.2 计算壳程传热系数 (12)

3.4.3 确定污垢热阻 (13)

3.3.4 总传热系数 (13)

3.5计算压强降 (14)

3.5.1计算管程压强降 (14)

3.5.2计算壳程压强降 (14)

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3.6换热器的主要结构尺寸和计算结果 (16)

四．设计小结 (17)

五．参考文献 (19)

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一.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。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。

二.方案设计和拟订

根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器中的固定管板式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。在这里，冷水走管程，热水走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密度，比热容，导热系数，黏度。计算出总传热系数，再计算出传热面积。根据管径管内流速，确定传热管数，标准传热管长为3m，算出传热管程，传热管总根数等等。再来就校正传热温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。分别对换热器的热量，管程对

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流系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度。最后，对传热流体的流动阻力进行计算，如果在设计范围内就能完成任务。

根据固定管板式的特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。U形管式特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。浮头式特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。我们设计的换热器的流体是冷热水，不易结垢，再根据造价低，经济的原则我们选用固定管板式换热器。

根据以下原则：(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。我们选择冷水走管程，热水走壳程。

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

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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。

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φ19×2mm两种规格的管子。在这里，选择φ25×2.0mm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。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)。在这次设计中，管长选择3m。

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

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列排列的)可以适当地提高。在这里选择三角形排列。

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。

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。根据计算，管程单程，壳程为单程。

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。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，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。这次设计选用圆缺形挡板。

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。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。

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主要构件的选用：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）接管尺寸换热器中流体进、出口的接管直径由计算得出。

最后材料选用：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。这里选用的材料为碳钢。

三.设计计算

3.1确定设计方案

3.1.1 选择换热器的类型

两流体温度变化情况：热流体进口温度80℃，出口温度60℃；

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10 冷流体（循环水）进口温度32℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，热流体为热水，为不易结垢和清洁的流体。冬季操作时进口温度会降低，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较小，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。

3.1.2 流动空间及管子的选用

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，热水走壳程。选用25×2.0的不锈钢管

3.2确定物性数据

定性温度：可取流体进口温度的平均值。

壳程热水的定性温度为 T=260

80+=70（℃）

管程流体的定性温度为 t=240

32+=36 (℃)

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 水在70℃下的有关物性数据如下：

密度 30/8.977m kg =ρ

定压比热容℃

kg kJ c p ?=/(178.40） 导热系数 0λ=0.6676W/(c m ??)

黏度 s Pa ??=-501061.40μ

循环冷却水在36℃下的物性数据：

11 密度 3/994m kg i =ρ

定压比热容℃kg kJ c pi ?=/(174.4）

导热系数 ）℃m W i ?=/(626.0λ

黏度 s Pa i ??=-5108.72μ

3.3初选换热器规格

3.3.1按管外热水计算热负荷Q

0w =24300102.58

??=3.472×104

(kg/h)

=-??==)6080(178.4347200000t c w Q p 8.06×105w

3.3.2 冷却水用量

s /11.24)3240(10174.4806000

3

kg t c Q w i pi o i =-??=?=

3.3.3 平均传热温差

℃t t t t t m 64.3332

6040

80ln )3260()4080(ln 21

2

1'=-----=???-?=?

5.2-t 1221=-=t T T R 167.0-1

11

2=-=t T t t P 由R 和P 查表得0.95>0.8故壳程应选单程 则6.33'=?=??t m m t t ?×0.95=32℃

12 3.3.4 初选K=c m w ?2900初选换热器规格如下 壳径D 450㎜ 公称面积S 28.7㎡ 管程数p N 2

管数n 126 管长L 3m 管子直径 mm 0.225?φ（不锈钢） 管子排列方法 正三角形法

换热器实际面积

o O d n S π=×（L-0.1）=126×3.14×0.025×2.9=28.7㎡

换热器要求的总传热系数 m

O O t S Q K ?==878w/（㎡·c ） 3.4 核算总传热系数

3.4.1 计算管程对流传热系数i α 因为s kg W 11.24i =

h m W V i i i /2.8799436001.

243=?==ρ

0218.0021.0785.0212642n 22=??=??=i i d A π

㎡

13 86

.4626.0728

.0174.4102.310728.0994

11.1021.011.10218.036002

.

8743-=?==?=???===?==i

i pi ri i

i i i ei I i i C P u d R s

m A V u λμμρ（湍流）

当液体被加热时 n=0.4 则

()c

m w P R d ri ei i i i ?=???==24.

08.044.08.0581686.4102.3021.0626.0023.0023.0λα 3.4.2 计算壳程对流传热系数o α

换热器中心附近管排中流体流通截面积为 01968.0032.0025.0-145.02.0-1=??

?

???=??? ??=t d hD A o

O ㎡ 式中 h ——折流挡板间距取200㎜ t ——管中心距，对mm 0.225?φ的管子，t=32㎜ 因为s kg W o 645.9= 所以

s

m A V

u s

m W V O o o o

o 5.001968.000987.000987.08.977645

.93======ρ

由正三角形排列,得

14 ()()C

m d R Cp u d m

d d t d o o

e o o o o o o o o o e o o o e ?=???==??=?==?=???=

==??

?

??

????=???? ??=23

1

0.5543155

.0o o 6

34

3-22

22w 39820.95

2.54102.430.02020.6676

0.36Pr Re 36.0101102e 54

.26676

.04061

.0178.4Pr 1043.2104061.08

.9775.00202.0Re 0202.0025

.014.3025

.0785.0-032.02344-234μ?λααλμμρππ却，故可用下式计算

范围内，且因液体被冷—在因为 3.4.3 确定污垢热阻

w c m Rs Rs o i ??==24-1072.1

3.4.4 总传热系数

不锈钢的导热系数()c m w w ?=5.16λ所以 ()

c m

d d d d Rs d bd Rs K i

i o

i o i m w o o O O ?=?+??+??+?+=+++

+=24

-4

-w 103920

581625

2025

101.722045250.0025101.72398211

11αλα 则该换热器的安全系数为

%4.18%100878878

-1039=?

该换热器符合要求

15 3.5 计算压强降

3.5.1 管程压强降

()p s t i N N F P P P 21?+?=∑?

1=s N ,1=p N 221u d l P i

ρλ=? ,222u P ρζ=? 由()c m w i ??=24102.3Re ，传热管相对粗糙度001.02002.0=，查图——

摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得℃m W i

?=/037.0λ，流速s m u i /1.1=，3/994m kg =ρ，

所以 Pa P 317929941.1021.03037

.021=???=? Pa u P 180421.16.99332222

=??==?ρζ ()()Pa Pa N N F P P P p

s t i 542110104.1124.118043179

3.5.2 壳程压强降

()s t o N F P P P ''21?+?=∑?

1=s N ,15.1=t F

流体流经管束的阻力

()212'1o B c o u N n Ff P ρ+=?

16 5.0=F

228.00Re 5-?=o f

=c n 1.1n 5.0=12 1412.031=-=-=h L N B

()()2o 03.0025.01245.02.0m d n D h A o c =?-=-= 500

109.1Re 329.

003.000987

.04

≥?=====o

o o o o O O o u d s m A V u μρ Pa P 25192329.08.977114125289.05.02

'1=??+???=?）（ 流体流过折流板缺口的阻力 225.

32

'

2o B u D B N P ρ??? ??-=?

m B 1.0=，m D 45.0= Pa

P 19262329.08.97745.02.025.3142

'

2=??

??? ???-?=?

总阻力 ()Pa Pa o P 5105112115.119262519<=??+=∑? 壳程压强降也比较适宜。

3.6 换热器主要结构尺寸和计算结果

换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。

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四.设计小结

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

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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。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；⑤若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。

固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较在相同直径下面积较大，制造较简单，最后一道壳体与管板的焊缝无法检测。它的优点是：（1）传热面积比浮头式换热器大20%～30%；（2）旁路漏流较小；（3）锻件使用较少，成本低20%以上；（4）没有内漏。它的缺点；（1）壳体和管子壁温差t<50℃,当t>50℃时必须在壳体上设置膨胀节；（2）管板与管头之间易产生温差应力而损坏；（3）壳程无法机械清洗；（4）管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，相对较低；（5）壳程不适用于易结垢场合。

通过此次设计，了解了很多关于换热器的知识，如换热器的选型，

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换热器结构和尺寸的确定，以及计算换热器的传热面积和流体阻力等等。最最重要的是我深刻认知做设计计算时要非常认真，因为一不留神就会出错，如果前面错了没发现，后面就全错,这是设计中的禁忌。还有，虽然换热器的设计比精馏塔的简单很多，但是还是要付出努力才可以的。同时，也要感谢老师及同学的互相帮助。

五.参考文献

［1］柴诚敬,张国亮等．化工流体流动与传热[M]．北京：化学工业出版社

［2］余国琮等．化工容器及设备[M]．北京：化学工业出版社，1980 ［3］匡国柱，史启才．化工单元过程及设备课程设计[M]．北京：化学工业出版社，2002

［4］化工设备技术全书编委会．换热器设计[M]．上海：上海科学技术出版社，1988

［5］徐中全译，尾花英郎著．热交换器设计手册[M]．北京：石油工业出版社，1982

［6］卓震主．化工容器及设备[M]．北京：中国石化出版社，1998 ［7］潘继红等．管壳式换热器的分析与计算[M]．北京：科学出版社，1996

［8］朱聘冠．换热原理及计算[M]．北京：清华大学出版社，1987 ［9］大连理工大学．化工原理（上册）[M]．大连：大连理工大学出版社，1993

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［10］兰州石油机械研究所．换热器（上册[M]）．北京：中国石化出版社，1992

［11］时均等．化学工程手册（第二版，上卷）[M]．北京：化学工业出版社，1996

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l00q.html