课程设计任务书一、摘要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。

换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。

在换热器中，至少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，且它们是上述这些行业的通用设备，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，对换热器的要求也日益增强。

换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。

根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。

由于使用条件的不同，换热器可以有各种各样的形式和结构。

在生产中，换热器有时是一个单独的设备，有时则是某一工艺设备的组成部分。

衡量一台换热器好的标准是传热效率高、流体阻力小、强度足够、结构合理、安全可靠、节省材料、成本低，制造、安装、检修方便、节省材料和空间、节省动力。

二、关键字煤油，换热器，列管式换热器，固定管板式目录一、概述 (1)二、工艺流程草图及设计标准 (1)2.1工艺流程草图 (1)2.2设计标准 (2)三、换热器设计计算 (2)3.1确定设计方案 (2)3.1.1选择换热器的类型 (2)3.1.2流体溜径流速的选择 (2)3.2确定物性的参数 (3)3.3估算传热面积 (3)3.3.1热流量 (3)3.3.2平均传热温差 (3)3.3.3传热面积 (3)3.3.4冷却水用量 (4)3.4工艺结构尺寸 (4)3.4.1管径和管内流速 (4)3.4.2管程数和传热管数 (4)3.4.3平均传热温差校正及壳程数 (4)3.4.4传热管排列和分程方法 (5)3.4.5壳体内径 (5)3.4.6折流板 (5)3.4.7接管 (5)3.5换热器核算 (6)3.5.1热流量核算 (6)3.5.1.1壳程表面传热系数 (6)3.5.1.2管内表面传热系数 (7)3.5.1.3污垢热阻和管壁热阻 (7)3.5.1.4计算传热系数K C (7)3.5.1.5换热器的面积裕度 (8)3.5.2换热器内流体的流动阻力 (8)3.5.2.1管程流体阻力 (8)3.5.2.2壳程阻力 (8)四、设计结果设计一览表 (10)五、设计自我评价 (11)六、参考资料 (12)七、主要符号说明 (13)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。

列管式换热器有以下几种：1、固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。

当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

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。

2、U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。

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。

3、浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。

管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。

二、工艺流程草图及设计标准2.1工艺流程草图由于循环冷却水易结垢，为便于水垢的清洗，选择循环水做管程流体，煤油做壳程流体。

管程与壳程流体的进出方向为上图所示，并选择逆流传热。

图中水由泵1经过管程沿所示方向流动，煤油由泵1经过壳程沿所示方向流动。

冷却循环水与煤油在设计的换热器中进行热交换，煤油由初温140℃降温至，40℃冷却循环水由初温升30℃温至40℃。

2.2设计标准（1）JB1145-73《列管式固定管板热交换器》（2）JB1146-73《立式热虹吸式重沸器》（3）中华人民共和国国家标准.GB151-89《钢制管壳式换热器》.国家技术监督局发布，1989（4）《钢制石油化工压力容器设计规定》（5）JBT4715-1992《固定管板式换热器型式与基本参数》（6）HGT20701.8-2000《容器、换热器专业设备简图设计规定》（7）HG20519-92《全套化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》（8）中华人民共和国国家标准 JB4732-95 《钢制压力容器—分析设计标准》（9）中华人民共和国国家标准 JB4710-92 《钢制塔式容器》（10）中华人民共和国国家标准 GB16749-1997 《压力容器波形膨胀节》三、换热器设计计算3.1确定设计方案3.1.1选择换热器的类型本次设计为煤油冷却器的工艺设计，工艺要求煤油（热流体）的入口温度140℃，出口温度40℃。

采用循环冷却水作为冷却剂降低热的没有温度，冷却水的入口温度30℃，根据经验结合选厂地址的水资源现状况，选定冷却水的出口温度40℃。

根据间壁式换热器的分类与特性表，结合上述工艺要求，最大使用温差小于120℃,选用固定管板式换热器，又因为管壳两流体温差大于60℃，故因选用带膨胀节的固定管板式换热器。

3.1.2流体流径流速的选择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。

根据流体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为ui=1.0m/s,管子选用25 2.5mm φ⨯的较好级冷拔换热管（换热管标准：GB8163）。

3.2确定物性参数定性温度：可取流体进口温度的平均值。

管程流体的定性温度为：90240140=+=T （℃） 煤油90℃下的物性数据：3524030=+=T(℃) 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

3.3、估算传热面积 3.3.1热流量m 0=2750024300108.194=⨯⨯（kg/h ） Q o =m 0c p 0Δt 0=27500×2.22×(140-40)=6.15×106kJ/h=1695.8 kW3.3.2平均传热温差39304040140ln )3040()40140(21ln 21'=-----=∆∆∆-∆=∆t t t t m t (℃) 3.3.3传热面积假设壳程传热系数：α0=400 W （m 2•℃），管壁导热系数λ=45 W （m 2•℃）则K=298.7W/(m 2·K),则估算面积为：S ’=Q 0/(K ×Δt m )=1.696×106/(298.7×39)=145.86(m 2) 考虑15%的面积裕度则：S=1.15×145.86=167.74(m 2)3.3.4冷却水用量4.149632)3040(31008.4610105.60=-⨯⨯⨯=∆=iticp Qi w （kg/h ）3.4、工艺结构尺寸 3.4.1管径和管内流速选用ф25×2.5较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速u i = 1.5m/s3.4.2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5.1202.0785.09943600/4.14963224⨯⨯⨯==iui d qV snπ=88.78≈89（根）按单程管计算，所需的传热管长度为：89025.014.378.1670⨯⨯==s n d S L π=24（m ） 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长为l=6m ，则该换热器的管程数为：N P =L/l=24/6=4传热管总根数： N T =89×4=356（根）3.4.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数： R=(140-40)/(40-30)=10; P=(40-30)/(140-30)=0.091按单壳程，4管程结构，温差校正系数应查有关图表可得φΔt=0.82平均传热温差Δt m =φΔtΔt m =0.82×39=32（℃）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，故取単壳程合适。

3.4.4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（根）2335619.119.1===N n c3.4.5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=7.03563205.105.1⨯=ηN t =757.7 (mm) 按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=800mm 。

3.4.6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25％，则切去的圆缺高度为 h ＝0.25×800=200（mm ） 折流板间距B=0.3D,则B=0.3×800=240mm 取250mm 。

折流板数 N B =折流板间距传热管长-1=2506000-1=23 (块)3.4.7接管壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u ＝1.0m/s ，则接管内径为：D 1=10.10.114.3)8253600(27500441=⨯⨯⨯=u Vπ（m ），取管内径为110mm 。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u ＝1.5 m/s ，则接管内径为1935.114.3)9943600(4.14963242=⨯⨯⨯=Dmm圆整可取2D =200mm 。

3.5换热器核算 3.5.1热流量核算 3.5.1.1壳程表面传热系数可采用克恩公式：14.003155.000Pr Re 36.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=w e d μμλα当量直径，由正三角排列得：de=020.0025.014.3)2025.0785.02032.0(40)204223(4=⨯⨯-⨯=-d d t ππ（m ）壳程流通截面积：)032.0025.01(25.08.0)1(00-⨯⨯=-=t d BD S =0.044（m 2） 壳程流体流速及其雷诺数分别为：u 0=21.0044.0)8253600(27500=⨯（m/s ）Re 0=000715.082521.002.0⨯⨯=4846普朗特准数Pr=34.11140.010*******.263=⨯⨯⨯-； 粘度校正 114.0≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛wηηɑ0=3134.1155.0484602.0140.036.0⨯⨯⨯=1013.57 W/(m 2·K)3.5.1.2管内表面传热系数ɑi 4.08.0Re 023.0Rr d iλ= 管程流体流通截面积：S i =0.785×0.022×356/4=0.028（m 2） 管程流体流速及其雷诺数分别为： u i =0279.0)9943600/(4.149632⨯=1.499（m/s ）Re i =000725.0994499.102.0⨯⨯=40939.1普朗特准数Pr=73.4626.010*******.463=⨯⨯⨯-ɑi =0.023×4.08.073.440939.102.0626.0⨯⨯=6560.4 W/ (m 2·K) 3.5.1.3污垢热阻和管壁热阻查有关文献知可取：管外侧污垢热阻 R0=0.000172 m 2·K/W 管内侧污垢热阻 Ri=0.000344m 2·K/W管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为λ=45 W/(m ·K)。