管壳式换热器工艺设计说明书1.设计方案简介1.1工艺流程概述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，甲苯走壳程。

如图1，苯经泵抽上来，经管道从接管A进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管C进入换热器管程。

两物质在换热器中进行交换，苯从80℃被冷却至55℃之后，由接管B流出；循环冷却水则从30℃升至50℃，由接管D流出。

图1 工艺流程草图1.2选择列管式换热器的类型列管式换热器，又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最广泛的传热设备。

其主要优点是：单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好；此外，结构简单，制造的材料围广，操作弹性也较大等。

因此在高温、高压和大型装置上多采用列壳式换热器。

如下图所示。

1.2.1列管式换热器的分类根据列管式换热器结构特点的不同，主要分为以下几种：⑴固定管板式换热器固定管板式换热器，结构比较简单，造价较低。

两管板由管子互相支承，因而在各种列管式换热器中，其管板最薄。

其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力存在，当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。

固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。

固定板式换热器⑵浮头式换热器浮头式换热器，一端管板式固定的，另一端管板可在壳体移动，因而管、壳间不产生温差应力。

管束可以抽出，便于清洗。

但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生漏时不便检查；管束与壳体间隙较大，影响传热。

浮头式换热器适用于管、壳温差较大及介质易结垢的场合。

⑶填料函式换热器填料函式换热器，管束一端可以自由膨胀，造价也比浮头式换热器低，检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现。

但壳程介质有外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。

⑷U形管式换热器U形管式换热器，只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。

其缺点是管不便清洗，管板上布管少，结垢不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果，层管子损坏后不易更换。

U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管介质清洁，不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。

1.2.2类型的确定所设计的换热器用于冷却苯，苯：入口温度80℃，出口温度55℃；水：入口温度30℃，出口温度43℃；该换热器的管壁温和壳体壁温之差满足Tm-tm=75-40=35℃﹤50℃，两流体温度差不大。

加上固定管板式换热器结构简单、造价低廉，所以本设计选用固定管板式换热器，且不需考虑热补偿。

1.3流动路径的选择本设计为两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，且易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，苯走壳程。

2.课程设计基本思路和步骤1.1课程设计准备工作1. 查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；3. 迅速准确的进行工程计算的能力；4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。

1.2课程设计书组成部分完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。

说明书是设计的书面总结，也是后续设计工作的主要依据，应包括以下主要容：1.封面；2.目录；3.设计任务书；4.设计方案简介；5.设计条件及主要物性参数表；6.工艺设计计算；7.辅助设备的计算及选型；8.设计结果汇总表；9.设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论；10.工艺流程图及设备工艺条件图；11.参考资料。

1.3课程设计的步骤1. 动员和布置任务；2. 阅读指导书和查阅资料3. 设计计算,绘图和编写说明书；整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。

论述应该条理清晰，观点明确；计算要求方确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处；图表应能简要表达计算的结果。

3.课程方程设计任务将纯苯液体从80℃冷却到55℃，其流量为20000kg/h 。

冷却介质采用35℃的循环水。

要求换热器的管程和壳程压降不大于10kpa ，试设计能完成上述任务的列管式换热器。

4.确定物性设计苯的定性温度： T=80+552 =67.5°C水的定性温度： t=35+432=39°C5.估算传热面积5.1传热平均温度差（先按逆流计算）Δt m =()6.2735554380ln 3555()4380ln2121=-----=∆∆∆-∆t t t t ℃5.2计算热负荷（忽略热损失）Q=q m1c p1(T 1-T 2)=200003600⨯ 1.841⨯103 ⨯(80-55)=2.56⨯1055.3冷却水的用量（忽略热损失）q m2=Q C P2(t 2-t 1) = 2.56X1054.174X103X(43-35)5.4初算传热面积参照传热系数K 的大致围，取K=450W/（m 2.℃） 则估算传热面积为：A 估=Q KΔt m = 2.56X105450X27.6=20.61m 2由于考虑安全系数和数值的近似性，常取实际传热面积是计算值的1.15—1.25倍。

本试验取实际面积为估算面积的1.15倍，则实际面积为： A 实=1.15X20.61=23.70m 26.工艺结构尺寸 6.1选管子规格选用Φ25mmx2.5mm 低合金钢无缝钢管，管长l=3m 。

6.2总管数和管程数总管数：错误!未指定书签。

根实1013025.014.370.23=⨯⨯==ld A n o π单程流速：u=s m n d q i v /244.010102.0785.06.99267.7422=⨯⨯=π单程流速较低，为提高传热效果，考虑采用多管程。

按管程流速的推荐围，选管程流速为u`=0.5m/s ，所以管程数为m=u ’u =243.05.0 2 取双管程6.3确定管子在管板上的排列方式因管程为双程，故采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

管子于管板采用焊接结构。

故管心距取 a=1.25d 0=1.25×25=31.25≈32mm 隔板两侧相邻管心距 a c =44mm6.4壳体径的确定多管程结构壳体径按下式估算 D=1.05aηn 式中η为管板利用率，取值围如下正三角形排列 2管程 η=0.7~0.85 取管板利用率η=0.8，则壳体径为D=1.05aηn=1.058.010132⨯=378mm 按壳体标准圆整取 D=400mm 换热器长径比D l =4.03=7.5，在推荐围6~10，壳卧式放置。

6.5绘管板布置图确定实际管子数目实际排管数目为102根，扣除4根拉杆，则实际换热管数为98根。

取管板厚度为40mm ，设管子与管板焊接时伸出管板长度为3mm ，所以换热器的实际传热面积为A=n πd 0（1—2×0.04-2×0.003）=98×3.14×0.025×(3—2×0.04—2×0.003)=22.4m 2管程实际流速 u i=s m di m n q v /502.002.0414.32986.99267.7422=⨯⨯=⨯π 管板布置图：6.6折流挡板采用弓形折流挡板，取弓形折流挡板圆缺高度为壳体径的25%，则切去圆缺高度为：h=0.25×400=100mm因壳程为单相清洁流体，所以折流板缺口水平上下布置。

缺口向上的折流板底部开一90℃小缺口，以便停车时排干净器残液。

取折流板间距 B=150mm （0.2D<B<D ）。

折流板数 N B =换热管长/折流板间距－1=3000/150-1=19（块）6.7其他附件根据上表选择拉杆直径为16mm ，拉杆数量为4根，拉杆布置如附图所示。

6.8管程6.8.1管程流体进出口接管。

取管流速 u=1.8m/s 则接管径 d 1=m uq v0740.08.114.36.99267.744=⨯⨯=π 按管子标准圆整，取管程流体进出口接管规格为Φ83mmx3.5mm 无缝钢管。

6.8.2壳程流体进出口接管 取管流速 u=1.8m/s则接管径0689.08.114.36.828360020000442=⨯⨯⨯==uq d vπm按管子标准圆整，取壳程流体进出口接管规格为Φ76mmx3mm 无缝钢管。

7.换热器校核 7.1 换热器校核7.1.1传热温度差的校正 计算P 和R P=178.0358035431112=--=--t T t t R=125.3354355801221=--=--t t T T 根据P,R 值，查温差校正系数图，=0.96，因>0.8,所以选用单壳程可行。

△t m =ψt ∆5.266.2796.0=⨯=∆逆m t ℃7.1.2总传热系数K 的计算 ①管传热系数Re=du ρ/μ=(0.02×0.502×992.6) / (0.67×10-3）=14874 Pr=c p μ/λ=(4.174×103×0.67×10-3) / 0.632=4.42 按式子计算a=0.023λ/d i Re 0.8Pr n 流体被加热，则n=0.4a i =0.023λ/d i Re 0.8Pr 0.4=0.023×0.632/0.02×148740.8×4.420.4=2868W/(m 2.℃) ②管外传热膜系数 按式子计算Re=2×103~1×106时a 0=0.36λ/d e Re 0.55Pr 1/3(μ/μw )0.14管子按正三角形排列，则传热当量直径为d e=m d d t o o 02.0025.014.3)025.0414.3032.023(442342222=⨯⨯-⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⨯ππ壳程流通截面积：S=BD(1－d 0/t)=0.1520131.0032.0025.0104.0m =⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯ 壳程流体流速：u=q v /S=512.00131.06.828360020000=⨯Re=d e u ρ/μ=2410510352.06.828512.002.03=⨯⨯⨯-Pr=c p μ/λ=02.5129.010352.010841.133=⨯⨯⨯- 壳程中苯被冷却，取(μ/μw )0.14=0.95，则a 0=0.96695.002.52410502.0129.036.03155.0=⨯⨯⨯⨯W/(m.℃) ③污垢热阻和管壁热阻从表中查得，管、外侧热阻分别取：R 4100.2-⨯=i m 2. ℃/W ，4107197.1-⨯=O R m 2. ℃/W ，已知管壁厚度m 0025.0=δ， 取碳钢导热系数4.45=λW/（m. ℃） ④总传热系数K K==++++oo m o i o i i o a R d d d d Ri d a d 11λδ7.5110.9661000172.05.224.45250025.020250002.020*******=++⨯⨯+⨯+⨯W/(m 2. ℃)7.1.3传热面积校核所需传热面积 A`=Q/（K △t m ）=259.185.267.5111056.2m =⨯⨯前面已经算出换热器额实际传热面积A=22.4m 2，则 A /A`=19.19.184.22= 7.2壁温的计算换热器壁温可由下式估算 t w=(a 1T m ＋a 2t m ) / (a 1+a 2)已知a 1=9660=a W/（m 2. ℃）a 2=i a =2868 W/（m 2. ℃）T m =0.41T +0.6T 2=0.465556.080=⨯+⨯℃ t m =0.42.38356.0434.06.012=⨯+⨯=+t t ℃ 换热器平均壁温为： t w =0.4528689662.38286865966=+⨯+⨯℃壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即T w = 65 ℃ 。