用水冷却煤油产品的浮头式换热器的设计说明书1.传热工艺计算 (2)1.1 确定设计方案 (2)1.2 定流体的平均温度及物性数据 (2)1.3 估算传热面积 (3)1.3.1热流体的热量 (4)1.3.2 计算冷介质的流量 (4)1.4 工艺结构尺寸 (5)1.4.1 换热器壳径的确定 (6)1.4.2 换热器折流板的尺寸及数量的确定[7] (6)1.4.3 接管规格 (6)1.5 换热器核算 (7)1.5.1 管程对流传热系数iα： (7)1.5.2 壳程对流传热系数0α： (8)1.5.3 总传热系数0k (9)1.5.4 计算流体阻力 (10)2.设计计算 (12)2.1 筒体的计算 (12)2.1.1 计算条件 (12)2.1.2 厚度的计算 (13)2.2 .管箱短节的计算 (13)2.2.1 计算条件 (13)2.2.2 厚度计算 (14)2.3 外头盖短节计算 (14)2.3.1 计算条件 (14)2.3.2 厚度计算 (15)2.4 管箱封头计算 (15)2.4.1 计算条件 (16)2.4.2 厚度计算 (16)2.5 外封头盖计算 (16)2.5.1 计算条件 (16)2.5.2 厚度计算 (17)2.6 管板的设计 (17)2.6.1 符号说明 (17)2.6.2 管板厚度的计算 (19)2.6.3 换热管的轴向应力 (22)2.6.4换热器与管板连接拉脱力 (23)2.7 浮头盖的设计计算 (23)2.7.1 管程压力P t作用下浮头盖的计算 (23)2.7.2壳程压力P s作用下浮头盖的计算 (28)2.8开孔补强 (31)2.9水压试验校核 (32)1.1设计条件（1）使煤油从200℃冷却到35℃，压力1.0MPa；（2）冷却剂为水，水压力为0.5MPa；（3）处理量为12t/h。

1.2流动空间及流速的测定由于循环冷却水较易结垢，为了便于水垢清洗，水走管程，煤油走壳程，换热管选φ25×2.5的碳钢无缝钢管管，管内流速取1m/s。

1.3 定流体的平均温度及物性数据对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均温度，管程、壳程介质的进出口温度如表2.1所示：表1.1 流体温度参数工艺数据煤油循环水入口温度 200℃ 25℃ 出口温度 35℃35℃则平均温度：2/)(0T T T i m +=2/)(0t t t i m +=式中： i T ，0T ——热流体的进、出口温度，℃； i t ，0t ——冷流体的进、出口温度，℃. 则：煤油的平均温度 C T m 05.117235200=+=水的平均温度 C t m 03023525=+=根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据，如表2.2所示。

表2.2 流体物性参数介质密度 Kg/m 3比热 KJ/(kg.℃)粘度 pa.s导热系数 w/m. ℃水（t=30℃） 995.74.1740.8012×310-0.6171煤油（T=117.5）。

7642.400.548×310-0.10381.3 估算传热面积 1.3.1热流体的热量)()(1221t t C W T T C m Q pc c ph h -=-==)35200(40.212000-⨯⨯ =4752000kJ/h=1320kw1.3.2 计算冷介质的流量)(12t t C QW pc c -==()2535174.44752000-⨯=113847.6kg/h =31.62kg/s式中 h W 、c W ——热流体流量和冷水的流量。

两流体的温差()()C t t t t t m0212156253535200ln 253535200ln=-----=∆∆∆-∆='∆1.3.3 总传热系数(1)管程传热系数2.248550008012.07.9951020.0=⨯⨯==i i i i e u d R μρ4.08.0023.0ri ii P du d ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=μρλα=023.0()4.08.06171.00008012.01000174.42.24855020.06171.0⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯⨯=4581()C m w 02/⋅ (2)壳程传热系数假设壳程传热系数400=o α()C m w 02/⋅管程污垢热阻 w k R si/104394.34-⨯= 壳程污垢热阻 w k R so /1072.14-⨯=管壁导热系数 4.45=λ()C m w 02/⋅ （3）总传热系数i i i i siso d d d d d d d R R K 000000ln 211λαα++++=020.0025.0ln 4.452025.0020.04581025.0020.0025.01044.31072.14001144⨯+⨯+⨯⨯+⨯+=--291=()Cm w 02/⋅（4）计算传热面积23018156291101320m t K QSm =⨯⨯=∆=考虑10%的面积裕度S = 1.1 1S = 1.1×81 = 89.1m 21.4工艺结构尺寸1.4.1管径和管内流速的测量换热管选φ25×2.5的碳钢无缝钢管管，取管内流速u i =1m/s1.4.2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1011020.0785.03600/7.995/6.113847422=⨯⨯==ud V n i s π按照单程计算所需传热管长度m d n S L s 2.11025.014.31011.890=⨯⨯==π按单管程设计过长，宜采用多管程结构，取l=6m 管程数 n p =Ll =11.26=2双程传热管数取n=2021.4.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数：P=0571.02520025351112=--=--t T t t ,5.162535352001221=--=--=t t T T R因R=16.5点难以在图中找到，可以用1R 代替R ，PR 代替P查图得97.0=∆t ϕ。

C t t mt m 03.545697.0=⨯='∆⨯=∆∆φ 采用组合排列的方式，每程内均按正三角排列，隔板间采用正方形排列，因此管心距 t=1.25×25=32mm横过管数中心的管数 n c =1.19√n =1.19√168=171.4.4 换热器壳径的确定采用多管程结构，取管板利用率7.0=η 则壳体内径 5707.02023205.105.1=⨯⨯==ηNt D按壳体直径标准系列尺寸圆整所以取i D 为600mm1.4.2 换热器折流板的尺寸及数量的确定选取折流板与壳体之间的间隙为3.5mm ，因此折流板的直径为： 折流板的直径：c D =i D -2×3.5=593mm 取折流板的间距为：B=0.3D=180 圆缺高度h=0.25D=150 折流板的档板数1-=折流板间隙传热管长B N=11806000- =321.4.3 接管规格A 管程()mm uV d s1420.27.9953600/6.11384744=⨯⨯⨯==ππmmB 壳程()mm u Vd i 1453.07643600/1200044=⨯⨯⨯=ππ C 接管规格（1）管程：8159⨯φ： （2）壳程：8159⨯φ1.5 换热器核算核算总传热系数[6]1.5.1 管程对流传热系数i α：4.08.0023.0ri ii P du d ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=μρλα管程流通面积：S i =π4d 2n s =π4×0.0202×101=0.0317m 2管程流体流速：u i =w i 3600S i ρi=113847.63600×0.0317×995.7=1.0m 22.248550008012.07.9950.1020.0=⨯⨯==i i i i e u d R μρ4.08.0023.0rii iP du d ⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯=μρλα=023.0()4.08.06171.00008012.01000174.42.24855020.06171.0⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯⨯=4581()C m w 02/⋅1.5.2 壳程对流传热系数0α：14.03/15.0000)()()(36.0we e cpu u d d μμλμρλα⨯=取换热器列管的中心距t =mm 32 壳程流通截面积为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=t d BD A 01 = ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⨯⨯032.0025.016.018.0 = 023625.02m 壳程流体流速及其雷诺数： Au ν==7643600023625.012000⨯⨯=s m /185.0 当量直径：m d d t d e 020.0025.014.3)025.04032.023(4)423(4220202=⨯-⨯=-=πππ 雷诺数：00μρu d R e e ==000548.0764185.0020.0⨯⨯=5158λμp r C P =1038.01048.51040.233-⨯⨯⨯==12.67粘度校正，壳程煤油被冷却，取14.03/15.0000)()()(36.0we e cpu u d d μμλμρλα⨯= =()()167.125158020.01038.036.03/155.0⨯⨯⨯=479()C m w 02/⋅1.5.3 总传热系数0k管壁热阻可忽略管内，外侧污垢热阻分别为：wk R w k R so si /1072.1/1044.344--⨯=⨯=总传热系数k 0为：ii i i siso d d d d d d d R R K 000000ln 211λαα++++=2025ln 24.45025.0020.04581025.0020.0025.01044.31072.14791144⨯+⨯+⨯⨯+⨯+=--=330ω/m 2 k=267.4 计算传热面积23014.7156330101320m t K QS m =⨯⨯=∆= 0.141w μμ⎛⎫= ⎪⎝⎭实际传热面积201.956025.0202m L d N S t =⨯⨯⨯==ππ 该换热器的面积裕度为： H=S−S 1S 1×100%=95.2−71.471.4×100%=33%传热面积裕度足够，能够完成生产任务。

1.5.4 计算流体阻力核算管程和壳程的压强降 A 管程压力降公式：∑∆i p =S p t i N N F u d l 22水ρςλ⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+式中 ： 0F =1.5 ， p N = 2, i d (内径)=mm 22 S N =1 ς=3μρ水i i e u d R ==310812.07.9950.102.0-⨯⨯⨯=4102.24855>所以为湍流。