U型管换热器课程设计说明书设计题目 U型管换热器设计专业班级建环1001学生姓名xxxxx学号xxxxxx指导教师xxxxx日期2013.5.4一、化工原理课程设计任务书（换热器的设计）（一）设计题目：煤油冷却器的设计（二）设计任务及操作条件：1.处理能力：15万吨/年煤油2.设备型式：列管式换热器3.操作条件：（1）煤油入口温度125℃，出口温度40℃；（2）冷却介质循环水，入口温度25℃，出口温度45℃；（3）允许压强降不大于105Pa;（4）煤油定性温度下的物性数据：密度为825kg/m3；粘度为：7.15×10-4Pa.S;比热容为：2.22kJ/（kg. ℃）；导热系数为：0.14W/（m. ℃）（5）每年按330天计，每天24小时连续运行。

（三）设计项目1传热计算2管、壳程数的确定及管、壳程流体阻力计算3管板厚度计算4 U形膨胀节计算（浮头式换热器除外）5管壳式换热器零部件结构（四）绘制换热器装配图（A2图纸）二、换热器的选用换热器的选用(即选型) 的过程大体如下, 具体计算可参看列管式换热器设计中有关内容。

①根据设计任务要求计算换热器的热负荷Q。

②按所选定的流动方式, 计算出平均温度差( 推动力)Δtm 及查出温差校正系数ψ。

若ψ< 0 . 8 , 应考虑采用多壳程结构的换热器或用多台换热器串联。

③依所处理流体介质的性质, 凭经验初选一总传热系数K0 (, 并由总传估)热速率方程计算传热面积S'0 :S'0 =Q/K0 估Δtm———凭经验选取的总传热系数,W /(m2·K) ; 式中Q———热负荷,W; K0 (估)Δtm ———平均温度差, ℃。

④根根据计算出的S’0 值, 查有关换热器系列标准, 确定型号规格并列出各结构主要基本参数。

⑤利用总传热系数关联式计算K0 ( 计) , 再由总传热速率方程式求出S0 ( 计) 。

考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素, 应使得所选用换热器具有的传热面积S0留有的裕度10%～25% , 即[ ( S0 - S0 ( 计) ) /S0 ( 计) ] = ( 10% ～25% )。

否则需重新估计一个K0 ( 估) , 重复以上计算。

也可依所选用换热器具有的传热面积S0 , 通过总传热速率方程式求出K0 ( 选) , 然后比较K0 ( 选) /K0 ( 计) 之值是否在1 . 15～1 . 25 范围。

⑥计算出管、壳程压力降, 验算是否满足要求。

三、工艺计算及主要设备设计1、确定设计方案 1.1选择换热器的类型：两流体温度变化情况：煤油进口温度为125℃，出口温度40℃，冷流体进口温度25℃，出口温度45℃；设煤油压力为0.3MP a ，冷却水压力为0.4MP a 。

该换热器用循环冷却水冷却，固定管板式换热器具有结构简单和造价低廉等优点, 但它仅适用于壳程流体压强小于0 . 6MPa, 管、壳程壁温温度差小于70℃ , 且管间只能通过清洁流体的场合，因此初步确定选用固定管板式换热器。

1.2流程安排: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，煤油走壳程。

选用ф25×2.5的碳钢管（换热管标准：GB8163）。

2、确定物性数据：2.1定性温度：可取流体进口温度的平均值。

煤油的定性温度为：5.82240125=+=T （℃） 冷却水的定性温度为：3524525=+=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、估算传热面积3.1计算热负荷和冷却水用量 W h =4.189392433010001000015=⨯⨯⨯（kg/h ）Q =W h C p h Δt 0=18939.4×2.22×(125-40)=3.57x106kJ/h=992.7(kW)忽略换热器的热损失，冷却水用量)h /(4.42676)2545(10187.41036007.992c C Wc 33kg t p Q i =-⨯⨯⨯⨯=∆= 3.2计算两流体的平均温度差先按理想逆流传热温度差进行计算，即 83.38254045125ln )2540()45125(ln '2121=-----=∆∆∆-∆=∆t t t t t m (℃)3.3温度校正平均传热温差校正系数：R=(125-40)/(45-25)=4.25; P=(45-25)/(125-25)=0.2由R和P值，按单壳程查温度差校正系数图，得温度校正系数φ=0.81>0.8，可行。

所以修正后的传热温度差为Δtm=φΔtm’=0.81x38.83=31.45(℃) 3.4初步选型3.4.1传热面积假设K=300W/(m2·K),则估算面积为：A=Q/(K×Δt m)=992.7×103/(300×31.45)=105.2(m2)3.4.2管径和管内流速换热管选用碳钢管ф25×2.5mm，取管内流速u= 1.0m/s3.4.3管程数和传热管数换热管选用普通无缝钢管ф25×2.5mm ，管内径d=0.025-2x0.0025=0.02m ，于是单程管根数n'为 36000.102.0785.0994/4.426764'22⨯⨯⨯==ii u d Vn π=37.98 取n'=38根按单程管计算，所需的传热管长度为： 38025.014.33.1030⨯⨯==n d A L π=35.2m 3.4.4初选换热器类型与型号由于Tm-tm=（125+40）/2-(45+25)/2= 47.5(℃)<50(℃),两流体间的温差不大，不需要温度补偿；但是为了便于壳程污垢清洗，以采用固定管板式列管换热器为宜，且初步选定的具体型号为G600VI-1.0-100 G600VI-1.0-100的具体参数3.4.5传热管排列和分程方法按单管程设计，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=35.2/6=6；传热管总根数： N T =38×6=228（根）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=1.25d 0，则t=1.25×25=31.25≈32(mm )横过管束中心线的管数 N c =1.1N =1.1228=17根 3.4.6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 7.02283205.105.1⨯=ηTN t=606.4mm 圆整可取D=600mm 。

3.4.7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 ＝0.25×600=150（mm ）。

折流板间距B=0.4D,则B=0.4×600=240mm 。

折流板数 N B =传热管长/折流板间距-1=6000/240-1=24(块) 折流板圆缺面水平装配 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=090.00.114.3)8253600(4.18939441=⨯⨯⨯=u Vπ（m ），圆整后可取管内径为90mm 。

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101.05.114.3)9943600(4.4267642=⨯⨯⨯=D (m)=100mm 。

4.换热器的核算 4.1热流量核算4.1.1壳程表面传热系数； 用克恩法计算：14.03155.00o 0o Pr Re 36.0⎪⎪⎭⎫⎝⎛=w d μμλα。

当量直径，由正三角排列得：de=020.0025.014.3)025.0785.0032.023(4)423(4220202=⨯⨯-⨯=-d d t ππm 壳程流通截面积：)032.0025.01(6.024.0)1(00-⨯=-=t d BD S =0.0315（m 2） 壳程中煤油流体流速及其雷诺数分别为：u 0=V0/A=202.00315.0)8253600(4.18939=⨯（m/s ）Re 0=μρdeuo =000715.0825202.0020.0⨯⨯=4661.5普朗特数：Pr=34.11140.010*******.263=⨯⨯⨯-； 粘度校正：114.0≈⎪⎪⎭⎫⎝⎛w ηηα0=3155.034.115.466102.0140.036.0⨯⨯⨯=589.7〔W/(m 2·K) 〕 4.1.2管内表面传热系数： αi 4.08.0Re i 023.0Rr d iλ=管程流体流通截面积：S i =0.785×0.022×216/6=0.0113（m 2） 管程流体流速及其雷诺数分别为：u i =0113.0)9943600/(4.42676⨯=1.055（m/s ）Re i =000727.0994055.102.0⨯⨯=28849.2普朗特数：Pr=85.4626.010*******.463=⨯⨯⨯- αi =0.023×4.08.085.42.2884902.0626.0⨯⨯=5008.1〔W/ (m 2·K )〕 4.1.3污垢热阻和管壁热阻 查有关文献知可取：管外侧污垢热阻 R 0=0.00017 m 2·K/W 管内侧污垢热阻 R i =0.00034 m 2·K/W 5.1.4计算传热系数K （忽略管壁热阻）：o 1K ＝o1α＋R so ＋m d bd λo ＋i o i d d α＋i i o d d R s Ko=00017.0020.01.50080250.0020.0025.000034.07.58911+⨯+⨯+=394计算传热面积A C :A C =Q/(K C ×△tm)=992.7×103/（394×31.45）=80.11（m 2）该换热器的实际传热面积A ：A=T N l d ⨯⨯⨯0π=3.14×0.025×6×（228-17）=99.38（m 2）5.1.5该换热器的面积裕度为：H=CCA A A -×100%=11.8011.8038.99-×100%=24.05%为了保证换热器的可靠性, 一般应使换热器的面积裕度大于15%～25%。

满足此要求, 所设计的换热器较为合适传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

5.2换热器内流体的流动阻力 5.2.1管程流体阻力计算公式如下：△P t =（△P i +△P r ）N S N p F S ; N S =1, N p =6，F S =1.5;△P i =22u d l i i ρλ⨯。