U型管换热器课程设计说明书2-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIANU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：×;比热容为：（kg. ℃）；导热系数为：（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 (, 并由总传热估)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 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，冷却水压力为。

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。

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×的碳钢管（换热管标准：GB8163）。

2、确定物性数据：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 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=××(125-40)=h=(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 =-⨯⨯⨯⨯=∆= 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 (℃)温度校正平均传热温差校正系数：R=(125-40)/(45-25)=; P=(45-25)/(125-25)=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=>，可行。

所以修正后的传热温度差为Δtm=φΔtm ’=初步选型 传热面积假设K=300W/(m 2·K),则估算面积为： A=Q/(K ×Δt m )=×103/(300×=(m 2) 管径和管内流速换热管选用碳钢管ф25×，取管内流速u= s 管程数和传热管数换热管选用普通无缝钢管ф25×，管内径d=，于是单程管根数n'为 36000.102.0785.0994/4.426764'22⨯⨯⨯==ii u d Vn π=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= 初选换热器类型与型号由于Tm-tm=（125+40）/2-(45+25)/2= (℃)<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 的具体参数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=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=，则t=×25=≈32(mm )横过管束中心线的管数 N c =N =228=17根 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η＝，则壳体内径为 7.02283205.105.1⨯=ηTN t=圆整可取D=600mm 。

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 ＝×600=150（mm ）。

折流板间距B=,则B=×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 接管壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u ＝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 ＝ 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 热流量核算 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 =（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⨯⨯=普朗特数：Pr=34.11140.010*******.263=⨯⨯⨯-； 粘度校正：114.0≈⎪⎪⎭⎫⎝⎛w ηηα0=3155.034.115.466102.0140.036.0⨯⨯⨯=〔W/(m 2·K) 〕 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 =××216/6=（m 2） 管程流体流速及其雷诺数分别为： u i =0113.0)9943600/(4.42676⨯=（m/s ）Re i =000727.0994055.102.0⨯⨯=普朗特数：Pr=85.4626.010*******.463=⨯⨯⨯- αi =×4.08.085.42.2884902.0626.0⨯⨯=〔W/ (m 2·K )〕 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= m 2·K/W 管内侧污垢热阻 R i = m 2·K/W 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)=×103/（394×）=（m 2）该换热器的实际传热面积A ：A=T N l d ⨯⨯⨯0π=××6×（228-17）=（m 2）该换热器的面积裕度为：H=CCA A A -×100%=11.8011.8038.99-×100%=%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。

换热器内流体的流动阻力 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 =;△P i =22u d l i i ρλ⨯。

由Re=，传热管相对粗糙度20=， 莫狄图（下图）得i λ=，流速u=s ，ρ=994kg/m 3，故△P i =i ii i u d l ρλ22=2055.199402.060338.02⨯⨯⨯=（P a ）； △P r =2055.199432u 22⨯⨯=ρε=1573（P a ） △P t ＝（△Pi ＋△Pr ）Fs Ns=（+1573）×6×=（P a ）<105 P a管程流体阻力在允许范围内壳程阻力公式有：△P S =（△P 0+△P i ）F S N S 其中 F S = ；N S =1 ； △P 0= Ff 0N TC (N B +1)220u ρ;又F=,f 0==5× Nc= =×=17 N B =24;u 0=s则流体流经管束的阻力： △P 0=Ff 0Nc(N B +1)220u ρ=××17×（24+1）×825×2≈（P a ）流体流过折流板缺口的阻力 △P i =N B （D ）220u ρ,其中 B=; D=；故△P i =24×（×）×825×2≈（P a ）， 则总阻力：△ P S =△P 0+△P i =+=（P a ）<105 P a 。