多壳程列管式换热器的设计方案一、符号说明：二、1.1 物理量（英文字母）C p定压比热容，KJ/(kg.°C ) n管数Q m热容量流率比 N程数d 管径,m P 压强, PaD 换热器壳径,m q 热通量,W/m²f 摩擦系数 Q 传热速率或热负荷,W F 系数 r 汽化热或冷凝热KJ/kg g 重力加速度, m/s² R 热阻，m².ºC/W B 挡板间距 S 传热面积，m²K 总传热系数,W/(m².ºC) T 流体温度，º CI 长度,m t 流体温度，º CL 长度,m v 流速m/s1.2 物理量（希腊字母）α对流传热系数,W/(m².ºC) µ黏度，Pa.sλ导热系数,W/(m².ºC) 密度,kg/m³ε传热系数ψ校正系数二、设计目的通过课程设计进一步巩固本课程所学的容，培养学生运用所学理论知识进行化工单元过程设计的初步能力，使所学知识系统化。
通过本次设计，应了解设计的容、方法及步骤，使学生有调研技术资料，自行确定设计方案，进行设计计算，并绘制设备条件图、编写设计说明书的能力。
三、参数与条件设置：3.1 已知参数：（1）热流体（柴油）：T1=180℃，T2=130℃，W h=36000kg/h；（2）冷流体（油品）：t1=60℃，t2=110℃，压力0.4MPa；3.2 设计条件：（1）壳程数：2；（2）压力降△p<10~100kPa（液体）；1~10kPa（气体）；雷诺数Re<5000~20000（液体）；10000~100000（气体）；（3）流动空间管材尺寸：Φ19mm×2mm、Φ25mm×2mm、Φ25mm×2.5mm；（4）管流速，自选；（5）传热管排列方式：正三角形排列、正方形排列、正方形错列；（6）传热面积裕量S：10~25%；（7）传热管长L，3、4.5、6、9、12m；（8）折流挡板切口高度与直径之比：0.20、0.30；（9）管壁外污垢热阻，自选，R si= 5.1590 ×10-4，R so=3.4394×10-4m².°C/W；四、设计计算4.1 确定设计方案4.1.1选择换热器的类型：两流体温度的变化情况，热流体进口温度为180℃，出口温度130 ℃。
冷流体（原油）进口温度为60 ℃，出口温度110℃。
该换热器用有油品进行冷却，部用油品（煤油、汽油、石脑油），冬季操作温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温与壳体壁温相差较大，因此确定用浮头式列管式换热器。
4.2 确定物性数据4.2.1 可取流体进口温度的平均值。
管程柴油的定性温度 T=2130180+=155°C壳程油品的定性温度 t =260110+=85 °C由于浮头式换热器拆卸比较简单，应使冷却油柴油走壳程，原油走管程。
柴油在155℃时的物性数据如下：密度ρ0= 715kg/m³定压比热容C p0=2.48KJ/(kg.°C )导热系数λ0=0.113W/(m².ºC)粘度µo =0.00064Pa.s原油在85℃时的物性数据如下：密度ρi= 815kg/m³定压比热容 C pi = 2.22KJ/(kg.°C ) 导热系数 λi =0.128W/(m ².ºC) 粘度 µi =0.003Pa.sT 1=180℃, T 2=130℃,t 1=60℃, t 2=110℃5.3 计算总传热系数： 5.3.1 热流量： =oQ o ph o t c W ∆= )(1240/10464.4)130180(48.2360006kw h kJ =⨯=-⨯⨯5.3.2 平均传热温差：因为2121≤=∆∆t t ，C t t t m ︒=∆+∆=∆50221 5.3.3 冷却油用量：)/(40216)60110(22.210464.460h kg t c Q w i pi i =-⨯⨯=∆=5.3.4 总传热系数： 管程传热系数2717003.08155.002.0Re =⨯⨯==iii i u d μρ22.25)128.0003.022.2()2717(020.0128.0023.0)()(023.04.08.04.08.0=⨯⨯=⨯=i i p i i i i i i i c u d d λμμρλα壳程传热系数假设壳程的传热系 αo = 290W/(m ².ºC)污垢热阻 R si = 5.1590 ×10-4m ².°C/W R so = 3.4394×10-4m ².°C/W管壁的导热系数λ=45W/(m ².ºC)6871104394.30225.045025.00025.0020.0025.0101590.5020.022.25025.0111440000=+⨯+⨯⨯+⨯+⨯=++++=--ααλαso i i si i i R d bd d d R d d K5.4 计算传热面积)(1.365068710124023,m t K Q S m =⨯⨯=∆= 考虑15%的面积裕度，)(448.411.3615.115.12,m S S =⨯=⨯= 5.5 工艺结构尺寸 5.5.1 管径和管流速选用φ25×2.5传热管（碳钢），取管流速u i =0.5m/s表5-1 换热器常用流速的围5.5.2 管程数和传热管根据传热管径和流速确定单程传热管数883.875.002.0785.0)3600815/(40216422≈=⨯⨯⨯==ud vn i s π(根)按照单程管计算，所需的传热管长度为sn d S L 0π==688025.014.3=⨯⨯S，S=41.448, 因壳程=2，管程=1,所以)(661m L =⨯=按单程管设计，传热管过长，则采用多管程结构。
现在传热管长L=6m ，则该换热管程数为 88881=⨯=N (根）表5-2设计方案中选取的4种管程的管程布置5.5.3 平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 42.060180601101112=--=--=t T t t p 1601101301801221=--=--=t t T T R ，又因为壳程 = 2按照多壳程，单管程结构，温差校正应查有关图表。
但R=1的点在图上难以读出，由《化工原理》上册232P 页查图4－19可得:98.0=∆t ϕ 平均传热温差C t t m t m 495098.0,=⨯=∆=∆∆ϕ图 壳程摩擦系数f 0与Re 0的关系5.5.4传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。
去管心距t=1.25d 0,则)(3225.312525.1mm t ≈=⨯= 横过管束中心线的管数 122.118819.119.1≈===N n c5.5.5 壳体径采用多壳程结构，则壳体径为)(1.352025.03)112(323)1(0mm d n t D C =⨯+-=+-= 圆整可取D=350mm 5.5.6 折流板采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体径的25%,则切去的圆缺高度为5.8735025.0=⨯=h ,故可取h=90mm 取折流板间距B=0.3D,则)(1053503.0mm B =⨯=,故取B 为110mm 。
折流板数 N B =（块）折流板间距传热管长3261-110360001-== 折流板圆缺面水平装配。
5.5.7 接管壳程流体进出口接管：取接管柴油流速为u=1.0m/s,则接管径 )(0178.00.114.3)7153600/(3600044m uv d =⨯⨯⨯==π管程流体进出口接管：取接管原油流速为u=1.5m/s ，则)(0116.05.114.3)8153600/(402164m d =⨯⨯⨯=5.6 换热器核算 5.6.1 热量核算（1）壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用克恩公式14.003155.000)(Pr Re 36.0wed μμλα=当量直径，由正三角形排列得)(020.0025.014.3)025.0785.0032.023(4)423(420202m d d t d e =⨯⨯-⨯=-=ππ壳程流通截面积:)(1042.8)032.0025.01(35.011.0)1(300m td BD S -⨯=-⨯=-=壳程流体流速及其雷诺数分别为)/(66.11042.8)7153600/(3600030s m u =⨯⨯=- 791310371566.1020.0Re 30=⨯⨯⨯=-普兰特准数05.14113.01064.0100048.2Pr 3=⨯⨯⨯=-粘度校正1)(14.0≈wμμ )./(67805.14791302.0113.036.023155.00C m W =⨯⨯⨯=α(2)管程对流传热系数4.08.0Pr Re 023.0iii d λα=管程流通截面积)(0138.028802.0785.022m S i =⨯= 管程流体流速)/(99.00138.0)8153600/(40216s m u i =⨯=537910381599.002.0Re 3=⨯⨯⨯=- 普兰特准数03.52128.010*******.2Pr 3=⨯⨯⨯=-)./(69002.52537902.0128.0023.024.08.0C m W i =⨯⨯⨯=α （3）传热系数K)./(57.2306781104394.30225.045025.00025.0020.0025.0101590.5020.0690025.01112440000C m W R d bd d d R d d K so i i si i i =+⨯+⨯⨯+⨯+⨯=++++=--αλα（4）传热面积S)(6.1075057.23010124023m t K Q S m =⨯⨯=∆= 该换热器的实际传热面积S p)(8.35)1288(6025.014.3)(20m n N L d S c P =-⨯⨯⨯=-=π该换热器的面积裕度为%67%1006.1078.356.107%100=⨯-=⨯-=SS S H p 传热面积合适，该换热器能完成任务。
5.6.2 换热器流体的流动阻力 （1）管程流动阻力 p s t i N N F P P P )(21∆+∆=∑∆4.1,1,2===t P S F N N2,22221u P u d l P iρξρλ=∆=∆由Re=5379，传热管相对粗糙度005.0201.0=，查莫狄图得=i λ由Re= ，传热管相对粗糙度 ，查莫狄图得管程流动阻力在允许围之。