列管式换热器的设计

徐州工程学院

列管式换热器的设计

姓名： 班级： 学号： 图纸： 说明书： 指导老师：

年 月 日

目录

一、 设计任务书﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍3 二、 概述﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍4 三、 设计方案的确定﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍4 四、 物性数据的确定﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍7 五、 计算总传热系数﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍7 六、 计算传热面积﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍8 七、 工艺结构尺寸﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍8 八、 换热器的核算﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍10 九、 换热主要结构尺寸和计算结果表﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ 13 十、 设计评述﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ 13 十一、 参考资料﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ 13 十二、 主要符号说明﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ 14 十三、 致谢﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ 14

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一、设计任务书

学生姓名 班级 题目 列管式换热器的设计 指导教师 设计基本参数 处理能力：20.0×104t/a 设备型式：列管式换热器 操作条件：冷却介质：水：入口温度：30℃，出口温度：40℃ 煤油：入口温度：140℃，出口温度：40℃ 允许压降：不大于105Pa 每年按330天，每天按24h连续运行 设计要求及内容 1、设计方案简介 对给定或选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要论述。 2、主要设备的工艺设计计算 传热面积的计算； 管数、管程数及管子排列，管间距的确定； 壳体直径及壳体厚度的确定。 3、辅助设备的选型 典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备规格型号的选定。 4、编写设计说明书 将设计所选定的工艺流程方案、主要步骤及计算结果汇集成工艺设计说明书。应采用简练、准确的文字图表，实事求是地介绍设计计算过程和结果。设计说明书要求在6000字以上，A4纸打印。 设计说明书内容： （1） 封面（课程设计题目、学生班级、姓名、学号、指导教师、时间） （2） 目录 （3） 设计任务书 （4） 概述与设计方案简介 （5） 工艺及设备设计计算 （6） 辅助设备的计算机选型 （7） 设计结果汇总表 （8） 设计评述 （9） 参考资料 （10）主要符号说明 （11）致谢

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二、概述

在不同温度的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称为换热器。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。

随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不用类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。

完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。 （1）合理地实现所规定的工艺条件 传热量、流体的热力学参数与物理化学性质是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，再单位时间内传递尽可能多的热量。

（2）安全可靠

换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要作用。

（3）有利于安装、操作与维修

直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。

（4）经济合理

评价换热器的最终指标是：在一定的时间内，固定费用与操作费的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。

三、设计方案的确定 1、 换热器的类型

换热器的种类很多，根据其热量传递的方法的不同，可以分为3种形式：坚壁式、直接接触式和蓄热式。

列管式换热器的应用已有很悠久的历史，现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在石油、化工、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。虽然列管式换热器在传热效率、紧凑性和金属耗量等方面不及某些新型换热器，但它具有结构简单、坚固耐用、适应性强、制造材料广泛等独特的优点，因而在换热设备中仍处于主导地位。

同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量应用于工业中。 列管换热器主要特点： (1) 耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸，碱、盐溶液，除强氧化性物料外，几乎直到100℃都对其无破坏作用，对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使用。 (2) 耐温性：聚丙烯塑料熔点为164-174℃，一般使用温度可达110-125℃。 (3) 无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。 (4) 重量轻：对设备安装维修极为方便。

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列管式换热器主要分为以下四种：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器 。 1.1固定管板式换热器

结构特点：两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构的壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，会使管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。

适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。 固定管板式换热器

1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳体；5—换热管；6—波

形膨胀节；7—折流板（或支持板）；8—防冲板；9—壳程接管；

10—管板；11—管程接管；12—隔板；13—封头；14—管箱；

15—排液口；16—定距管；17—拉杆；18—支座；19—垫片；

20、21—螺栓、螺母

1.2.浮头式换热器

结构特点：两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是当换热管与壳体间有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。

缺点：结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。

适用于管壁间温差较大或易于腐蚀和易于结垢的场合。

浮头式换热器

1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4—钩圈；5—支耳

1.3 U型管换热器

U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由

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温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。

缺点：管内清洗困难；由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束内程管间距大，壳程易短路；内程管子损坏不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。

U形管式换热器

1—中间挡板；2—U形换热管；3—排气口；4—防冲板；5—分程隔板

1.4.填料函式换热器

填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。

缺点：填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。

填料函式换热器

1—纵向隔板；2—浮动管板；3—活套法兰；4—部分剪切环；5—填料压盖；6—填料；7—填料函

2、换热器的选择

两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃。冷流体（循环水）进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此，初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。 3、流动空间及流速的选择

在管壳式换热器的计算中，首先需决定何种流体走管程，何种流体走壳程，这需遵循一些一般原则：

①应尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。

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②在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置， 应尽量减少其冷量损失。

③管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。 所以在具体设计时应综合考虑，决定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。

表2-2 换热器常用流速的范围 介质流速 循环水 新鲜水 一般液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油 气体 管程流速，m/s 1.0-2.0 0.8-1.5 0.5-3 >1.0 0.8-1.8 0.5-1.5 5-30 壳程流速，m/s 0.5-1.5 0.5-1.5 0.2-1.5 >0.5 0.4-1.0 0.3-0.8 2-15 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清理，应使循环水走管程，煤油走壳程。选用25mm2.5mm的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。

四、物性数据的确定

1404090C 23040 水的定性温度： t35C

2根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

煤油在90℃下的有关物性数据如下：

煤油的定性温度：T 密度 ρ

0＝825kg/m3

定压比热容 Cpo＝2.20kJ/kg℃ 热导率 λ 粘度 μ

00＝0.14W/m℃

＝0.715mPa﹒s

循环冷却水在35℃下的物性数据： 密度 ρi＝994.4kg/m3 定压比热容 Cpi＝4.143kJ/kg℃ 热导率 λ

i＝0.601W/ m℃

粘度 μi＝0.955m Pa﹒s

五、计算总传热系数 1、热流量

QO=qmocpo△t0=25253×2.22×（140-40）=5606166kJ/h=1557.3kW 2、平均传热温差

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△t'm=

△t1-△t2

ln△t1/△t2=[(140-40)-(40-30)]／ln[(140-40)／(40-30)] =39℃

3、冷却水用量

qmi= QO／Cpi△ti=5606166／[4.08×(40-30)]=137406 kg/h 4、总传热系数K 管程传热系数：

Re=diuiρi／μi=0.02×0.5×994／0.000725=13710>10000(湍流) αi=0.023（λ

i／di）（diuiρi／μi）0.8（cpui／λ

i）0.4

=0.023×（0.626／0.020）×137100.8×（4.08×103×0.000725／

0.626）0.4=2733 W/(m·℃)

壳程传热系数：

假设壳程的传热系数 α

o=290 W/(m2·℃)

污垢热阻 Rsi=0.000344m2·℃ / W，Rso=0.000172 m2·℃ / W 管壁的导热系数 λ=45W/(m·℃)， 故 K1

d0d0bd01RsiRs0idididm0=

10.0250.0250.00250.02510.0003440.00017227330.0200.020450.0225290

= 219.5W/(m2·℃)

六、计算传热面积

Q1577.3103184.3m2 S′=

Ktm219.539考虑15%的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×184.3=211.9m2

七、工艺结构尺寸 1、管径和管内流速

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选用25mm2.5mm传热管（碳钢），取管内流速ui0.5m/s。 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

137406/(9943600)Vns ===244.6根≈245根 220.7850.020.5diu4按单管程计算，所需的传热管长度为：L=

S211.9==11.0m d0ns3.140.025245按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长l=6m，则该

L11.0换热器管程数为Np=1.8≈2(管程)

l6传热管总根数为N=2452490(根)

3、平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数：

14040R =10

40304030 P =0.091

140-30按单壳程，双管程结构，温度校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R,PR代替P,查同一图线，可得ψ平均传热温差 tm=ψ

ΔtΔt=0.72

Δt'=0.72×39=28℃

4、传热管排列和分程方法

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 a=1.25do，则：

a=1.25×25=31.25 ≈32 （mm）

横过管束中心线的管数 nc1.19N1.1949027(根) 5、壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为：

D=1.05aN/η=1.0532490/0.7=8

mm

圆整可取D=900mm 6、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900=225mm，故可取h=220mm。

取折流板间距B=0.3D,则 B=0.3900=270mm，可取B为300 。

传热管长6000折流板数 NB=-1=-1=19（块）

折流板间距300折流板圆缺面水平装配。 7、接管

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壳程流体进、出口接管：取接管内循环水流速u=1.0m/s,则接管内径为：

d=(425253)(3600825)4V =0.104m u3.141.0取标准管径为 100mm。

管程流体进出口接管:取接管内流速为u=1.5 m/s,则接管内径为：

d4137406/(3600994)0.183m

3.141.5取标准管径为 180mm。

八、换热器的核算 1、热量核算

（1）壳程对流传热系数。 对圆缺形折流板,可采用凯恩公式：

0=0.36

0deRe00.55Pr(130.14) w当量直径，由正三角形排列得

4(de=

3322ado)4(0.03220.7850.0252)242==0.020（m） do3.140.025壳程流通截面积：

S0=BD(1-

d00.025)=0.30.9×(1-)=0.05906m 0.032a壳程流体流速及其雷诺数分别为

25253/(3600825)u0==0.144m/s

0.05906 Reo=0.02×0.144×825／0.000715=3323 普兰特准数：

Pr=2.22×103×715×106／0.140=11.34 黏度校正（

）0.14≈1 w0.14033230.5511.341/3490W/(m2·℃) 0.02(2)管程对流传热系数

0 =0.36i0.023idi(Re)0.8(Pr)0.4

管程流通截面积 Si=0.785×0.022×490/2=0.0769m2

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管程流体流速：

137406/(3600994)0.501（m/s）

0.07690.020.501994Rei13738 -30.725×10ui=

普兰特准数 PrCP4.081030.725×10-34.73

0.626i0.023×(0.626/0.02) ×137380.8×4.730.4=2739W/( m2·℃)

（3）传热系数K

K1

d0d0bd01RsiRs0idididm0 =

10.0250.0250.00250.02510.0003440.00017227390.0200.020450.0225490

=316.4W/(m·℃) (4) 传热面积S

Q1557.3103178.0（m2） S=

Ktm316.428该换热器的实际传热面积Sp：

SP=πdoLN=3.14×0.025×(6-0.06) ×(490-27)=215.9m 2

该换热器的面积裕度为： HSpSS×100%215.9-178.0×100%21.3%

178.0该换热器的面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 2、流体的流动阻力 （1）管程流动阻力

P(PP)FNi12tsNp

Ns1,Np2,Ft1.4

Δpl=λ

iρu2lρu2，Δp2=ζ

2d2i由Re=13738，传热管相对粗糙度0.01/20=0.005,查莫狄图得λ=0.037

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流速ui=0.497m/s, ρ=994kg/m3,所以：

lui9940.49726P1i=0.037××=1362.7Pa

di220.0229940.4972=3P2368.3 Pa 22u2故 Pi(1362.7368.3)1.424846.8Pa ﹤ 10 kPa

管程流动阻力在允许范围之内。

（2）壳程阻力

P0(P1P2)FtNs

Ns1,Ft1.15

2u0流体流经管束的阻力 P1Ff0nc(NB1) F=0.5 f05.0Re00.2282

5.033230.2280.7871

nc=27、NB=19、uo=0.144

8250.14421836 Pa P10.50.787127(191)2流体流过折流板缺口的阻力

22B0u0P2NB(3.5)

D2B=0.3m ，D=0.9m

20.38250.1442P219(3.5)460.5 Pa

0.92总阻力

P0(P1P2)FtNs(1836460.5)1.1512641Pa < 10 kPa 壳程流动阻力也比较适宜。

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九、换热主要结构尺寸和计算结果表 换热器型式：固定管板式 换热面积（m2）：194.9 工艺参数： 名称 物料名称 操作温度/℃ 流量/(kg/h) 流体密度/(kg/m) 流速/（m/s） 传热量/kW 总传热系数/（W/m2·K） 传热系数/（W/m2·K） 污垢系数/（m2·K/W） 阻力降/MPa 程数 推荐使用材料 管子规格 管间距/mm 折流板型式 壳体内径/mm ∮25×2.5 32 上下 900 管程 冷却水 30/40 137406 994 0.501 1557.3 316.4 2739 0.000344 0.00173 2 碳钢 管数490 排列方式 壳程 煤油 140/40 25253 825 0.144 490 0.000172 0.00184 1 碳钢 管长6000 mm 正三角形 300 切口高度25% 间距/mm 保温层厚度/mm 十、设计评述

本设计所有参数经反复核算，保证各参数均在设计要求之内，准确可行。壳程流体流速u0=0.144m/s，流体雷诺数Re0=3323。管程流体流速ui=0.501m/s，流体雷诺数Rei =13738。管程流体流动方式为湍流，能够较好的达到换热的要求。

每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。正三角形排列结构紧凑，正方形排列便于机械清洗。该换热器的面积裕度H=21.3％在20％-30％之间，则所设计换热器能够完成生产任务。管程流动阻力为4846.8Pa，4846.8Pa<10kPa在允许范围之内；壳程流动阻力为2641Pa，2641Pa<10 kPa也允许范围之内，比较适宜。

十一、参考资料

1 化工原理课程设计，马江全，冷一欣，中国石化出版社， 2011 第二版 2 食品工程原理，姜绍通，周先汉，化学工业出版社，2010 第一版 3 机械基础，吕海鸥，陈丽华，中国电力出版社，2009 第一版

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十二、主要符号说明

英文字母

B ——折流板间距，m； Np——管程数；

C ——系数，无量纲； Nu ——努塞尔特准数； d ——管径，m； Qi ——热流量 ；kJ/h D——换热管外壳内径，m P —— 压力，Pa；因数 f ——摩擦系数； Pr ——普兰特准数；

F ——系数； R h ——圆缺高度，m； Re K ——总传热系数，w/ m2℃； S L ——管长，m； t m——程数 T NB——折流板数 u nc ——指数、单程管数。 W 希腊字母

——对流传热系数，w/m2℃； ——导热系数，w/m2℃； μ ——粘度，Pa·s； 下标

c ——冷流体； h i ——管内； m o ——管外； s

十三、特别鸣谢

感谢老师的细心指导。 感谢同学的讨论和帮助。

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——热阻，(m2·℃) / W；——雷诺准数； ——传热面积，m2； ——冷流体温度，℃； ——热流体温度，℃； ——流速，m/s；

——质量流量，kg/s；  ——有限差值；  ——密度，kg/m3；  ——校正系数。

——热流体； ——平均； ——污垢。