煤油列管换热器.doc
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二、列管式换热器设计任务书
（一）、设计题目：
列管式换热器设计
（二）、设计任务及操作条件
1、设计任务
处理能力：
20万吨/年
设备型式：
列管式
2、操作条件
（1）煤油：
入口温度140℃出口温度40℃
（2）冷却介质：
循环水入口温度20℃出口温度40℃
（3）允许压降：
不大于0.1MPa
（4）煤油定性温度下的物性数据
（5）每年按330天计算，每天24小时连续运行。
（三）、设计内容
1、概述
2、设计方案的选择
3、确定物理性质数据
4、设计计算
（1）计算总传热系数
（2）计算传热面积
5、主要设备工艺尺寸设计
（1）管径尺寸和管内流速的确定
（2）传热面积、管程数、管数和壳程数的确定
（3）接管尺寸的确定
6、设计结果汇总
7、工艺流程图及换热器工艺条件图
8、设计评述
（四）、图纸要求
A3图纸
三、概述
3.1换热器概述[1]
热器（英语翻译：
heatexchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。
在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。
换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：
间壁式、混合式和蓄热式。
在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。
3.2.列管式换热器概述[1]
列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。
它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。
所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。
在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。
在列管式换热器中，管束的表面积即为该换热器所具有的传热面积。
当传热面积较大，管子数目较多时，为了提高管内流体的流速，增大管内一侧流体的传热膜系数，常将全部管子平均分成若干组，流体每次只流经一组管子，即采用多管程结构。
其方法是在封头内装设隔板，在一端的封头内装设一块隔板，便成二管程；在进口端装两块挡板，另一端装一块隔板，便成四管程；如此，还可以设置其他多管程，但过多使流体阻力增大，隔板占有分布管面积，而使传热面积减小。
列管换热器（又名列管式冷凝器），按材质分为碳钢列管换热器，不锈钢列管换热器和碳钢与不锈钢混合列管换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程。
四、工艺设计及主要设备设计
4.1确定设计方案
4.1.1选择换热器的类型[4] 在本次设计任务中，两流体温度变化情况：
热流体（煤油）进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体（循环水）进口温度20℃，出口温度40℃。
该换热器用循环水冷却介质，受环境影响，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，且管束与管壳之间的温差较大会产生不同热膨胀，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
4.1.2流程安排
在固定管板式式换热器中，对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点：
（1） 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。
（2） 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。
（3） 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。
（4） 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。
（5） 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。
（6） 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。
（7） 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。
从两物流的操作压力看，应使煤油走管程，冷却水走壳程。
但由于冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下贱，所以从总体考虑，应使自来水走管程，煤油走壳程。
4.2确定物理性质数据 定性温度：
可取流体进口温度的平均值。
壳程流体煤油的定性温度为
管程流体水的定性温度为[3]
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℃的有关物性数据如下：
物性
密度ρo
（kg/m3）
比热容Cpo
（kJ/（kg·0C））
粘度μo
（Pa·s）
导热系数λo
（W/（m2·0C））
煤油
825
2.22
0.000705
0.14
水在30℃的有关物性数据如下：
物性
密度ρi
（kg/m3）
比热容Cpi
（kJ/（kg·0C））
粘度μi
（Pa·s）
导热系数λi
（W/（m2·0C））
水
995.7
4.174
0.0008007
0.6176
4.3估算传热面积
4.3.1计算热负荷和冷却水流量
煤油流量
冷却水流量
4.3.2计算两流体的平均传热温差
按单壳程多管程进行计算，对逆流传热温度差进行校正
根据《化工原理[1]（上）》P213，公式（4-45）得逆流传热温差为
而
所以修正后的传热温度差为
4.3.3估算传热面积
由《常用化工单元设备设计》表1-6，查得水与煤油之间的传热系数在290-698w/（m2.oC），初步设定K=556.3w/（m2.oC）。
根据《化工原理（上）》P235，公式（4-44a）估算的传热面积为
4.4主体构件的工艺结构尺寸
4.4.1管径和管内流速
选用Φ25×2.5的传热管（碳钢管），管内径di=0.025-0.0025×2=0.02，取管内流速ui=1.2m/s
4.4.2管程数和传热管数
根据《化工原理课程设计[7]》P62，公式3-9可依据传热内径和流速确定单程传热管数
按单管程计算，所需的传热管长度为
按单管程设计，传热管过长，现取传热管长l=6，则该换热器管程数为
热管总根数N=50×4=200（根）
4.4.3传热管的排列和分程方法
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。
其中，每程内的正三角形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。
由《化工过程及设备课程设计》图3-13取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32（mm）。
由《化工原理[2]（上）》P282，公式（4-119），得横过管束中心线的管数为
由《化工单元过程及设备课程设计》P67页，公式（3-16），隔板中心到离其最近一排中心距离，取各程相邻管的管心距为44mm。
其前后箱中隔板设置和介质的流通顺序按《化工过程及设备课程设计》图3-14选取。
4.4.4壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，由《流体力学与传热》P206，公式4-115，得壳体内径为
圆整可取D=600mm。
4.4.5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
取折流板间距B=0.4D，则B=0.4×600=240mm取板间距B=300mm
折流板数
4.4.6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===0.1040m
经圆整采用Φ114mm×5mm热轧无缝钢管（GB8163-87）,取标准管径为114mm。
管程流体进出口接管：
取接管内循环水流速u＝1.5m/s，则接管内径为
d===0.126m
经圆整采用Φ140mm×7mm热轧无缝钢管（GB8163-87）,取标准管径为140mm.
4.5换热器主要传热参数核算
4.5.1热流量核算
4.5.1.1壳程对流传热系数
可采用克恩公式，由《化工原理[3]（上）》P253，公式（4-77a）得
其中：
取
当量直径de，由于是正三角形排列，由《化工原理（上）》P253，公式（4-79）得
壳程流通截面积A0，由《化工原理（上）》P253，公式（4-80），得
壳程流体流速及其雷诺系数分别为
普兰特准数
粘度校正
4.5.1.2管程对流传热系数
由《化工原理（上）》P248，公式（4-70a），水在管程中是被加热，所以公式中的n=0.4，得
其中：
管程流通截面积
管程流体流速以及其雷诺数分别为
普朗特准数
故管程对流换热系数
4.5.1.3污垢热阻和管壁热阻
查阅《化工原理（上）》P354，附录20，得
煤油侧的热阻R0=0.000172m2oC/w
循环水侧的热阻Ri=0.000344m2oC/w
钢的导热系数为λ=45
4.5.1.4传热系数K
根据《化工原理[2]（上）》P227，公式（4-41）
解得K=509.9W/（m2.OC）
传热面积
所选用的换热器的实际传热面积m2
4.5.1.5传热面积裕度
根据《化工单元过程及设备课程设计》P76，公式（3-36）
该换热器的面积裕度为
处于要求的15%~20%的范围内，该换热器符合实际生产要求 4.5.2壁温核算
因为管壁很薄，而且壁热阻很小。
冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。
为确保可靠，取循环冷却水进口温度为20℃，出口温度为40℃计算传热管壁温。
另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。
但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。
计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管
壁温。
于是有:
式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为:
0.4×40+0.6×20=28℃
（140+40）/2=90℃
6528.1
898.4
传热管平均壁温为℃
壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=90℃。
壳体壁温和传热管壁温之差为℃>50℃。
该温差较大，故需设温度补偿装置。
选用带膨胀节的固定管板式式换热器
4.5.3换热器内流体的流动阻力（压强降）
4.5.3.1管程流动阻力
根据《化工原理[3]（上）》P284，公式（4-121）得
∑△pi＝（△p1+△p2）FtNsNp
其中：
ΣΔPi———管程总压力降,Pa;
ΔP1、ΔP2———分别为单程直管阻力与局部阻力,Pa;
Ft———污垢校正系数,对于Φ25mm×2.5mm管子,取Ft=1.4;对于
Φ19mm×2mm管子,取Ft=1.5;这里取Ft=1.4；
Ns———壳程数，Ns=1;
Np———管程数，Np=4。
其中流体流过直管段由于摩擦所引起的压力降可由下式计算:
流体流过回弯管（进、出口阻力忽略不计）因摩擦所引起的压力降可由下式计算:
式中：
λ———摩擦阻力系数;
l———传热管长度,m;
di———传热管内径,m;
ui———管内流速,ms;
ρ———流体密度,kgm3。
由Re=38693<105，设管壁粗糙度ε=0.1mm，则相对粗糙度ε/di=0.005，查莫狄图得λi=0.03W/m·℃，流速ui=1.2m/s，ρ=995.7kg/m3，所以
△P1=0.03×
总压强降：
4.5.3.2壳程流动阻力（压强降）
∑△po＝（△’p1＋△’p2）FsNs[6]
其中：
ΣΔP0———壳程总压力降,Pa;
ΔP′1———流体流过管束的压力降,Pa;
ΔP′2———流体流过折流板缺口的压力降,Pa;
Fs———结垢校正系数,对于液体,Fs=1.15;对于气体或可凝蒸汽,Fs=1.0，这里取Fs=1.15;
Ns———壳程数，Ns=1。
其中,流体流过管束的压力降
流体通过折流板缺口的压力降
式中
N———每一壳程的管子数目;
NB———折流板数目;
B———折流板间距,m;
D———壳体内径,m;
F———管子排列方式对压力降的校正因数,对于正三角形排列,F=0.5;对于正方形斜转45°,F=0.4;
f0———壳程流体的摩擦系数,当Re>500时,f0=5.0
;其中,Re=（deuρ）/μ。
nc———横过管束中心线的管数,管子按正三角形排列:
nc=1.1N;管子按正方形排列:
nc=1.19;
u0———壳程流体横过管束的最小流速,m/s,
Vs———壳程流体的体积流量,m3s。
根据管子排列方法（这里是正三角形），取F=0.5
Re=3785f0=5.0Re0=0.61
B=240mmD=600mmρ=825kg/m3u0=0.432m/s
总压强降：
符合设计要求。
五、设计结果汇总换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：
换热器型式：
固定管板式
换热器面积（㎡）：
86.7
工艺参数
名称
管程
壳程
物料名称
循环水
煤油
操作温度，℃
20/40
40/140
流量，kg/s
18.6
7.01
流体密度，kg/
995.7
825
流速，m/s
1.2
0.432
传热量，kw
1556.2
总传热系数，w/㎡·k
509.9
对流传热系数，w/㎡·k
6528.1
898.4
污垢系数，㎡·k/w
0.000344
0.000172
阻力降，Pa
52185.3
13686.7
程数
4
1
使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
Φ.5
管数200
管长，mm
6000
管间距，mm
32
排列方式
正三角形
折流挡板型式
上下
间距，mm
300
切口高度25%
壳体内径，mm
600
保温层厚度，mm
管程流体进出口接管
1407
壳程流体进出口接管接管
1145
六、设计评述
化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
这次化工原理课程设计是以小组为单位，然后组员各自进行相应的确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。
在换热器的设计过程中,我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点：
在计算方面，这是设计第一阶段的主要任务，数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段，这就需要我们具有极大的耐心。
从拿到原始设计数据到确定最终参数，持续了将近一周，确定需要求的参数，查质料找公式，标准值等，一步一步计算。
在查找资料方面，通过本次设计，我学会了根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，以及如何计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。
通过课程设计可以巩固对主体设备图的了解，以及学习到工艺流程图的制法。
对化工原理设计的有关步骤及相关内容有一定的了解。
通过本次设计熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解。
在设计的过程培养了大胆假设，小心求证的学习态度。
耐心、细心、决心——是本次课程设计最大的感受。
七、主要参考文献
[1]陈敏恒化工原理（上下册）（第二版）[M].北京：
化学工业出版社，2000.
[2]《换热器》兰州石油机械研究所主编，烃加工出版社,1986.
[3]《化工基础实验》福建师范大学化学与材料学院编，2010.
[4]《化工原理》夏清陈常贵主编，姚玉英主审，天津大学出版社,2005. [5]《化工设备机械基础》董大勤编，化学工业出版社（2006）
[6]《化工设备机械基础》第三册，化工设备机械基础编写组编，石油化学工业出版社,1978.
[7]《化工原理课程设计》贾绍义编，天津大学出版社，2002。
[8]《化工单元过程及设备课程设计》匡国柱，北京，化学工业出版社,2002.
[9]《常用化工单元设备设计》李功样陈兰英崔英德编，华南理工大学出版社,2003.
八、主要符号说明
P——压力，Pa;Q——传热速率，W；
R——热阻，㎡·℃/W；Re——雷诺准数；
S——传热面积，㎡；t——冷流体温度，℃；
T——热流体温度，℃；u——流速，m/s;
W——质量流量，㎏/s;——对流传热系数W/（㎡·℃）;——导热系数，W/（m·℃）——校正系数;
——粘度，Pa·s;——密度，㎏/m3;
——实际传热面积，Pr——普郎特系数
n——板数，块K——总传热系数，
V——体积流量N——管数
D——壳体内径d——管径
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