换热器课程设计

列管式换热器设计任务书

一． 确定设计方案

1． 选择换热器的类型

两流体温的变化情况：热流体进口温度110℃ 出口温度60℃；冷流体进口

温度29℃，出口温度为39℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，

其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度

之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。

2． 管程安排

从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于

循环冷却水较易结垢，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，应使循环水走管程，混和气体走壳程。

二．确定物性数据

定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温

度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为

T= 85℃

管程流体的定性温度为

t= 34℃

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说，

最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分

的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。

混和气体在35℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：

密度

定压比热容 =3.297kj/kg℃

热导率 =0.0279w/m

粘度 =1.5×10-5Pas

循环水在34℃ 下的物性数据：

密度 =994.3㎏/m3

定压比热容 =4.174kj/kg℃

热导率 =0.624w/m℃

粘度 =0.742×10-3Pas

三．估算传热面积

1． 热流量

Q1=

=227301×3.297×(110-60)=3.75×107kj/h =10416.66kw

2.平均传热温差 先按照纯逆流计算，得

=

3.传热面积 由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设

K=320W/(㎡k)则估算的传热面积为

Ap=

4.冷却水用量 m=

四． 工艺结构尺寸

1．管径和管内流速 选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速

u1=1.3m/s。

2．管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数

Ns=

按单程管计算，所需的传热管长度为

L=

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采

用非标设计，现取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为

Np=

传热管总根数 Nt=612×2=1224

3.平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数按式有 R=

P=

按单壳程，双管程结构

平均传热温差 ℃

由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程

合适。

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t=1.25d0，则 t=1.25×25=31.25≈32㎜

隔板中心到离其最.近一排管中心距离计算

S=t/2+6=32/2+6=22㎜

各程相邻管的管心距为44㎜。

管数的分成方法，每程各有传热管612根，其前后关乡中隔板设置和介质的

流通顺序按图3-14选取。

5．壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按估算。取管板利用率η=0.75 ，

则壳体内径为

D=1.05t

按卷制壳体的进级档，可取D=1400mm

6．折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则

切去的圆缺高度为

H=0.25×1400=350m，故可 取h=350mm

取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3×1400=420mm，可取B为450mm。

折流板数目NB=

折流板圆缺面水平装配。

7．其他附件

拉杆数量与直径，本换热器壳体内径为1400mm，故其拉杆直径为Ф12拉杆

数量不得少于10。

壳程入口处，应设置防冲挡板。

8．接管

壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u1=10m/s，则接管内径为

圆整后可取管内径为300mm。

管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为

圆整后去管内径为360mm

五． 换热器核算

1． 热流量核算

（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算。

当量直径，得

=

壳程流通截面积， 得

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普朗特数

粘度校正

（2）管内表面传热系数 有

管程流体流通截面积

管程流体流速

普朗特数

（3）污垢热阻和管壁热阻 ，可取

管外侧污垢热阻

管内侧污垢热阻

管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为50w/(m•K)。所以

（4） 传热系数 有

（5）传热面积裕度 可得所计算传热面积Ac为

该换热器的实际传热面积为Ap

该换热器的面积裕度为

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

2． 壁温计算

因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式3-42计算。由于该换

热器用循环水冷却，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15℃，出口温度为39℃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，按式4-42有

式中液体的平均温度 和气体的平均温度分别计算为

0.4×39+0.6×15=24.6℃

(110+60)/2=85℃

5887w/㎡•k

925.5w/㎡•k

传热管平均壁温

℃

壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=85℃。壳体壁温和传热

管壁温之差为 ℃。

该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需

选用浮头式换热器较为适宜。

3．换热器内流体的流动阻力

（1）管程流体阻力

由Re=35002，传热管对粗糙度0.01，查莫狄图得 ，流速u=1.306m/s,

所以管程流体阻力在允许范围之内。

（2）壳程阻力 按式计算

流体流经管束的阻力

F=0.5

0.5×0.2419×38.5×(14+1)× =75468Pa

流体流过折流板缺口的阻力

, B=0.45m , D=1.4m

Pa

总阻力

75468+43218=1.19× Pa

由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适

宜。

（3）换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：

参数 管程 壳程

流率 898560 227301

进/出口温度/℃ 29/39 110/60

压力/MPa 0.4 6.9

物性 定性温度/℃ 34 85

密度/（kg/m3） 994.3 90

定压比热容/[kj/（kg•k）] 4.174 3.297

粘度/（Pa•s） 0.742×1.5×

热导率（W/m•k） 0.624 0.0279

普朗特数 4.96 1.773

设备结构参数 形式 浮头式 壳程数 1

壳体内径/㎜ 1400 台数 1

管径/㎜ Φ25×2.5 管心距/㎜ 32

管长/㎜ 7000 管子排列 △

管数目/根 1224 折流板数/个 14

传热面积/㎡ 673 折流板间距/㎜ 450

管程数 2 材质 碳钢

主要计算结果

管程 壳程

流速/（m/s） 1.306 4.9

表面传热系数/[W/（㎡•k）] 5887 925.5

污垢热阻/（㎡•k/W） 0.0006 0.0004

阻力/ MPa 0.04325 0.119

热流量/KW 10417

传热温差/K 48.3

传热系数/[W/（㎡•K）] 400

裕度/% 24.9%

六． 参考文献：

1． 刘积文主编，石油化工设备及制造概论，哈尔滨；哈尔滨船舶工程学院出版 社，1989年。

2． GB4557.1——84机械制图图纸幅面及格式

3． GB150——98钢制压力容器

4． 机械工程学会焊接学会编，焊接手册，第3卷，焊接结构，北京；机械工业

出版社 1992年。

5． 杜礼辰等编，工程焊接手册，北京，原子能出版社，1980

6． 化工部六院编，化工设备技术图样要求，化学工业设备设计中心站，1991

年。