南京工业大学列管式换热器材料工程原理课程设计剖析.docx
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南京工业大学列管式换热器材料工程原理课程设计剖析
南京工业大学
《材料工程原理B课程设计》
设计题目：
列管式换热器设计
专业：
高分子材料与工程
班
级：
浦高材
1203
学号：
23
姓名：
王逸飞
日期：
2014年
12月
22日
~2015年元月
05日
指导教师：
莫立武教授
设计成绩：
日期：
南京工业大学本科生课程设计
“列管式换热器设计”任务书
（一）设计题目
列管式换热器设计——混合气体处理能力226500kg/h
（二）设计任务及操作条件
为满足某生产需要，需将混合气体采用循环冷却水冷却，使混合气体的温
度从100℃冷却至48℃，已知混合气体的压力为6.9Mpa，循环冷却水的压力为
0.4Mpa，循环水入口温度25℃，出口温度42℃。
要求处理混合气体的流量为
226500kg/h，试设计一台列管式换热器，完成该设计任务。
（三）混合气体在各定性温度下的有关物性数据：
名称
密度ρ?
热容Cp?
导热系数λ?
粘度μ?
（kg/h）
（KJ/kg℃）
（w/m℃）
（Pa*S）
混合气体
90
3.297
0.0279
1.5*10
5
（四）循环冷却水在各定性温度下的有关物性数据：
名称
密度ρ?
?
热容Cp?
导热系数λ?
粘度μ?
（kg/m3）
（KJ/kg℃）
（w/m℃）
（Pa*S）
冷却水
994.30
4.174
0.624
0.679*10
3
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南京工业大学本科生课程设计
第一章概述
§1.1换热器的应用及主要类型····································4
§1.2列管式换热器的主要结构····································5
第二章列管式换热器工艺的设计及计算
§2.1设计方案初选··············································6
§2.2估算传热面积··············································6
§2.3工艺结构尺寸的设计········································8
第二章列管式换热器工艺设计的核算
§3.1传热能力的核算············································12
§3.2壁温的核算················································15
§3.3换热器内流体流动的阻力的核算······························16
第三章辅助设备的设计
§4.1管路系统原件的设计········································17
§4.2泵的设计·················································17
§4.3风机的设计···············································19
第四章列管式换热器设计一览表······································20第五章设计总结····················································21第七章参考文献····················································22第八章设计附图····················································23第九章答辩记录及评语··············································26
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南京工业大学本科生课程设计
第一章概述
§1.1换热器的应用
在工业生产中，为实现物料之间热量传递过程的设备统称为换热器。
它是
化工、冶炼、机械和其它许多工业广泛应用的一种通用工艺设备，特别是对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。
通常在化工厂的建设中，换热器的投资约占总投资的10~20%，在石油冶炼厂中约占全部工艺投资的40~50%。
换热器的类型随工业发展而扩大，早期的换热设备犹如制造水平和科学水平的限制，多有结构简单、换热面积小和体积较大等的特点，后来列管式换热器的诞生使其成为长期以来化工生产中使用的典型换热设备。
表1-1换热器的分类及主要性能比较
分类
名称
相对费用
耗用金属
最高操作压力
最高使用温度
（kg/m2）
（MPa）
（℃）
管
固定管板式
1
30
壳
浮头式
1.22
46
84
1000~1500
式
U型管式
1.01
填料函式
1.28
板
波纹板式
16
2.8
260~360
式
螺纹板式
0.6
50
4.0
1000
板翘式
16
5.7
-269~500
管
蛇管沉浸式
100
100
式
喷淋式
0.8~1.1
60
10
套管式
0.8~1.4
150
100
800
空冷式
0.8~1.8
箱管式
0.5~0.7
100
其它
板壳式
24
6.4
800
4
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§1.2列管式换热器的主要结构
管壳式换热器（列管式换热器）适用于冷却、冷凝、加热、换热、再沸、蒸发和废热回收等方面。
由于其具有结构牢、操作弹性大、可靠程度高、适应性强、使用范围广等优点，在工程上使用广泛，特别是在高温高压下。
只有当流量小、
压力与温度低，特别是物流对碳钢具有腐蚀性或粘度很高时选用板式换热器，如果流量小，但压力或温度较高时选用套管式换热器。
而具体的选用则需要综合多种因素择优选择。
常用列管式换热器的基本构型有一下几种。
（1）固定管板式换热器换热管束固定在两块管板上，管板又分别焊在外壳的
两端，管子、管板和壳体都是刚性连接。
当管壁与壳壁的壁温相差大于50℃时，
为减小或消除温差产生的热应力，必须设有温差补偿装置，比如波形膨胀节。
固定管板式换热器结构较简单，制造成本低，管程可用多种结构，规格范围广，在
生产中广泛应用。
因壳侧不易清洗故不适宜较脏或有腐蚀性的物流的换热，适用于壳壁与管壁温差小于70℃、壳程压力不高、壳程结垢不严重、并且可以用化
学方法清洗的场合。
（2）浮头式换热器一端管板与壳体固定，另一端管板可以在壳体内自由浮
动。
壳体与管束对热膨胀是自由的，因而壳体与管束之间无温差应力。
为了浮头部分便于检修、安装和清洗，浮头端常常设计成可拆卸结构，安装时要保证浮头的密封，否则操作时无法知道内浮头端是否泄漏。
浮头式换热器的应用比较普遍，
但结构复杂，相对费用较高
（3）U形管式换热器管束弯成U形，两端固定在同一块管板上，壳体与管束分开，仅有一块管板，无浮头，可以不考虑温差补偿。
U形管式换热器结构简单，管束可以从壳体内抽出，便于管外清洗。
但管内清洗困难，故管内必须是清洁和不易结垢的物流。
管束中心存在空隙，流体易走短路从而影响传热效果。
管板上排管数较少，U形管不能互换，结构不紧凑。
（4）填料函式换热器浮头部分与壳体采用填料函密封。
一是把填料函设置在浮头端的接管处；二是把填料函设置在管板处；三是把浮头伸出空调外设置成外填料函式。
填料函式换热器具有浮头式的优点，又克服了固定管板式的缺点，制造方便，
易于检修清洗。
但是由于填料函密封性能的限制，目前只用于直径700mm以下
5
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的换热器，大直径很少采用，尤其在操作压力和温度较高时就更少采用。
壳程内
不宜走易挥发、易燃、易爆及有毒物流。
第二章列管式换热器的设计及计算
§2.1设计方案初选
一、选择换热器类型
考虑制造费用、操作具体条件要求、维护费用及清洗的难易程度的因素，初步选择固定管板式换热器（后续计算表明应该选择浮头式）。
二、流程安排
流程的安排应该考虑到一下原则：
1.易结垢的流体应走易清洗的一侧。
2.有时在设计上要提高流体的流速来提高传热膜系数，在这种情况下应将需提高流速的流体放在管程。
3.具有腐蚀性的流体应走管程。
4.粘度大的流体应走壳程。
需要指出的是，以上要求常常不能同时满足，故在设计中应该考虑其主要问题。
根据本次实验的要求，由于冷却水容易结垢，为便于清洗，应使水走管程，
混合气体走壳程。
从热交换角度，混合气体走壳程可以与空气进行热交换，增大传热强度。
选用Φ25×2.5mm的10号碳钢管。
三、确定物性数据
壳程混合气体的定性温度
T：
T?
=100℃T?
=48℃T=（T?
+T?
）/2=74℃
管程冷却水的定性温度
t：
t?
=25℃t
?
=42℃t=（t?
+t?
）/2=33.5℃
各物性数据如表2.1
名称
密度ρ?
热容Cp?
导热系数λ?
粘度μ?
（kg/h）
（KJ/kg℃）
（w/m℃）
（Pa*S）
混合气体
90
3.297
0.0279
1.5*10
5
名称
密度ρ?
?
热容Cp?
导热系数λ?
粘度μ?
（kg/m3）
（KJ/kg℃）
（w/m℃）
（Pa*S）
冷却水
994.30
4.174
0.624
0.679*
10
3
§2.2估算传热面积
一、换热器的热负荷
换热器的热负荷是指在确定的物流进口条件下，使其达到规定的出口状态，
冷流体和热流体之间所交换的热量，或是通过冷、热流体间壁所传递的热量。
在热损失很小，可以忽略不计的条件下，对于无相变的工艺物流，换热器的热负荷由下式确定：
6
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Q?
=m1cp1t1
式中
Q?
----热负荷，kJ/h；
m?
----工艺流体的质量流速，kg/h；
cp1
----工艺流体的热容，kJ/kg℃；
t1
----工艺流体的温度变化，℃
*由上式计算本次列管式换热器设计的热负荷：
Q?
=m1
c
p1
t1
=226500×
×（100－48）
3.297
=38832006kJ/h
=10787kw
二、冷却剂的用量
冷却剂的用量取决于工艺流体所需的热量及冷却剂的进出口温度，此外还与设备的热损失有关。
而对于流体被冷却的情况，工艺流体所放出的热量等于冷却剂所吸收的热量与热损失之和，在实际设计中，为可靠起见，常可忽略热损失，以下式计算冷却剂用量：
Q1
m2
cp2t2
式中m2----------冷却剂用量，kg/h；
cp2----------冷却剂热容，kJ/kg℃；
t2----------冷却剂进出口温度的变化，℃
*由上式计算本次列管式换热器设计的冷却剂用量：
10787103
m2=4.174103（42—25）
=152.01kg/s=547270kg/h
三、平均传热温差
平均传热温差是换热器的传热推动力，其值不仅和进出口温度有关，而且与换热器内两种流体的流型有关。
对于逆流和并流，平均温差均可用换热器两端流体温度的对数平均温差表示，即：
t1－t2
tm
lnt1
t2
式中tm-------逆流
或并流的平均传热温差，℃；
7
列管式换热器中不GB8163—8（碳钢）
南京工业大学本科生课程设计
图2-1
逆流：
t1
=T?
－t2
t2=T?
－t1
并流：
t1
=T?
－t1
t2=T?
－t2
*按逆流计算本次列管式换热器设计的平均传热温差：
t1－
t2
（100
－42）－（48－25
）
tm
=
（100－42
）
37.8℃
ln
t
1
ln
）
（48－25
t2
四、传热面积
对于传热面积的估算可根据流体的具体情况，参考换热器传热系数的大致范围选取合适的K值，然后利用传热速率方程式，初步确定所需的传热面积：
AQ1
Ktm
式中A-----------估算的传热面积，m2；
K-----------选取的传热系数，w/m2℃；
tm--------平均传热温差，℃
Q1----------换热器的热负荷，kw
考虑到估算性质的影响，常取传热面积为计算值的1.5~1.15倍。
*根据本次设计的要求，查列管式换热器用作冷却器时的K值范围表选择总的传热系数K=350wm2/℃
按逆流估算本次列管式换热器设计的
传热面积：
A
Q1
=
10787103
Ktm
35037.8
=815.3m2
§2.3工艺结构尺寸的设计
一、选择管径及管内流速
若选择较小管径，管内传热膜系数可以提高，而且对于同样传热面积来说可以减小壳体直径。
但管径小，流动阻力大，机械清洗困难，设计时可根据具体情况选用合适的管径。
根据本次设计要求及查常用换热管的规格和尺寸偏差表、同粘度液体的最大流速表以及列管式换热器常用流速，选择
252.5取管内流速u11.3m/s
二、选择管长、确定管程数和总管数
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选定管径和管内流速后，可由下式确定单程管数：
V
n1
d12u
4
式中
n1------单程管数目；
V------管程的体积流量，m3/s；
d1------传热管内径，m；
u-------管内流体流速，m/s
可得单程换热器的管长如下：
A
L
n1d0
式中
L------按单程计算的管长，m；
A------估算的传热面积，m2；
d0-----管外径，m
如果按单程计算的管太长，则应该采用多程管，此时应按实际情况选择每程管的长度。
在选取管长时应注意合理利用材料，还要使换热器具有适宜的长径比。
列管式换热器的长径比可在4~25范围内，一般情况下为6~10。
确定了每程管子长度后即可求的管程数：
L
Np
l
式中L--------按单程计算的管长，m；
L--------选取的每程管长，m；
Np------管程数（必须取整数）
则换热器的总管数为：
NTNpn1
式中NT-------换热器总管数
*由上式分别计算本次列管式换热器设计的管程数和传热管数：
n1
V
152.01/994.30
=374.3=375（根）
=
2
d12u
0.785（0.02）1.3
4
按单程管计算所需的传热管长度：
L
A
815.3
=
=27.7m
n1
d0
3.140.025375
因此按单程管设计时传热管过长，宜采用多程管结构。
根据本次设计的实际情况，去传热管长l=7m，则该换热器的管程数为：
Np
L=
27.7
=4（管程）
l
7
传热管总数NT=375×4=1500（根）
三、平均传热温差校正及壳程数
换热器的平均传热温差由下式计算：
热流体的温降
T1
T2
冷流体的温升
t2-t1
R
t2
t1
P
T1t1
冷流体的温升
两流体最初温差
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其中温差校正系数t与流体的进出口
温度有关，也与换热器的壳程数及管程数有
关（t值可查温差校正系数图）。
而一般
要求t值不得低于0.8，否则会出现温度交
叉或温度逼近的情况，此时应该采用多壳程
结构的换热器或多台换热器串联。
*本次列管式换热器设计平均传热温差的计算：
R
100
48=3.0
42
25
0.227
P
25
42
25
100
按单壳程，双管程，查温差校正系数图得
t=0.91
平均传热温差：
tm
ttm逆=
0.93
37.8=35.2℃
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。
四、管子排列
换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。
（a）正方形直列（b）正方形错列（c）三角形直列
（d）三角形错列（e）同心圆排列
正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗。
对于多管程换热器，
常采用组合排列方式。
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。
管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。
管板与管子的连接可胀接或焊接。
*本次列管式换热器的设计采用组合排列法，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t1.25d01.252532（mm）
t
隔板中心到距离其最近一排管中心距离的计算：
S622（mm）
2
即各程相邻的管心距为222=44（mm）管束的分程方法，由于每程各有传热管375根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按如图选取。
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五、壳体内径
采用多管程换热器壳体的内径由下式计算：
D1.05tNT
式中NT------传热管数目
---------管板利用率（正三角形排列，2管程，=0.7~0.85）
需要指出的是，由此计算的内径仅做参考，内径的可靠确定方法是按比例在管板上画出隔板位置并进行排管，以此确定内径。
*本次列管式换热器设计中取管板利用率=0.75，则有：
D1.05tNT
1.05321500/0.751502.（6mm）
按卷制壳体的金级挡，考虑到管板利用率为0.75，取D=1500（mm）
六、折流板
安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板
图2-2
的形状和间距必须适当。
折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。
常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。
切去的弓形高度约
圆缺
.圆盘
形
形
为外壳内径的10～40％，一般取25％，过高或过低都不利于传热。
*本次列管式换热器设计的折流板取圆缺形，圆缺的高度为壳体内径的25%即：
h25%1500375（mm）
折流板间距B=0.3D=0.3×1500=450（mm）
折流板数NB
传热管长
—1
7000—114.514（块）
折流板间距
450
七、其它主要附件及接管
拉杆数量与直径可查《拉杆直径与拉杆数表》选取
*本次列管式换热器设计的内径为1500mm故其拉杆直径为16mm，拉杆数量不得少于10个。
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在壳程入口处应该设置防冲挡板，如图2-3
图2-3
换热器流体进出口接管不宜采用轴向接管，但如果必须采用轴向接管时，应考虑设置管程缓冲挡板，而接管直径取决于处理量和适宜的流速，同时还应考虑结构的协调性及强度要求。
*本次列管式换热器设计中，对于壳程流体进出口接管，若取接管内流速为
u110m/s，则接管内径为：
4V
4
226500/（3600
90）
0.298（m）
D1
3.14
10
u1
对于管程流体进出口接管，若取管内流体流速
u22.5m/s则接管内径为：
4
547270/（3600
994.3）
0.312（m）
D2
3.14
2.5
圆整后，取壳程流体进出口接管规格为400mm20mm，取管程流体进出口接管规格为350mm10mm
第三章列管式换热器工艺设计的核算
§3.1传热能力的核算
核算的目的在于验证所设计的换热器是否能打到规定的热负荷，并留有一定的传热面积裕度。
1、壳程流体传热膜系数的核算
克恩提出的对于采用圆缺形折流板时壳程流体的传热膜系数的计算式为：
a00.36Re0.55Pr1/3（0）0.14
dew
式中0-----管外传热膜系数，w/m2℃；
------壳程流体的导热系数，w/m℃
de--------当量直径，m；
Re--------管外流动雷诺数；
Pr---------普兰特常数，取定性温度下的值
---------流体定性温度下的粘度，Pas；
w--------流体壁温下的粘度，Pas
而当量直径de随管子的布置方式而变化，对于采用三角形排列的情况：
12
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4（3t2
πd0
）
4
de
2
4
πd0
式中
t--------管间距，
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