热水冷却器的设计

华东交通大学

课程设计说明书

设计题目：热水冷却器的设计

学 院： 基础科学学院

专业班级： 应用化学一班

学生姓名： 王业贵

学 号：

指导教师： 周枚花老师

完成日期： 2013.6.28

目录

任务书 .............................................................................................................................................. 3

一、设计题目： ....................................................................................................................... 3

二、设计目的： ....................................................................................................................... 3

三、设计任务及操作条件 ....................................................................................................... 3

四、设计内容 ........................................................................................................................... 3

五、课程设计说明书的内容 ................................................................................................... 4

六、主要参考书 ....................................................................................................................... 4

七、设计时间 ..................................................................................................................... 4

前言 .................................................................................................................................................. 5

一、设计方案简介 ........................................................................................................................... 6

1.1换热器的选择 ..................................................................................................................... 6

1.2设计概述............................................................................................................................. 7

1.3设计方案............................................................................................................................. 7

1.4管程安排............................................................................................................................. 8

二、确定物性数据 ........................................................................................................................... 8

三、主要工艺参数计算 ................................................................................................................... 9

3.1热负荷................................................................................................................................. 9

3.2平均传热温差 ..................................................................................................................... 9

3.3冷却水用量 ......................................................................................................................... 9

3.4初算传热面积 ..................................................................................................................... 9

3.5工艺结构尺寸 ................................................................................................................... 10

3.5.1管径和管内流速 .................................................................................................... 10

3.5.3平均传热温差校正及壳程数 ................................................................................ 10

3.5.4传热管排列和分程方法 ........................................................................................ 11

3.5.5壳体直径 ................................................................................................................ 11

3.5.6折流板.................................................................................................................... 11

3.5.7接管........................................................................................................................ 12

四、压降核算 ................................................................................................................................. 12

4.1传热面积校核 ................................................................................................................... 12

4.1.1管程传热膜系数 .................................................................................................... 12

4.1.2壳程传热膜系数 .................................................................................................... 13

4.1.3污垢热阻和管壁热阻 ............................................................................................ 14

4.1.4总传热系数K......................................................................................................... 14

4.1.5传热面积校核 ........................................................................................................ 14

4.2换热器内压降的核算 ....................................................................................................... 15

4.2.1管程阻力 ................................................................................................................ 15

4.2.2壳程阻力 ................................................................................................................ 16

五、主要结构尺寸和计算结果 ..................................................................................................... 17

六、心得体会 ................................................................................................................................. 18

七、参考文献 ................................................................................................................................. 18

八、附图（工艺流程、主体设备工艺条件图） ......................................................................... 18

任务书

一、设计题目：

热水冷却器的设计

二、设计目的：

通过对热水冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构

特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择

流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。

三、设计任务及操作条件

1.处理量4.4104t/a热水

2.3.操作条件

（1）热水：入口温度80 ℃，出口温度 55 ℃

（2）冷却介质：循环水，入口温度 25 ℃，出口温度 37 ℃

（3）允许压降：不大于105Pa

（4）每年按330天计，每天24小时连续运行。

4.建厂地址：江西地区

四、设计内容

（1）设计计算列管换热器的热负荷、传热面积、换热管、壳体、管板、封头、

隔板及接管等。）

（2）绘制列管式换热器的装配图。

（3）编写课程设计说明书。

五、课程设计说明书的内容

设计说明书中应包括所有论述、原始数据、计算、表格等，编排顺序如下：

（1）标题页；

（2）设计任务书；

（3）目录；

（4）设计方案

1.选择换热器的类型

2.管程安排

（5）确定物性数据

（6）主要工艺参数计算（热负荷，平均温差、总换热系数、换热面积等）；

（7）压降计算；

（8）设计结果概要或设计一览表

（9）附图（工艺流程简图、主体设备工艺条件图）；

（10）参考文献；

六、主要参考书

1.钱颂文主编，《换热器设计手册》，化学工业出版社，2002.

2.贾绍义，柴诚敬等，《化工原理课程设计》，天津大学出版社，1994.

3.匡国柱，史启才等《化工单元过程及设备课程设计》，化学工业出版社，2002.

4.王志魁主编，《化工原理》，化学工业出版社，2004.

5.姚玉英主编，《化工原理》天津大学出版社，1992.

6.陈恒敏，丛德兹等《化工原理》（上、下册）（第二版），北京：化学工业出版

社，2000.

7.何潮洪等编，《化工原理》，科学出版社，2001年。

七、设计时间 一周

前言 换热器是化学，石油化学及石油炼制工业以及其它一些行业中广泛使用的热量交

换设备。

它不仅可以单独作为加热器，冷凝器使用而且是一些化工单元操作的重要附属设

备。

因此在化工生产中占有重要的地位。

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 。主要的换热器有：

1． 固定管板式换热器：

2． 浮头式换热器：

3． U型管式换热器：

4. 填料函式换热器：

这次的化工原理课程设计，热水冷却器的设计。通过对热水冷却的列管式换热器设计，

了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原

理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。

通过这次课程设计，养成科学探索精神，细心钻研，自己动手设计，理论联系实际，

并进一步熟练相关的软件，Microsoft office，ChemBioOffice，Origin85，AutoCAD2008等。

一、设计方案简介

1.1换热器的选择 列管式换热器是目前化工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。

列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主

要有以下几种：

1． 固定管板式换热器：

这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。

此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有

顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管

束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种

不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不

同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至

毁坏换热器。

为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度

相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨

胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。

一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的

作用，就应考虑其他结构。。

2． 浮头式换热器：

换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，

以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称

之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，

以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，

不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，

造价高。

3． U型管式换热器：

U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，

每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可

以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换

困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压

条件。

4. 填料函式换热器：

这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮

头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易

爆和有毒的介质。

热流体进口温度80℃，出口温度55℃；

冷流体进口温度25℃，出口温度37℃。

换热器用循环冷却水（自来水）冷却，冬季操作时进口温度会降低，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，因此初步确定用浮头

式换热器。

1.2设计概述

根据估算数据，先选取一比估算面积稍大的换热器，然后进行换热器换热面

积的校核及管程、壳程的阻力压降，逐步调节折流挡板间距等措施，最终使所选

取的换热器符合要求，同时要认真总结经验，为以后做准备。

本设计是在给定部分任务和条件下，估算所需换热器的换热面积，然后选择

一标准列管换热器，再对换热器进行验证，符合要求者合格。

估算K值大小，应首先估计对流传热系数较小一侧的对流传热系数。

设计换热设备既要考虑设备费用，也就是既要使阻力降不能太高，也不能使

传热面积较大，使管程的冷却水有一个合适的流速 。

设计中应注意的几点：恰当估算换热面积；正确选取换热器的型号；认真校

核换热面积及阻力压降。

1.3设计方案

1) 估算所需要的换热面积，选取一个合适的换热器。

2) 校核传热面积及管程、壳程的压力降。 3) 结果汇总及评述。

4) 符号说明、参考文献及附图。

1.4管程安排

在列管式换热器设计中，冷、热流的流程，进行合理安排，一般应考

以下原则。

①易结垢流体应走易于清洗的侧.对于固定管板式、浮头式换热器，

一般应使易结垢流体流经管程，而对于l一I钾换热器，易结垢流体应走

壳程、

③有时在设计上需要提高流体的速度，以提高其表面传热系数，在这

种情况下，应将需要提高流速的流体放在管程。这是因为管程流通截面积一

般较小，且易于采用多用管程结构以提高流速.

③其有腐蚀性的流体应走管程，这样可以节约耐腐蚀材料用降低

换热器成本:，

④压力高的流体应走管程。这是因为管子直径小，承压能力强，能够

避免采用耐压的壳体和密封措施。

⑤具有饱和蒸汽冷凝的换热器，应使饱和蒸汽走壳程，便于排出冷

凝液。，

⑥粘度大的流体应走壳程，因为壳程内的流体在拆流板的作用下，流

通截面和方向都不断变化，在较低的雷诺数下就可达揣流状态。

应该说明的是，上述要求常常不能同时满足，在设计中应考虑其中的主要问

题，首先满足其中较为重要的要求。由于当液体温度升高时，粘度随着减小，故

有循环水走壳程，因为壳程内的流体在拆流板的作用下，流通截面和方向都不断

变化，在较低的雷诺数下就可达揣流状态。在两流体的粘度力看，应该使热水走

管程，循环冷却水走壳程，但是由于循环冷却水易结垢，若其流速太低，将会加

快污垢的增长速率，使换热器热流量下降，所以，从总体考虑，应该使热水走壳

程，循环冷却水走管程。

二、确定物性数据

定性温度：壳程热水的定性温度为

8055T67.5℃ 2

管程循环冷却水的定性温度为

2537t31℃ 2

已知循环水在31℃下的物性参数为：密度995.3k7gm/3，黏度

47.84010pas，比热Cp=4.174KJ/kg.℃，热导率λ=61.810-2W/(m.k)

又知67.5℃热水下的物性参数密度977.8kg/m3，黏度

Cp=4.187KJ/kg.℃，热导率λ=66.810-2W/(m.k) 4.1744p1a0，比热s

三、主要工艺参数计算

3.1热负荷

qmgh4.4104t/a330245555.55kg/h

QqmghCmghT5555.5554.187(8055)5.81105kJ/h

Q161.38kW

3.2平均传热温差

tmt1t28055372517.71 1lnln3725t2

3.3冷却水用量 qmsQT161.381033.22kg/s11592kg/h CPct4.174103(3725)

3.4初算传热面积

由于壳程热水的压力较高，故可选取较大的K值，假定总传热系数

K=700w/(m2℃)

QT161.383102 S估= 13.m01Kgtm70017.71

3.5工艺结构尺寸

3.5.1管径和管内流速

选25×2.5mm碳钢管，取管内流速为1.3m/s。

3.5.2管程数和传热管数

根据传热管内径和流速确定单程传热管数：

Ns4qvdi211592/3600995.377.928(根） 0.7850.0221.3

按单程管计算，所需要的传热管的长度为：

LS估

d0Ns13.0120.7m 3.140.0258

管程数：按单程管设计传热管太长，采用多管程结构，现取传热管长l4.5m NpL20.74.64 l4.5

（根）传热管总根数： n84=32

3.5.3平均传热温差校正及壳程数

平均温差校正系数：

Pt2t13725TT80550.218 R122.08 T1t18025t1t23725

按单壳程，双管程结构，查得t0.975

'平均传热温差：tmttm0.97517.7117.26℃

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。

3.5.4传热管排列和分程方法

采用正三角形排列，取管心距

Pt1.25d0，则

Pt1.252531.2532mm 隔板中心到离其最近的一排管中心距离为：

Z

pt326622mm 22

各程相邻管心距为2Z=44mm。

3.5.5壳体直径

采用多管程结构，进行壳体直径估算，取管板利用率为η=0.8，则壳体直径为：

D1.051.0532212.5mm 按卷制壳体的50mm进级档，可取D=250mm

3.5.6折流板

采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20％，则切去的圆缺高度为：

h=0.2×250=50mm

取折流板间距B=0.3D (0.2D

B=0.3×250=75mm

折流板数目：NB

传热长度5000

-1-165.665

折流板间距

75

3.5.7接管

壳程流体进出口接管：取接管内热水的 流速为12m/s，则接管的内径为：

D1



0.031m

取整后取管内内径为350mm。

管程流体进出口接管：取接管内循环冷却水的流速为

23m/s，则接管内径为：

D2

0.037m

取整后取管内直径为400mm。

四、压降核算

4.1传热面积校核 4.1.1管程传热膜系数

i0.023

管程流体流通截面积：

Si



di

Re0.8Pr0.3



4

0.022

32

5.02103m2 2

管程流体流速：

i

雷诺数：

Re

11592/3600995.37

0.64m/s

5.02103

du





0.02995.370.64

16256.3

0.784103

普朗特数：

4.1741030.784103

Pr5.29

0.618

Cp

i0.023

0.6182

16256.30.85.290.32738.6W/mc 0.02

4.1.2壳程传热膜系数



00.36'Re00.55Pr0dew

1

3

1

0.4

管子按正三角形排列，传热当量直径：

2240.0320.025

40.045 '

de

3.140.025

壳程流通面积：

d025

S0hD15010-325010-310.002734m2

32pt

壳程流体流速：

0

雷诺数：

5555.55/3600977.8

0.58m/s

0.002734

Re0

d0u





0.02977.84.5

210833

0.4174103

普朗特数：

4.1871030.4174103

Pr02.616

0.668



黏度校正：

w



0.14

Cp

0.95

1

0.6180.55

00.362108332.61630.958875.5

0.045

4.1.3污垢热阻和管壁热阻

管外侧污垢热阻：R01.7197104m2 ℃/W 管内污垢热阻： Ri1.7197104m2 ℃/W 碳钢在此条件下的热导率为：50W/m·℃ 已知管壁厚度为：b0.0025m。

4.1.4总传热系数K

平均直径：

dm

d0di0.0250.02

0.0224 d00.025

lnln

0.02di

K

1

0Ri00R0idididm0



12

988.3W/m℃0.0250.0250.00250.0251

1.71971041.7197104

2738.60.020.02500.02248875.5

4.1.5传热面积校核

所计算的传热面积是：

QT161.38103

S9.22m2

Ktm988.217.71

'

换热器的实际传热面积是：

Sd0lNT3.140.0254.53211.304m2

换热器的面积裕度为：

S11.3041.221.25 'S10.05

由于H

ApAc

Ac



11.304-9.22

0.226=22.6%15%:25%

9.22

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

4.2换热器内压降的核算 4.2.1管程阻力

pip1p2NsNpFs

Ns1Np4 Ft1.5

li2

P1

d2

由Re=12949.5，传热管相对粗糙度为0.01，参考图Re双对数坐标图得 λ=0.043，流速i0.51m/s，

995.37kg/m3

4.5995.370.512

P1135.9Pa 10.039

0.022995.370.512

P233388.34Pa

22

i2

Pi1135.9388.3141.59145.2Pa0.035MPa

管程流体阻力在允许范围之内。

4.2.2壳程阻力

''P0P1P2FtNs



Ns1Ft1.15

流体流经管束的阻力：

P1'Ff0ncNB1

其中：

0

2

F0.5

0.228

f05.0Re05.02108330.2280.305

nc1.16.22NB65

00.58

则：

977.80.582

P0.50.3056.2265110296.3Pa

2

'1

流体流过折流板缺口的阻力：

2h

PNB3.50

D2

'

2

2

其中：

h0.075mD0.25m

则：

20.075977.80.58

P653.5213830.6Pa 

0.252

'

2

2

总阻力：

''

P0P1P2FtNs10296.3213830.61.1536128.09Pa0.25MPa

管程流体阻力在允许范围之内。

五、主要结构尺寸和计算结果

六、心得体会

通过一周的课程设计，让我们对化工原理有了更多的了解，对这门学科也有了更深的了解。我觉得课程设计时让我们更好的去理解一门学科，也是让我们能更好的去了解我们到底学到了什么东西。学会了什么东西，课程设计一开始，我觉得茫然，不知道要去做什么，也不知道我们做成什么，不过一点一点慢慢来，当图纸画满线条的时候，觉得自己是成功的，成功的完成了绘图，成功的学到了以前认为不重要的东西，生活中的好多事要我们去学习的，从一点一滴的学习当中我们能感到自己的成长，也能不断地充实自己。做每一件事情的时候，我们应该认真，应该多动动脑子，这样才能劳有所获，以后的生活中，我应该注重这些，这样才能有所成就。此次设计让我们学习了更多化工原理基础知识，培养了化工设计能力，通过这一实践教学环节的训练，使我掌握化工设计的基本方法，熟悉查询和正确使用技术资料，能够在独立分析和解决实际问题的能力方面有较大提高，增强了我的工程观念和实践能力。

七、参考文献

1.钱颂文主编，《换热器设计手册》，化学工业出版社，2002. 2.贾绍义，柴诚敬等，《化工原理课程设计》，天津大学出版社，1994. 3.匡国柱，史启才等《化工单元过程及设备课程设计》，化学工业出版社，2002. 4.王志魁主编，《化工原理》，化学工业出版社，2004. 5.姚玉英主编，《化工原理》天津大学出版社，1992. 6.陈恒敏，丛德兹等《化工原理》（上、下册）（第二版），北京：化学工业出版社，2000. 7.何潮洪等编，《化工原理》，科学出版社，2001年。

八、附图（工艺流程、主体设备工艺条件图）