化工原理課程設計
設計題目：浮頭式換熱器的設計
指導教師李毅
學生姓名凌風
2010 年 10 月 20 日
浮頭式換熱器設計任務書
一、 設計題目：浮頭式換熱器的設計
二、 設計原始資料
操作條件：
①大豆油：入口溫度133℃，出口溫度40℃
②冷卻介質：迴圈水，入口溫度30℃，出口溫度40℃
③大豆油處理量：5000kg/h
④允許壓降：不大於1×105pa
⑤大豆油定性溫度下的物性資料：
根據液體相對密度共線圖查得86.5℃下大豆油的密度為：
=925 kg/m3
根據液體粘度共線圖得86.5℃下大豆油的粘度為：
=0.000850 pa/s
根據液體比熱容共線圖得86.5℃下大豆油的定壓比熱容為：
cp0 =2.052 kj/(kg·℃)
查表得86.5℃下大豆油的導熱係數為
=0.1559 w/(m·℃)
⑥迴圈冷卻水在定性溫度下的物性資料如下：
密度： =994 kg/m3
定壓比熱容：cpi =4.08 kj/(kg·℃)
導熱係數： =0.626 w/(m·℃)
粘度： =0.000725 pa/s
⑦每年按330天計算，每天24小時連續執行。
三、 裝置型式浮頭式換熱器
四、 設計任務
1. 編寫課程設計說明書
2. 設計計算列管式換熱器的管徑尺寸、管內流速、熱負荷、傳熱面積、管程數、管數、殼程數和接管尺寸等
3. 工藝流程圖及換熱器工藝條件圖
4. 設計評述
兩流體溫度變化情況：
入口溫度133℃，出口溫度40℃
迴圈水，入口溫度30℃，出口溫度40℃
本設計任務為煤油冷卻器的設計，兩流體在傳熱過程中無相的變化，該換熱器用迴圈冷卻水冷卻，冬季操作時進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用帶膨脹節的固定管板式換熱器；固定管板式換熱器結構比較簡單，製造簡單，製造成本低，管程可用多種結構，規格範圍廣，在生產中廣泛應用。因殼側不易清洗，故不適宜較髒或有腐蝕性的物流的換熱，適用於殼壁與管壁溫差小於70℃、殼程壓力不高並可用化學方法清洗的場合。
由於迴圈冷卻水較易結垢，為便於水垢清洗，應使迴圈水走管程，大豆走殼程。管徑選用φ19mm×2mm碳鋼管，取管內流速ui=0.5m/s。
定性溫度：可去流體進口溫度平均值
殼程大豆油的定性溫度為：
t= =86.5（℃）
管程迴圈水的定性溫度為：
t= =35（℃）
根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性資料。
油在86.5℃下的有關物性資料如下：
密度925 kg/
定壓比熱容 cp0=2.052kj/(kg.℃)
導熱係數 λo=0.1559w/（m.℃）
粘度o=0.000850
迴圈冷卻水在35℃下的物性資料：
密度i=994kg/
定壓比熱容 cpi=4.08kj/(kg.℃)
導熱係數 λi=0.626w/（m.℃）
粘度i=0.000725
q0= m0cp0t0=5000×2.052×103×(133-40)=954180(kj/h)=265.05（kw)
1.管程傳熱系數
2.殼程傳熱系數
假設殼程的傳熱系數
3.汙垢熱阻
4.管壁的導熱係數
λ=45（《化工原理》上冊，譚天恩主編，附錄四）
所以，總傳熱系數k
216.9
s===32.8（m）
考慮8％的面積裕度，換熱器才足夠安全，所以
s=1.08×s=1.08×32.8=35.4 （m）
選用φ19mm×2mm傳熱管（碳鋼），取管內流速ui=0.5 m/s
依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數
ns==75（根）
按單程管計算，所需的傳熱管長度為
l===7.9 （m）
按單管程設計，傳熱管過長，宜採用多管程結構。現取傳熱管長l=4.5m,則該換熱器管程數為
np==2（管程）
傳熱管的總根數 n=75×2=150（根）
按單殼程，雙管程結構，溫差校正係數應查有關圖表。但r = 9.3 的點在圖上難以讀出，因而相應以1/r代替r，pr代替p，查同一圖線，可得： =0.78
平均傳熱溫差： ==0.7837.2=29.0℃
採用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側採用正方形排列。取管心距t=1.25d0,則
t=1.2519=23.75≈24(㎜)
橫過管束中心線的管數
nc=1.1=1.1=14(根)
採用多程管結構，取管板利用率，則殼體內徑為
d=1.05t=1.05×24=368.9（㎜）
圓整可取 d=400㎜
採用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25％，則切去的圓缺高度為h=0.25×400=100（㎜）可取170mm
取摺流板間距b=0.3d，則
b=0.3×400=120（㎜）可取120mm
折流板數 n===37（塊）
折流板圓缺面水平裝配。
殼程流體進出口接管：取接管內苯流速u=0.8m/s,則接管內經為：d===0.049m
取標準管徑為100mm,管程流體進出口接管：取接管內迴圈水流速u=1.2m/s,則接管內徑為
d==0.083m
取標準管徑為80mm
（1）殼程對流傳熱系數對圓缺形折流板，可採用克恩公式
a0=0.36repr ()
當量直徑，由正三角形排列得
de===0.013（m）
殼程流通截面積
s0=bd(1-)=0.12×0.4×(1-)=0.01008（m）
殼程流體流速及其雷諾數分別為
u0==0.149（m/s）
re0==2432
普蘭特准數
pr==11.19
粘度校正 （）≈1
a0=0.36××24320.55×11.191/3=586（w/(㎡·℃)）
（2）管程對流傳熱系數
ai=0.023repr
管程流通截面積
si=0.785×0.015×=0.0132(㎡)
管程流體流速
u==0.495（m/s）
re==10180
pr==4.73
a=0.023101804.73=2873（w/(㎡·℃)）
(3)傳熱系數kk==
=316.2（w/（㎡·℃））
（4）傳熱面積s
s===28.9（㎡）
該換熱面積的實際傳熱面積s
s=l（n-n）=3.14 (4.5-0.045)×(150-14)=36.1(㎡)
該換熱器的面積裕度為
h=×100％==24.9％
可見傳熱面積裕度合適，所以該換熱器能完成生產任務
（1）管程流動阻力
=（）n
n=1， n=2，f=1.5
， 由re=10180，傳熱管相對粗糙度=0.005，查莫狄圖得=0.032w/㎡·℃,流速u=0.495m/s =994kg/m3,所以
=0.032×=1558.8（pa）
=3=365.4（pa）
=(1558.8+365.4)×1.5×2=5772.6 pa﹤105 pa
管程流動阻力在允許範圍之內。
（2）殼程阻力
n=1，
流速流經管束的阻力
f=0.5
re=5.02432=0.8452
n=14
n=37,u=0.149m/s
=2308.5（pa）
流體流過折流板缺口的阻力
b=0.12m ,d=0.40m
=1101.8（pa）
總阻力： =（2308.5+1101.5）=3410.3（pa）﹤105pa
殼程流動阻力也比較適宜。
表1-1換熱器主要結構尺寸和計算結果
1.鄭志祥，機械零件，高等教育出版社，1995.
2.林大鈞，化工機械設計製圖（下冊）科學出版社.
3.賀匡國，化工容器裝置簡明設計手冊.
4.各種網路資料.
p——壓力，paq——傳熱速率，w；
r——熱阻，㎡·℃/wre——雷諾準數；
s——傳熱面積t——冷流體溫度，℃；
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