目录

一、设计意义---------------------------------------------------------------3

二、主要参数说明---------------------------------------------------------3

三、设计计算---------------------------------------------------------------5

1、确定设计方案--------------------------------------------------------- -5

2、确定物性数据--------------------------------------------- -------------5

3、计算总传热系数--------------------------------------------------------5

4、计算传热面积-----------------------------------------------------------6

5、工艺结构尺寸-----------------------------------------------------------6

6、换热器核算--------------------------------------------------------------8

1）热量核算-------------------------------------------------------------9

2）换热器内流体的流动阻力--------------------------------------- 9

3）换热器主要结构尺寸和计算结果总表------------------------10

7、选用一台合适的离心泵---------------------------------------------- 11

四、参考文献---------------------------------------------------------------13

一．设计意义

   在食品工业中的加热、冷却、蒸发和干燥的单元操作中，经常见到食品物料与加热或冷却介质间的热交换，而用于进行热交换的设备称为换热器。换热器还广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业。在众多类型的换热器结构中，管壳式换热器应用最为广泛，因此要根据特定的工艺要求，设计合理的换热器，以满足不同场所的需求。

二．主要参数说明

B——折流板间距，m;

C——系数，无量纲；

d——管径，m；

D——换热器外壳内径，m；

f——摩擦系数；

F——系数；

h——圆缺高度，m;

K——总传热系数，；

L——管长，m；

m——程数；

n——指数；

N——管数；

NB——折流板数；

Nu——怒赛尔特准数；

P——压力，Pa;

Pr——普兰特准数；

q——热通量，；

Q——传热速率，W;

r——半径，m;

R——热阻，；

Re——雷诺数；

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，Kg/s；

a——对流传热系数，；

——有限差值；

——导热系数，；

——粘度，Pa.s;

——密度，；

——矫正系数；

c——冷流体；

h——热流体；

i——管内；

m——平均；

o——管外；

s——污垢；

三．设计计算

某生产过程中，需将5000 kg/h的油从160℃冷却至40℃，冷却介质采用循环水，循环水入口温度30℃，出口温度为40℃。管侧允许压力损失为49MPa，壳侧允许压力损失为9.8MPa试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。
1．确定设计方案
（1）选择换热器的类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度160℃，出口温度40℃冷流体(循环水)进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，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和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。
（2）流动空间及流速的确定
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=1m/ｓ。
2．确定物性数据
定性温度：可取流体进口温度的平均值。
壳程油的定性温度为 (℃)
管程流体的定性温度为(℃)
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
油在100℃下的有关物性数据如下：
密度　　 ρo=766 kg/m³
定压比热容　　 cpo=2.38 kJ/(kg·℃)
导热系数　　 λo=0.1042 W/(m·℃)
粘度　　 μo=0.000545 Pa·s
循环冷却水在35℃下的物性数据：
密度　　 ρi=994 kg/m³
定压比热容　　 cpi=4.08 kJ/(kg·℃)
导热系数　　 λi=0.626 W/(m·℃)
粘度　　　　 μi=0.000725 Pa·s
3．计算总传热系数
（1）热流量
Qo=WocpoΔto=5000×2.38×(160-40)=396.67(kW)
（2）平均传热温差
                                          

（3）冷却水用量
 (kg/h)
（4）总传热系数K
管程传热系数


W/(m·℃)
壳程传热系数
假设壳程的传热系数αo=290 W/(m²·℃)；
污垢热阻Rsi=0.000344 m²·℃/W , Rso=0.00034   m²·℃/W
管壁的导热系数λ=45 W/(m·℃)


=218.848 W/(m·℃)

4．计算传热面积
 (m²)
考虑 15％的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×40.92=47.05(m²)。
5．工艺结构尺寸
（1）管径和管内流速
选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m/s。
（2）管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
（根）
按单程管计算，所需的传热管长度为 
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m，则该换热器管程数为（管程)
传热管总根数 N=63×2=126(根)
（3）平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数

按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得φΔt=0.85
平均传热温差Δtm=φΔtΔ′tm=0.85×44.27=38 (℃)
（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=1.25 d0，则
t=1.25×25=31.25≈32(mm)
横过管束中心线的管数 (根)
（5）壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为
 (mm)
圆整可取D＝550mm
（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25％，则切去的圆缺高度为h＝0.25×550＝137.5(mm)，故可取h＝130 mm。
取折流板间距B＝0.25D，则B＝0.25×550＝137(mm)，可取B为150。
折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=5000/150-1=33(块)
折流板圆缺面水平装配。
（7）接管
壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为 u＝1.0 m/s，则接管内径为

取标准管径为50 mm。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u＝1.5 m/s，则接管内径为

6．换热器核算
（1）热量核算
①壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式

当量直径，由正三角形排列得
(m)
壳程流通截面积

壳程流体流速及其雷诺数分别为

【】
普兰特准数

粘度校正

W/(m²·℃)
②管程对流传热系数

管程流通截面积
管程流体流速

普兰特准数

W/(m²·℃)
③传热系数K

W/(m·℃)
④传热面积S

该换热器的实际传热面积Sp

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）换热器内流体的流动阻力
①管程流动阻力

由Re＝13546，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.005，查莫狄图得λi＝0.037 W/m·℃，
流速ui＝0.497 m/s，ρ＝994 kg/m³，所以

管程流动阻力在允许范围之内。
②壳程阻力
∑ΔPo=(ΔP′1+ΔP′2)FtNs
Ns＝l，Ft＝l
流体流经管束的阻力

流体流过折流板缺口的阻力

总阻力∑ΔPo＝752＋377.2＝1129.2(Pa)＜10 kPa
壳程流动阻力也比较适宜。
③换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见表2-13。
表2-13换热器主要结构尺寸和计算结果

7．离心泵的选择

一.管径初选

初取水经济流速

 

由于A=，

由于78.9mm不是标准管径，因此确定

经计算 

符合经济流速范围，故确定，

二.压头

在水槽液面及压力表2处列柏努利方程 ，如图

 

取             ，            ，

查图得      λ=0.023

局部阻力：  底阀1个          标准90°弯头3个          球心阀1个

 

流入换热器

 

流出换热器

故

换热器压降

 

∴

 

∴                                                                                              

根据计算查表可得，离心泵的型号是Y型

参考文献：

【1】       陈敏恒等 化工原理 第二版 化学工业出版社 2006

【2】       谭天恩，麦本熙，丁惠华 化工原理（上、下册）第二版 北京：化学工业出版社，1998

【3】       贾绍义，柴诚敬主编 化工原理课程设计 天津：天津大学出版社，2002

【4】       李功样，陈兰英，崔英德主编 常用化工单元设备设计 广州：华南理工大学出版社，2003

【5】       涂伟萍，陈佩珍，程达芬主编 化工工程及设备设计 北京：化学工业出版社，2000

第二篇：换热器课程设计计算表格

T1=88℃

是氯气中水蒸气含量477.8g/kg

热量衡算带入Q1CL2Q1水蒸气Q1其他457461.16169811.492带出Q2cl2Q2水蒸气Q2其他373381182861.875Q传热单位转换56383951566220.813冷夜进料t1=25℃25t2=38℃38tm31.5CPc4.174

WL

103910.5622

横算钛合金λ88.852

冷流体的污垢热阻0.000172

热流体的污垢热阻K计算

0.000172di

0.02do

K比值

0.025dm

0.0225

S需要

m湿氯气m水蒸气m干氯气干基mcl2mO2mH2mN2Mco2Mr1总g/mol

T1=88℃Q1

T2=35℃

9015.8410226636288

Q2氯水Q2

3571.630417330683.8890498.27

△t1△t2△tm1PR

Ф△t

查表得到Ф△t

正三角形排列Ф△t2管外径0.025假设K W/(m^2*℃管内径0.02S=Q/K/△tm2

管径取值mm管长m

实际面积S管子数壳径DL/D

do/αi/diRsi*do/di739.66407820.00087790.000107475

1.212564063

S实际

145.18575

b

0.0025富裕度105.1835152K的假设值K1

0.380308975407.05

4861.1111112322.6388892538.472222单位kg/h

2436.933355.846412.692427.92325.0769

n129.0355摩尔流量kmol/h34.3231.74526.3461810.9972570.115385172.5625水蒸气焓kj/kg2656.38

2559水蒸气氯气61.5

0.011

1.930.02163231.5

0.7789954.1740.62003

nnnnnn总1

摩尔分率0.78989153

0T2=35℃

氯气中水蒸气含量14.7g/kg

0.21010847氯气在水中的溶解度0.55g/100g0.010113430.036776120.005779110.00066866

29.13574908cl2比热（kj/kg/℃）

0.520.5Tm

黏度mPs

比热容KJ/KG/K导热系数w/m/℃tm

黏度mPs

比热容KJ/KG/K导热系数w/m/℃

5010

24.853397380.2063492064.0769230770.720037348

0.81

20.13125188

610

127.5417505

0.024.5

153.0501006

4330.731255.625

空气比热kj/kg/℃

1.0091.005μm

水的比热kj/kg/℃

4.174

0.0150.013646150.51.139237120.011410.01436715

热流体

ρ总密度1.72260388Uim/s4.30265791UoRe10862.8039ReoPr=Cp*μ/λ1.08206595Proαi1对流传热系数28.8751052αo

壁温40°αi2对流传热系数的计算

定性温度50.75汽化热λ0.648672351.59μ0.57ρ987.7325αi23671.06582α的计算

水的摩尔分率0.38299929气体的摩尔分0.61700071

0.8αi1423.83155

冷流体A最大截面积

996.3250.0241.20710527935.465.2441426122.04

b*do/λ/dm

3.1263E-05

管程阻力

摩擦系数假设管壁粗超糙度εε/di

0.0350.00010.005△P1Ft△P125.56821.4175.795461壳程阻力FFsfnc

0.51.150.498227

△P1△P2△P

48883.4726944.4287202.0765

NB22

29

K2

639.65壁温校核39.81623

m水蒸气

m冷却水

mcl2溶解

m剩cl2

m氯水71.4583333摩尔量2251.1805612.38149312424.55182263.562053.969907摩尔分率0.104146125.065634.148620.895854

n总2

Mr2总g/mol65.480240447.32255Mr总平均47.30799

平均摩尔分率

cl20.552981

水蒸气0.447019

deVsμw

0.018094104.2938420.656

hAoUoReo

0.150.03750.77254724701.95M总平均3627.791