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化工原理课程设计任务书（2周）
设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计
一、 设计任务及条件
欲用30℃井水冷却煤油。要求两侧的压力降均不超过0.3×105Pa。煤油的有关参数如下表，试设计一台适当的列管式换热器。 温 度 ℃ 质量流量 比? 热 密 度 导热系数 粘度×103 入口 出口 kg/h 140 40 15000 kJ/kg.℃ kg/m3 W/m.℃ Pa.s 2.30 810 0.13 0.91 二、设计内容 （1）、合理的参数选择和结构设计：
传热面积；管程设计包括：总管数、程数、管程总体阻力校核；折流挡板数目，壳体直径；结构设计包括壳体壁厚；主要进出口管径的确定包括：冷热流体的进出口管 （2）、传热计算和压降校核计算：设计计算和管程和壳程的压强降校核。 （3）、绘图 三、设计成果
1. 每个设计者必须提交的设计成果有：设计说明书一分，内含图纸一到两幅（1）装配图一张；（2）管板零件图一张。按化工制图要求绘制。
2. 设计说明书必须包括下述内容:封面、目录、设计任务书、设计计算书、设计结果汇总表、参考文献以等。 3. 设计计算书的主要内容应包括的步骤。 先熟悉课程相关内容再查资料。抄袭0分计
四、参考书
1) Perry化学工程手册。 2) 天津大学，《化工原理》，天津，天津科学技术出版社，1990年。 3) 华南理工大学，《化工过程及设备设计》，广州，华南理工大学
出版社，1986年。 4) 魏崇关，郑晓梅，《化工工程制图》，北京，化学工业出版社，
1992年。
5) 刁玉玮，王立业 编，《化工设备机械基础》，大连，大连理工大
学出版社，1989年。
6) 《化工设备结构图册》编写组，《化工设备结构图册》，上海，
上海科学技术出版社，1978年。 7) 柴诚敬，刘国维，李阿娜，《化工原理课程设计》，天津，天津
科学技术出版社，1994年。
列管式换热器设计（参考资料）
一、工艺设计
1、作出流程简图。
2、按生产任务计算换热器的换热量Q。 3、选定载热体，求出载热体的流量。 4、确定冷、热流体的流动途径。
5、计算定性温度，确定流体的物性数据（密度、比热、导热系数等）。 6、初算平均传热温度差。
7、按经验或现场数据选取或估算Ｋ值，初算出所需传热面积。
8、根据初算的换热面积进行换热器的尺寸初步设计。包括管径、管长、管子数、管程
数、管子排列方式、壳体内径（需进行圆整）折流挡板数目，进出料接管直径等。 9、核算Ｋ。
10、校核平均温度差?Tm。
11、校核传热量，要求有15－25％的裕度。 12、管程和壳程压力降的计算。 二、机械设计
1、壳体直径的决定和壳体壁厚的计算。 2、换热器封头选择。（不要求） 3、换热器法兰选择。（不要求） 4、管板尺寸确定。
5、管子拉脱力计算。（不要求） 6、折流板的选择与计算。 7、温差应力的计算。（不要求）
8、接管、接管法兰选择及开孔补强等。（不要求）
9、绘制主要零部件图。（不要求）
10．图纸要求：（1）装配图一张； （2）管板零件图一张。按化工制图要求绘制 三、编制计算结果汇总表
四、编写设计说明书
列管式换热器的工艺设计的方法（主要可参考教材的方法步骤）
一、换热终温的确定
换热终温对换热器的传热效率和传热强度有很大的影响。在逆流换热时，当流体出口终温与热流体入口初温接近时，热利用率高，但传热强度最小，需要的传热面积最大。 为合理确定介质温度和换热终温，可参考以下数据： 1、热端温差（大温差）不小于20℃。 2、冷端温差（小温差）不小于5℃。
3、在冷却器或冷凝器中，冷却剂的初温应高于被冷却流体的凝固点；对于含有不凝气体的冷凝，冷却剂的终温要求低于被冷凝气体的露点以下5℃。 二、平均温差的计算
设计时初算平均温差?tｍ，均将换热过程先看做逆流过程计算。 1、对于逆流或并流换热过程，其平均温差可按式（2－1）进行计算：
?t1??t2?tln1?t2 （2—1）
?t1?2式中，?t1、?t2分别为大端温差与小端温差。当?t2时，可用算术平均值
?tm??tm???t1??t2?2。
2、对于错流或折流的换热过程，若无相变化，则要进行温差校正，即用公式（2－2）进行计算。
?tm???t??t逆 （2－2）
式中?t逆是按逆流计算的平均温差，校正系数??t可根据换热器不同情况由化工原理教材有关插图查出。一般要求??t＞0.8，否则应改用多壳程或者将多台换热器串联使用。 三、传热总系数Ｋ的确定
计算Ｋ值的基准面积，习惯上常用管子的外表面积Ao。当设计对象的基准条件（设备型式、雷诺准数Re、流体物性等）与某已知Ｋ值的生产设备相同或相近时，则可采用已知设备Ｋ值的经验数据作为自己设计的Ｋ值。表2－1为常见列管式换热器Ｋ值的大致范围。由表2－1选取大致Ｋ值，
表2-1 列管式换热器中的总传热系数K的经验值 冷流体 水 水 水 水 水 有机溶剂 水 气体 水 水沸腾 轻油沸腾 用式（2－3）进行Ｋ值核算。
热流体 水 气体 有机溶剂 轻油 重油 有机溶剂 水蒸汽冷凝 水蒸汽冷凝 低沸点烃类冷凝 水蒸蒸汽冷凝 水蒸汽 总传热系数W/m2.℃ 850-1700 17-280 280-850 340-910 60-280 115-340 1420-4250 30-300 455-1140 2000-4250 455-1020 Ｋ＝
1１?0＋R0＋?d0dd＋Ri0＋0?dmdi?idi （2－3）
式中：?－给热系数，W/m2.℃； R－污垢热阻，m2.℃／W；
δ－管壁厚度，mm； λ－管壁导热系数，W/m.℃； 下标ｉ、ｏ、ｍ分别表示管内、管外和平均。
Ao当
Ai?2时近似按平壁计算，即：
Ai?Am?Ao
在用式（2－3）计算Ｋ值时，污垢热阻Ro、Ri通常采用经验值，常用的污垢热阻大致范围可查《化工原理》相关内容。
式中的给热系数?，在列管式换热器设计中常采用有关的经验值公式计算给热系数?，工程上常用的一些计算?的经验关联式在《化工原理》已作了介绍，设计时从中选用。 四、传热面积A的确定
工程上常将列管式换热器中管束所有管子的外表面积之和视为传热面积，由式（2－4）和式（2－5）进行计算。
QＫ?ｔm （2－4）
Ao?ndoL? （2－5） 式中：K－ 基于外表面Ao的传热系数，W/m2.℃
A0＝ do－管子外径，ｍ；
L－每根管子的有效长度，ｍ；Ao?ndoL? n－管子的总数
管子的有效长度是指管子的实际长度减去管板、挡板所占据的部分。管子总数是指圆整后的管子数减去拉杆数。 五、主要工艺尺寸的确定
当确定了传热面积Ao后，设计工作进入换热器尺寸初步设计阶段，包括以下内容： 1、管子的选用。
选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。大管径的管子用于粘性较大或易结垢的流体。
我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径×壁厚，常用的换热管的规格：φ19×2，φ25×2.5，φ38×3。
管子的选择要考虑清洗工作的方便及合理使用管材，同时还应考虑管长与管径的配合。国内管材生产规格，长度一般为：1.5，2，2.5，3，4.5，5，6，7.5，9，12ｍ等。换热器的换热管长度与壳径之比一般在6－10，对于立式换热器，其比值以4－6为宜。
壳程和壳程压力降，流体在换热器内的压降大小主要决定于系统的运行压力，而系统的运行压力是靠输送设备提供的。换热器内流体阻力损失（压力降）越大，要求输送设备的功率就越大，能耗就越高。对于无相变的换热，流体流速越高，换热强度越大，可使换热面积减小，设备紧凑，制作费低，而且有利于抑制污垢的生成，但流速过高，也有不利的一面，