在某工业生产中，由反应器生产出来的热煤油流经换热器，用循环冷却水将其从160℃进一步冷却到60℃，在进入储存装置。已知热煤油的压力为0.1MPa，循环水的入口温度为20℃，出口温度为75℃，流量为25m3/h，压力为0.4MPa。试设计一台合适的换热器，能够完成该生产任务。

　　换热器是化工、炼油工业生产中普遍应用到的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占用总费用的10%~20%。换热器在其他的部门如冶金、食品等也有着广泛的应用。因此，设计和选择使用高效的换热器对降低设备造价和操作费用成本具有重要的作用。本设计是针对浮头式换热器在生产过程中最主要的设备部件进行模拟设计和选型，进行工艺结构、主要设备及附件尺寸的设计。

　　两流体的温度变化情况如下：煤油的进口温度160℃，出口温度60℃；冷却水的进口温度20℃，出口温度75℃

　　该换热器是用循环冷却水进行冷却，在冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计换热器的管壁温度和壳体的温度之差较大，需要考虑热膨胀的影响[1]。因此，从安全等因素考虑，可以初步确定选用浮头式换热器。

　　已知两流体的操作压力分别为不大于0.4MPa和0.1MPa，两流体分别是冷却水和煤油。由于循环冷却水容易结垢，若其温度太低时，将会加快污垢增长的速度，使换热器的热流量降低，考虑到散热降温等方面的因素，因该使冷却水走管程，使煤油走壳程。

　　定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可以取流体进出口温度的平均值，则壳程(煤油)的定性温度为T=(160+60)/2=110℃；管程(冷却水)的定性温度为T=(20+75)/2=47.5℃

　　根据浮头式换热器中K 大致范围，参考从实际生产中总结出来的各种流体之间的传热时的总传热系数经验值，并参见列管式换热器中K 值大致范围表[2]，而且壳程的压力也不是很大，故可以取K=480W/(m 2·℃)，则传热面积为

　　根据浮头式换热器内常用流速范围表[3]，取管内流速为i υ=0.5m/s 。管内流量为Q c =25m 3/h ，则管径为423.3i c i d Q πυ==mm 。又管程走的是易结垢流体，故选用标准管规格为25 2.5φ?mm 。 2.4.2 管程数和传热管数

　　按照单管程设计，由于传热管太长，故宜采用多管程设计。根据实际情况，采用非标准管长设计，取传热管长4l =m ，则该换热器的管程数为

　　查阅相关资料[2]，管外侧的污垢热阻40 1.7210R -=?m 2·℃∕W ，管内侧的污垢热阻

　　传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 3.2 换热器内压降的核算 3.2.1 管程阻力

　　换热器型式有多种，按照传热方式不同分为：混合式、蓄热式和间壁式。本设计中我们选用的是间壁式换热器中的一种——浮头式换热器。浮头式换热器两端的管板，一般不与壳体相连，可以自由沿着管长方向浮动，该端称为浮头。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可以在壳体内沿轴向自由伸缩，可以完全消除热应力；而且由于固定端的管板用法兰和壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。其特点为结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构型式[1]。在本设计中，由于考虑到管壁温度和壳体温度之差较大，所以我们选用的是浮头式换热器。 4.2 管径的选择

　　换热管中最常用的管径有192φ?mm 和25 2.5φ?mm 两种。小直径的管子可以承受更大的压力，且管壁较薄；同时，对于相同的壳体直径，可以排列较多的管子，从而提高单位面积的传热面积。因此，当管程流体较清洁，且允许的压降较高时，常采用192φ?mm 的管子。但由于在本次设计中，管内流量为Q c =25m 3/h ，流速为i υ= 0.5m/s ，单程管数为44根，则管径为423.3i c i d Q πυ==mm 。又管程走的是易结垢的冷却水，且其流速较小，压降不是很高，为了清洗方便，故应该选用较大直径的管子，因此，我们选用标准规格为25 2.5φ?mm 的碳钢管子，管子型号为GB/T8162-1999，生产于山东聊城市首发金属制造有限公司。标准管子的长度有：1500mm ，2000mm ，2500mm ，3000mm ，4500mm ，5000mm ，6000mm ，7500mm ，9000mm 等。本设计中选用的管子为4000mm 。

　　安装折流板的目的是提高壳程对流传热系数，为了取得良好的换热效果，挡板的形状和间距必须适当。常见的折流板型式有多样，但主要以圆缺形(弓形)折流板最为常见。对于圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对于壳体流体的流动情况有重要影响，切去弓形高度约为直径的10%~40%(一般取20%~25%)。弓形缺口太大或是太小都不利于传热，且往往增加流体阻力。挡板的间距对壳体流体的流动也有重要影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不利于制造和检修，阻力损失也大。相邻挡板的距离(板间距)一般取换热器外径你给的0.2~1.0倍[1]。浮头式换热器的板间距有150mm、200mm、300mm、480mm、600mm五种。在此次设计中，根据计算和综合各方面因素考虑，选择板间距为300mm，高度为450mm，型号为PSJJ7A132-0-4，生产于石家庄蓝宝机械制造有限公司，并且采用弓形折流板。

　　不锈钢和有色金属材料抗腐蚀性能好，但价格相对较高。综合考虑到经济、安全等因素，我们选择了碳钢管子。

　　经过十几天的精心准备和细心计算，在我们两人的共同努力下，化工原理课程设计终于完成了。由于是第一次弄这样的课程设计活动，对于设计结果，我们还是比较满意的。这次的设计主要是针对现实工业生产中的换热器课题展开的，设计任务主要是实现热煤油的冷却，通过参照有关参考书和查阅相关网上资料，我们设计出来了这个浮头式换热器。此换热器选用25 2.5mm

　　φ?的碳钢管，管径较大，易于清洗，因考虑到管程流体易结垢，故选用此种类型的管，而且压降不是很大，所以选用较合理；本换热器的缺点就是不可承受较大压力流体的换热，而且排列的管子数不多，故处理能力不是很好。不过总体来说，本设计还是较为成功的。

　　[4]齐玉来，牛勇胜，马婕．AutoCAD建筑制图基础教程[M]．清华大学出版社，北京，2006，7．

　　广东海洋大学 2013年清考试题 《换热器原理与设计》课程试题 课程号： 1420017 √ 考试 □ A 卷 □ 闭卷 □ 考查 □ B 卷 √ 考试 一．填空题（10分。每空1分） 1．相比较沉浸式换热器和喷淋式换热器，沉浸式换热器传热系数 较低。 2．对于套管式换热器和管壳式换热器来说， 套管式换热器 金属耗量多，体积大，占地面积大，多用于传热面积不大的换热器。 3．在采用先逆流后顺流型热效方式热交换器时，要特别注意温度交叉问题，避免的方法是 增加管外程数 和两台单壳程换热器串联。 4．在流程的选择上，腐蚀性流体宜走 管程，流量小或粘度大的流体宜走壳程，因折流档板的作用可使在低雷诺数(Re ＞100)下即可达到湍流。 5．采用短管换热，由于有入口效应，边界层变薄，换热得到强化。 6. 相对于螺旋槽管和光管，螺旋槽管的换热系数高. 7. 根据冷凝传热的原理，层流时，相对于横管和竖管，横管 传热系数较高。 8.减小管子的支撑跨距能增加管子固有频率，在弓形折流板缺口处不排管，将 减小 管子的支撑跨距 9. 热交换器单位体积中所含的传热面积的大小大于等于700m 2/m 3，为紧凑式换热器。 10. 在廷克流动模型中ABCDE5股流体中，真正横向流过管束的流路为B 股流体,设置旁路挡板可以改善C 股流体对传热的不利 GDOU-B-11-302 班级： 姓 名： 学号： 试题共 4 页 加白纸3 张 密 封 线

　　二．选择题（20分。每空2分） 1.管外横向冲刷换热所遵循侧传热准则数为(C ) A. 努赛尔准则数 B. 普朗特准则数 C. 柯尔本传热因子 D. 格拉肖夫数 2.以下哪种翅片为三维翅片管( C ) A. 锯齿形翅片 B. 百叶窗翅片 C. C管翅片 D. 缩放管 3.以下换热器中的比表面积最小( A ) A．大管径换热器B．小管径换热器 C．微通道换热器 D. 板式换热器 4. 对于板式换热器，如何减小换热器的阻力(C ) A．增加流程数B．采用串联方式 C．减小流程数 D. 减小流道数。 5.对于板翅式换热器，下列哪种说法是正确的( C ) A．翅片高度越高，翅片效率越高 B．翅片厚度越小，翅片效率越高 C．可用于多种流体换热。 D. 换热面积没有得到有效增加。 6.对于场协同理论，当速度梯度和温度梯度夹角为( A )，强化传热效果最好。 A．0度B．45度 C.90度 D. 120度 7. 对于大温差加热流体(A ) A．对于液体，粘度减小B．对于气体，粘度减小 C．对于液体，传热系数减小 D. 对于气体，传热系数增大8. 对于下列管壳式换热器，哪种换热器不能进行温差应力补偿( B ) A．浮头式换热器B．固定管板式换热器 C．U型管换热器 D. 填料函式换热器。 9. 对于下列管束排列方式，换热系数最大的排列方式为( A ) A．正三角形排列B．转置三角形排列 C．正方形排列 D. 转正正方形排列。 10. 换热器内流体温度高于1000℃时，应采用以下何种换热器(A )

　　化工原理课程设计任务书 专业班级:07过控０2 学生姓名：赵凯 学号: 070３020２28 一 设计题目:正戊烷冷凝器的设计 二 课题条件(文献资料,仪器设备，指导力量) (一）设计任务 设计一冷凝器，冷凝正戊烷蒸气； 1) 处理能力:6万吨／年。 2) 正戊烷蒸气压力:0．7５ｋgf/c ｍ2,其饱和温度为５2C ?，蒸发潜热为 83ｋc ａl/kg 3) 冷却剂：自来软水，进口温度C 251?=t 出口温度C 40o 2=t （二)操作条件： (1)生产方式:连续操作 (2）生产时间：每年以300天计算,每天2４小时 （3）冷凝器操作压力为常压,管程和壳程的压力均不大于30kpa 三.设计任务 １.确定设计方案,绘制工艺流程图。 ２.热力学计算 2.1热力学数据的获取 2．２估算传热面积 2．3工艺尺寸的计算 2.4面积核算 2.５壁温校核 2．６压降校核

　　3.结构设计 ３.1冷凝器的安装3.２管设计 ３.３管心距设计 ３.4管板设计 3．5折流板设计 3.6壳体设计 3.７接管设计 3.8封头设计 3.9法兰设计 ３.１０支座设计 3.11其他 4.设计计算结果汇总表５．设计结果评价6．绘制装配图 ７.编制设计说明书

　　绪论： 1.填空： 1．按传递热量的方式，换热器可以分为间壁式, 混合式, 蓄热式 2. 对于沉浸式换热器，传热系数低，体积大，金属耗量大。 3. 相比较沉浸式换热器和喷淋式换热器，沉浸式换热器传热系数较低，喷淋式换热器冷却水过少时，冷却器下部不能被润湿. 4.在沉浸式换热器、喷淋式换热器和套管式换热器中，套管式换热器中适用于高温高压流体的传热。 5.换热器设计计算内容主要包括热计算、结构计算流动阻力计算和强度计算 6.按温度状况来分，稳定工况的和非稳定工况的换热器 7.对于套管式换热器和管壳式换热器来说，套管式换热器金属耗量多，体积大，占地面积大，多用于传热面积不大的换热器。 2.简答： 1.说出以下任意五个 换热器，并说明换热器 两侧的工质及换热方 式 答：如上。