广东石油化工学院。
一、化工原理课程设计任务书。
某生产过程中，需用循环冷却水将有机料液从102℃冷却至40℃。已知有机料液的流量为（2.5－0.
01×24）×104 =2.26×104 kg/h，循环冷却水入口温度为30℃，出口温度为40℃，并要求管程压降与壳程压降均不大于60kpa，试设计一台列管换热器，完成该生产任务。
已知：定性温度下流体物性数据。
注：若采用错流或折流流程，其平均传热温度差校正系数应大于0.8 。
二、确定设计方案。
1.选择换热器的类型。
两流体的温度变化情况：热流体进口温度102℃，出口温度40℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，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，故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器。。
2.管程安排。
已知两流体允许压强降不大于60kpa；两流体分别为有机料液和冷却水。与有机料液相比，水的对流传热系数一般较大。由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应使循环冷却水走管程，而使有机料液走壳程。
三、确定物性数据。
定型温度：对于一般低粘度和水等粘度低流体，其定性温度可取流体进出口的平均值。故壳程有机料液的定性温度为。
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。
有机料液在71下的有关物性数据如下：
密度。定压比热容。
热导率。粘度。
循环水在35下的物性数据：
密度。定压比热容。
热导率。粘度。
四、估算传热面积。
1.热流量。
2.平均传热温差。
暂按单壳程、多管程进行计算。
逆流时， =102-40=62； =40-30=10
平均传热温差为。
3.传热面积。
设总传热系数为k0=500 w/(
则所需的传热面积为。
s=q/(k0δtm)=1630000/(500×21.3)=153m2
4.冷却水的用量。
五、工艺结构尺寸。
1.管径和管内流速选用的碳钢管，初步选用管内流速m/s 。
2.管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数。
按照单程管设计，所需的传热管长度为。
取l=12m，按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计的实际情况，才用非标设计，现取传热管长。
则该换热器的管程数为。
传热管总根数为
3.传热平均温差校正与壳程数。
平均温差校正系数：
按单壳程，双壳程结构，查图4-19b 单壳程的温差校正系数可得：
平均传热温差
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，故壳程合适。
4.传热管排列和分程方法。
换热管标准排列形式有以下几种：本设计中采用正三角形排列。
在上述几种排列中，a、d排列更为合理，因为在相同折流板间距条件下，其流通截面比其他两种要大，有利于提高流速。
故本换热器采用混合排列，即在隔板附近采用正方形排列，在其他部分采用正三角形排列。
隔板中心到离其最近一排管中心距。
各程相邻管的管心距为44mm。
5.壳体内径。
采用多管程结构，进行壳体内径计算。取管板的利用率，则壳体内径为：
按照卷制壳体的进级档，可取d=700mm。
筒体的直径校核计算：
壳体的内径壳体应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为：，
因为，管子按正三角形排列，管数：
取。按照壳体直径标准系列尺寸进行圆整可得：
6.折流挡板。
采用圆缺形折流挡板，去折流挡板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为。
故，可圆整取。
取折流板的间距。
折流板数。7.其他附件。
拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为700mm，故其拉杆直径为φ12拉杆，数量为8，
8.接管。壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为，则接管内径为：
m圆整后得到管内径为：
管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为：
圆整后得到管内径为：
六、换热器核算。
1.热流量核算。
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
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 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：
3）污垢热阻和管壁热阻：
取壳程污垢热阻。
取管程污垢热阻。
该件下的热导率为45w/(m·k)。所以。
4）传热系数有：
因为，介于1.12至1.5之间符合要求。
5）传热面积裕度：
计算传热面积ac：
该换热器的实际传热面积为：
该换热器的面积裕度为：
综上所述，传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
2.壁温计算。
因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15℃，出口温度为40℃计算传热管壁温。
另外，由于传热管外侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。
于是有：
式中循环水的平均温度和有机料液的平均温度分别计算为。
0.4×40+0.6×15=25℃=298 k
102+40)/2=71℃ =344 k
4716.1w/㎡·k
1377w/㎡·k
传热管平均壁温。
壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即t=344k。壳体壁温和传热管壁温之差为℃。该温差较小，故不需设温度补偿装置。
3．换热器内流体的流动阻力。
1）管程流体阻力。
由re=26762,传热管对粗糙度
查莫狄图得，流速=0.98m/s, 所以：
所以，管程流体阻力在允许范围之内。
2）壳程阻力：
则： 由此可知本换热器符合要求。
注：——折流板数目；
b———折流板间距， m；
di ——壳体内径， m；
f———管子排列方式对压力降的校正因数， 对于正三角形排列，
f0———壳程流体的摩擦系数。
nc———横过管束中心线的管数，管子按正三角形排列： nc = 1 . 1 n ；管子按正方形排列： nc = 1 . 19 ；
u0 ——壳程流体横过管束的最小流速， m /s ,七、结构设计。
1、固定管板结构设计：
由于换热器的内径已确定，采用标准内径决定固定管板外径及各结构尺寸结构尺寸为：
固定管板外径：
固定管板外径与壳体内径间隙：取。
垫片宽度：按《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）:表4-16：
取。固定管板密封面宽度：
外头盖内径：
2、管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计：
依工艺条件：管侧压力和壳侧压力中的高值，以及设计温度和公称直径700，按jb4703-92长颈对焊法标准选取。并确定各结构尺寸，见《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）。
3、管箱结构设计：
选用b型封头管箱，因换热器直径较大，且为二管程，其管箱最小长度可不按流道面积计算，只考虑相邻焊缝间距离计算：
取管箱长为800mm，管道分程隔板厚度取7mm。
4、固定端管板结构设计：
依据选定的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大外径为：d=806mm。
5、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计：
依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径；按jb4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸。
6、外头盖结构设计：
外头盖轴向尺寸由固定管板、法兰及强度计算确定厚度后决定。
7、垫片选择：
a.管箱垫片：
根据管程操作条件（循环水压力，温度35）选石棉橡胶垫。结构尺寸如《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）：图4-39（b）所示：
b.外头盖垫片：
根据壳程操作条件（有机料液，压力，温度71），选缠绕式垫片，垫片：（jb4705-92） 缠绕式垫片。
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