换热器课程设计说明书如何撰写？

99ANYc3cd6 课程介绍 2026-02-15 1

[课程名称] 课程设计说明书

题目：[管壳式换热器的设计]

学院： [你的学院名称，如：化学工程学院] 专业： [你的专业名称，如：过程装备与控制工程 / 化学工程与工艺] 班级： [你的班级] 姓名： [你的姓名] 学号： [你的学号] 指导教师： [指导教师姓名] 设计日期： [2025年6月]

摘要

本设计旨在根据给定的工艺条件,完成一套完整的换热器设计任务，设计任务为：将 [热流体名称，如：某工艺热水] 从 [t₁₁] ℃冷却至 [t₁₂] ℃，采用 [冷流体名称，如：循环冷却水] 作为冷却介质，其入口温度为 [t₂₁] ℃，本设计首先进行了热力计算，确定了换热器的热负荷和冷却水流量，随后，在初步选型后，进行了详细的工艺计算，包括平均传热温差、传热系数和传热面积的确定，基于计算结果，选择了 [固定管板式] 管壳式换热器作为主要设备，并对其主要结构参数，如管子规格、数量、排列方式、管程数、壳体内径、折流板形式与间距等进行了设计与选型，进行了流体流动阻力校核和主要强度校核，验证了所选换热器在工艺和结构上的合理性，设计结果表明，所选换热器各项性能指标均满足设计要求，结构安全可靠，可为实际工程应用提供参考。

换热器；管壳式；工艺计算；结构设计；强度校核

第一章绪论

1 设计背景与意义

换热器是一种实现两种或多种流体之间热量传递的通用设备,广泛应用于石油、化工、动力、制冷、食品等工业领域，在化工生产中，换热器不仅用于加热、冷却、冷凝、蒸发等工艺过程，更是保证工艺过程稳定、高效、节能的关键设备，据统计，在现代石油化工企业中，换热器的投资约占设备总投资的30%-40%，掌握换热器的设计方法，对于从事相关领域的工程技术人员至关重要，本次课程设计旨在综合运用《化工原理》、《传热学》、《压力容器设计》等课程所学的理论知识，完成一个完整的换热器设计任务，从而加深对理论知识的理解，培养工程实践能力和创新思维。

2 换热器概述

换热器按传热原理可分为间壁式、混合式和蓄热式三大类，间壁式换热器应用最为广泛，主要包括管壳式、板式、翅片管式等，管壳式换热器因其结构坚固、可靠性高、适应性强、处理能力大等优点，成为工业应用中最为普遍的换热设备，其主要形式有固定管板式、U型管式、浮头式和填料函式等，各自适用于不同的工况条件。

3 设计任务与要求

本设计的设计任务书如下：

热流体： [某有机物溶液]
热流体流量： [W₁] kg/h
热流体进出口温度： [t₁₁] ℃ → [t₁₂] ℃
冷流体： [循环冷却水]
冷流体进口温度： [t₂₁] ℃
允许压降： 管程 ≤ [ΔP₁] kPa，壳程 ≤ [ΔP₂] kPa
污垢热阻： 管程 [Rsi] m²·℃/W，壳程 [Rso] m²·℃/W
设计要求：
1. 完成换热器的选型论证。
2. 进行详细的工艺计算和结构设计。
3. 对流动阻力和主要承压部件进行强度校核。
4. 绘制换热器总装配图（A1或A0）和主要零件图（如管板）。
5. 撰写设计说明书,内容完整、条理清晰、计算准确。

第二章换热器的选型

1 换热器的类型及特点

（本部分简要介绍几种常见的工业换热器，如管壳式、板式、翅片管式等，并分析其优缺点和适用场合。）

类型	优点	缺点	适用场合
管壳式	结构坚固，可靠性高，成本相对较低，适应性强（高压、高温、大流量）	传热效率相对较低，结构笨重，壳程清洗困难	无腐蚀性或弱腐蚀性流体的加热、冷却、冷凝、蒸发，应用最广
板式	传热效率高，结构紧凑，压降小，易清洗	密封要求高，不耐高压，处理量小	液-液换热，压降要求严格的场合
翅片管式	强化传热，特别适用于气体侧传热	结构复杂，易积灰	空气冷却器，气体加热或冷却
螺旋板式	传热效率高，不易结垢，可处理含固体颗粒流体	承压能力低，检修困难	粘性流体，液-液换热，有悬浮物的流体

2 换热器类型的确定

根据本设计任务,[热流体名称] 和 [冷流体名称] 均为液体，流量较大，操作压力和温度适中，且对清洗有一定要求，综合考虑各种换热器的特点，管壳式换热器因其技术成熟、适应性强、成本可控，是本设计的最佳选择。

在管壳式换热器中,考虑到 [说明选型理由，操作温差不大，管壳程温差不会引起过大热应力，且成本较低]，初步选用 固定管板式换热器，其结构简单，造价低廉，在管壳程温差不大时应用广泛。

第三章换热器的工艺计算

1 设计条件

整理并列表展示所有已知设计参数。

参数名称	符号	单位	数值
热流体流量	W₁	kg/h	[50000]
热流体进口温度	t₁₁	℃	[90]
热流体出口温度	t₁₂	℃	[40]
冷流体进口温度	t₂₁	℃	[32]
冷流体出口温度（计算得出）	t₂₂	℃	[待计算]
热流体允许压降	ΔP₁	kPa	[30]
壳程允许压降	ΔP₂	kPa	[50]
管程污垢热阻	Rsi	m²·℃/W	[0.00017]
壳程污垢热阻	Rso	m²·℃/W	[0.00034]

2 热力计算

计算热负荷（Q）： Q = W₁ c₁ (t₁₁ - t₁₂) c₁ 为热流体在平均温度下的定压比热容，[c₁] kJ/(kg·℃)。 Q = [50000] [4.18] ([90] - [40]) = [1.045e7] kJ/h = [2902.8] kW
计算冷却水流量（W₂）： 假定冷却水出口温度 t₂₂ = [38] ℃。冷水平均温度 t_w = (t₂₁ + t₂₂) / 2 = ([32] + [38]) / 2 = [35] ℃ 查表得水在35℃下的定压比热容 c₂ = [4.178] kJ/(kg·℃)。由热量平衡 Q = W₂ c₂ (t₂₂ - t₂₁) W₂ = Q / (c₂ (t₂₂ - t₂₁)) = [2902.8] / ([4.178] ([38] - [32])) = [115.8] kg/s = [416880] kg/h
核算冷却水出口温度： 根据初步估算的传热面积和K值，反算对数平均温差，再核算t₂₂，直至收敛，此处为简化，我们直接采用初设值。

3 估算传热面积

计算平均传热温差（Δt_m）： 本题为逆流操作，热流体：90 → 40；冷流体：38 ← 32。 Δt₁ = 90 - 38 = 52 ℃ Δt₂ = 40 - 32 = 8 ℃ Δt_m = (Δt₁ - Δt₂) / ln(Δt₁ / Δt₂) = (52 - 8) / ln(52 / 8) = [23.7] ℃ （若温差修正系数P、R计算后φ<0.8，需考虑其他流动方式）
估算总传热系数（K'）： 根据经验，对于水-水换热，K'值通常在 [800-1500] W/(m²·℃) 之间，初步选取 K' = [1000] W/(m²·℃)。
估算传热面积（A'）： A' = Q / (K' Δt_m) = [2902.8e3] / ([1000] [23.7]) = [122.5] m²

4 主要结构参数的初步确定

管子规格与材质： 选用 Φ25×2.5 mm 的无缝钢管，材质为 [20#钢]。
管内流速（u_i）： 对于水，一般取 u_i = 0.5 ~ 2.5 m/s，初步选取 u_i = [1.0] m/s。
单程管数（n'）： 管子流通截面积 a_i = π/4 d_i² = π/4 (0.02)² = [0.000314] m² 单程管内体积流量 V_s = W₂ / ρ₂ = [115.8] / [994] (ρ₂为水平均温度下的密度) = [0.1165] m³/s n' = V_s / (a_i u_i) = [0.1165] / ([0.000314] [1.0]) ≈ [371] 根
管长（L）： 假设管长 L = [6] m。
管程数（N_p）： 总管数 n = n' N_p 总传热面积 A = n π d_o L 假设 N_p = 2，则 n = [371] 2 = [742] 根 A = [742] π [0.025] [6] = [349.5] m² （估算面积A'=122.5 m²远小于计算值，说明N_p=2过长，应重新假设） 重新计算： 假设 N_p = 1，则 n = [371] 根 A = [371] [0.025] [6] = [174.8] m² 仍然偏大，说明管长或流速假设不合理，调整管长为 L = [3] m。 N_p = 1, n = [371] 根 A = [371] π [0.025] [3] = [87.4] m² （A < A'，说明需要增加管数或管程数）综合考虑，选择 管长 L = 6m，管程数 N_p = 1，则所需管数 n = A' / (π d_o L) = [122.5] / (π [0.025] [6]) ≈ [260] 根。单程管数 n' = n / N_p = [260] / 1 = [260] 根。实际管内流速 u_i = V_s / (n' a_i) = [0.1165] / ([260] [0.000314]) = [1.43] m/s （在合理范围内）。 最终确定： 管子 Φ25×2.5，管长 L=6m，管程数 N_p=1，总管数 n=[260]根。
管子排列方式与管心距： 采用正三角形（转角正方形）排列，对流传热系数较高。管心距 s = 1.25 d_o = 1.25 25 = [31.25] mm，取标准值 s = [32] mm。

5 传热系数的校核

管程给热系数（α_i）： 管内流体（水）的定性温度 t_i = [35] ℃。查得水的物性参数：ρ_i = [994] kg/m³, μ_i = [0.727] cP = [0.000727] Pa·s, λ_i = [0.626] W/(m·℃), Pr_i = [4.87]。 Re_i = d_i u_i ρ_i / μ_i = [0.02] [1.43] [994] / [0.000727] = [39230] > 4000，为湍流。采用迪图斯-贝尔特公式： Nu_i = 0.023 Re_i^0.8 Pr_i^0.4 = 0.023 [39230]^0.8 [4.87]^0.4 = [201.5] α_i = Nu_i λ_i / d_i = [201.5] [0.626] / [0.02] = [6317] W/(m²·℃)
壳程给热系数（α_o）： 壳程流体（[热流体名称]）的定性温度 t_o = ([t₁₁]+[t₁₂])/2 = ([90]+[40])/2 = [65] ℃。查得[热流体名称]的物性参数：ρ_o = [850] kg/m³, μ_o = [0.5] cP = [0.0005] Pa·s, λ_o = [0.14] W/(m·℃), Pr_o = [15]。壳程当量直径 d_e：对于正三角形排列，d_e = 4 (s² - π/4 d_o²) / (π d_o) = 4 ([0.032]² - π/4 [0.025]²) / (π [0.025]) = [0.0202] m。壳程流通截面积 A_s： A_s = B D_i (1 - d_o/s) （B为折流板间距，初步取 B=0.2D_i，D_i为壳体内径，待定）假设壳程流速 u_o = [0.5] m/s，则 A_s = W₂ / (ρ_o u_o) = [50000/3600] / ([850] [0.5]) = [0.0327] m²。假设壳径 D_i = [500] mm，则 B = 0.2 [0.5] = [0.1] m。 A_s = [0.1] [0.5] (1 - 0.025/0.032) = [0.0117] m²。（计算A_s与假设A_s不符，需迭代计算或直接采用经验公式估算） 采用估算方法： 根据总管数 n=260，查管板布管区直径 D_L ≈ [600] mm，取壳径 D_i = [700] mm。取折流板间距 B = [200] mm。 A_s = B (D_i - n_c d_o) / s （n_c为沿壳径的管数，n_c ≈ D_i/s = 700/32 ≈ 22） A_s ≈ [0.2] ([0.7] - [22] [0.025]) / [0.032] = [0.06875] m²。 u_o = (W₁/3600) / (ρ_o A_s) = ([50000/3600]) / ([850] [0.06875]) = [0.24] m/s。 Re_o = d_e u_o ρ_o / μ_o = [0.0202] [0.24] [850] / [0.0005] = [8242]。采用凯恩公式： Nu_o = 0.36 Re_o^0.55 Pr_o^(1/3) (μ/μ_w)^0.14 （粘度校正项近似为1） Nu_o = 0.36 [8242]^0.55 [15]^(1/3) = [115.6] α_o = Nu_o λ_o / d_e = [115.6] [0.14] / [0.0202] = [801] W/(m²·℃)
计算总传热系数（K）： 1/K = 1/α_o + Rso + (b d_o) / (λ_w d_m) + Rsi (d_o / d_i) + (d_o / (α_i d_i)) b为管壁厚，λ_w为管壁导热系数（[45#钢] λ_w=[50] W/(m·℃)），d_m为对数平均直径。 d_m = (d_o - d_i) / ln(d_o / d_i) = ([0.025] - [0.02]) / ln(0.025/0.02) = [0.0223] m。 1/K = 1/[801] + [0.00034] + ([0.0025] [0.025]) / ([50] [0.0223]) + [0.00017] ([0.025]/[0.02]) + ([0.025]/([6317][0.02])) 1/K = [0.00125] + [0.00034] + [0.000056] + [0.000213] + [0.000198] = [0.002057] K = [486] W/(m²·℃)
核算传热面积： A = Q / (K Δt_m) = [2902.8e3] / ([486] [23.7]) = [252.5] m² 原布置的传热面积 A_实 = n d_o L = [260] π [0.025] [6] = [122.7] m² A_实 < A，说明换热面积不足，需要增加管数或调整参数。 调整方案： 增加管数至 n = [280] 根（需重新计算壳径和流速，迭代计算直至满足要求），此处为简化，我们直接将管数增加到 [280] 根。重新计算 A_实 = [280] [0.025] [6] = [131.9] m² 仍然不足。 最终调整： 将管长增加到 L = [6] m，管程数增加到 N_p = 2，总管数 n = [300] 根。 A_实 = [300] π [0.025] [6] = [141.4] m²。（注：这是一个简化的迭代过程，实际设计需要多次反复计算和调整，直至计算面积与布置面积基本匹配，且K值与估算值接近，此处为示例，后续计算以 n=300, L=6m, N_p=2 为准。）

6 平均传热温差的校核

由于管程数变为2,流动方式不再是纯逆流。 P = (t₂₂ - t₂₁) / (t₁₁ - t₂₁) = ([38] - [32]) / ([90] - [32]) = 0.107 R = (t₁₁ - t₁₂) / (t₂₂ - t₂₁) = ([90] - [40]) / ([38] - [32]) = 8.33 查温度修正系数图，φ_Δt = [0.98] > 0.8，有效。 Δt_m = φ_Δt Δt_m(逆流) = [0.98] [23.7] = [23.2] ℃

7 换热器主要几何尺寸的最终确定

形式： 固定管板式
壳体直径： D_i = [700] mm
管子规格： Φ25×2.5，材质20#
管子数量： n = [300] 根
管子排列： 正三角形，管心距 s = 32 mm
管长： L = 6 m
管程数： N_p = 2
折流板： 弓形，缺口高度为壳径的25%（即175 mm），间距 B = [200] mm，数量 N_b = [L/B - 1] = [29-1] = [28] 块。

第四章换热器的流体流动阻力计算

1 管程流体阻力计算

ΔP_t = (ΔP_i + ΔP_r) N_p N_s ΔP_i 为直管阻力，ΔP_r 为回弯阻力，N_s 为壳程数（本设计N_s=1）。 ΔP_i = λ (L / d_i) (ρ_i u_i² / 2) λ = 0.3164 Re_i^(-0.25) = 0.3164 [39230]^(-0.25) = [0.022] u_i = V_s / (n_p a_i) = [0.1165] / ([150] [0.000314]) = [2.47] m/s (n_p为每程管数) ΔP_i = [0.022] ([6] / [0.02]) ([994] [2.47]² / 2) = [20980] Pa = [20.98] kPa ΔP_r = 3 (ρ_i u_i² / 2) = 3 ([994] [2.47]² / 2) = [9040] Pa = [9.04] kPa ΔP_t = ([20.98] + [9.04]) 2 1 = [60.04] kPa ΔP_t = [60.04] kPa > [30] kPa（允许值），不满足要求。 调整： 增加管程数至 N_p=4，每程管数 n_p=75。 u_i = [0.1165] / ([75] * [0.000314]) = [4.94] m/s (流速过高，需增大管径或减少管数) （注：阻力计算与工艺计算需反复迭代，此处仅展示计算过程，实际中应调整参数直至满足压降要求。）

2 壳程流体阻力计算

ΔP_s = ΔP₁ + ΔP₂ ΔP₁ 为流体横过管束的阻力，ΔP₂ 为折流板缺口处的阻力。 ΔP₁ = F f_o N_c (B / D_i) (ρ_o u_o² / 2) ΔP₂ = N_b (3.5 - 2B/D_i) (ρ_o u_o² / 2) （具体公式和系数参考教材，此处省略详细计算过程）计算得 ΔP_s = [XX] kPa。满足或超过允许压降要求，需相应调整。

第五章换热器的强度校核需要参考《GB 150 压力容器》等标准进行，此处为简述）

1 筒体壁厚计算

设计压力 p 取 [1.1倍] 操作压力，[0.6] MPa。设计温度 t 取 [壳程或管程] 最高温度，[100] ℃。材料选用 [Q345R]。计算壁厚 δ = (p D_i) / (2[σ]^t φ - p) [σ]^t 为设计温度下的许用应力，φ为焊缝系数。计算后考虑腐蚀裕量 C，最终确定筒体名义厚度。

2 封头选型与计算

选用标准椭圆形封头。计算封头厚度 δ_h = (p D_i) / (2[σ]^t φ - 0.5p) 确定封头名义厚度。

3 管板强度校核（简述）

管板是换热器最复杂的受压元件,其强度校核需考虑管程压力、壳程压力、热膨胀差、法兰力矩等多种因素，通常采用GB 151标准中的公式法或分析法进行详细计算，过程复杂，本课程设计可只进行简述，说明其重要性。

4 法兰选型

根据设计压力、温度和公称直径，选用合适的法兰标准（如HG/T 20592），并确定法兰的型号、材质和密封面形式。

5 支座选型

根据换热器总重量和操作条件,选择鞍式支座，根据JB/T 4712标准进行选型，并校核支座处的应力。

第六章主要技术特性表及材料选用

1 主要技术特性表

序号	项目	管程	壳程
1	物料名称	冷却水	[热流体名称]
2	操作压力	[0.4] MPa	[0.5] MPa
3	操作温度	[32→38] ℃	[90→40] ℃
4	体积流量	[115.8] m³/h	[16.4] m³/h
5	压降	≤ [30] kPa	≤ [50] kPa
6	传热面积		[141.4] m²
7	焊缝系数	[1.0]	[0.85]
8	腐蚀裕量	[2] mm	[2] mm

2 主要部件材料选用

部件名称	材料牌号	标准
壳体、封头	Q345R	GB 713
换热管	20	GB/T 8163
管板	16Mn	GB/T 13296
法兰	16Mn	HG/T 20592
折流板、拉杆、定距管	Q235-A	GB/T 700
接管	20	GB/T 3091

第七章设计总结与展望

1 设计总结

本次课程设计围绕 [换热器设计任务] 展开，通过查阅资料、理论计算、方案比较和参数优化，最终确定了一套完整的换热器设计方案，主要工作包括：

根据工艺要求,选择了技术成熟、经济合理的固定管板式换热器。
完成了详细的热力计算和工艺计算,确定了换热器的核心尺寸和操作参数。
对换热器的流动阻力和主要承压部件进行了校核,确保了设备的安全性和经济性。
编写了设计说明书,并绘制了总装配图。通过本次设计，我不仅巩固了化工原理、传热学等课程的理论知识，更锻炼了工程问题的分析、计算和解决能力，深刻体会到工程设计是一个需要综合考虑技术、经济、安全、环保等多方面因素的复杂过程，参数的选取和优化是设计的核心。

2 问题与展望

在设计过程中,也遇到了一些挑战，例如传热系数与流动阻力的矛盾、参数迭代计算的繁琐等，这些问题需要在未来的学习和工作中通过更深入的理论研究和借助先进的CAD/CAE软件来更好地解决，未来的换热器设计将更加趋向于高效、紧凑、智能化和绿色化，CFD模拟技术可以更精确地预测壳程流场和温度场，3D打印技术可以制造出结构更复杂的强化传热元件，这些都将为换热器技术的发展开辟新的道路。

参考文献

[1] 谭天恩, 窦梅, 周明华. 化工原理(第四版)[M]. 北京: 化学工业出版社, 2025. [2] 杨世铭, 陶文铨. 传热学(第四版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006. [3] GB 150.1~150.4-2011, 压力容器[S]. [4] GB 151-2025, 热交换器[S]. [5] 刘吉普. 换热器设计与应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2025.

致谢

在本课程设计的过程中,我得到了 [指导教师姓名] 老师的悉心指导和热情帮助，老师严谨的治学态度和深厚的专业知识令我受益匪浅，感谢在设计过程中给予我支持和帮助的同学们，由于本人学识有限，设计中难免存在疏漏和不足之处，恳请各位老师和同学批评指正。

标签：热力计算结构设计

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