设计任务
设计题目：管壳式油冷却器
设计任务：润滑油处理量： 16Kg/s 润滑油入口温度： 90℃ 润滑油出口温度： 45℃ 冷却水流量： 40Kg/s 冷却水入口温度： 28℃
冷却水工作压力： P = 0.1 Mpa （表压） 允许最大压力降： 油侧
设计内容：热力计算，阻力计算以及应力计算校核。 图纸要求：（1）装配图一张； （2）管板零件图一张
1、选型：
由于介质无腐蚀，无特殊工艺和结构要求，故可以选用通用易得，便宜的固定管板式管壳换热器，根据管、壳壁温是否超过30～50°C，再决定是否采用膨胀节。
2、两种介质谁在管内
由于二流体温差小，而由于水的结垢性强，工作压力较高故使其在管程流动；而润滑较 洁净，所以其在壳程流动。
1—12
3、热力计算
热力计算表
序号
123
原始数据
4
计算项目 冷却水进口温度
冷却水出口温度
冷却水工作压力
冷却水允许压降
符号t＇２ t”2 p２
单位 ℃ ℃ bar
计算公式或图表
给定 先假定再校核
给定 给定 给定 给定 给定 给定 给定 （t’2+t”2）/2 查物性表
t”1+Fc（t＇１-t”1）=45+0.3（90-45）
数值 28
40/37.93/37.931
表压力
0.6 40 90 45 16 0.8 34/32.965 4.174/4.174 58.5
出入口温差不大
备注
物性参数计
[p２] bar G2
Kg/s
5冷却水流量 润滑油进口温6度
润滑油出口温7度
8润滑油流量 润滑油允许压9降
10水的定性温度 11水的比热
润滑油的定性12温度
t＇１ ℃ t”1 G1 [p1] t2 cp2 t1
℃ kg/s bar ℃ kJ/kg℃ ℃
2—12
13润滑油的比热 14换热器效率 15校核t”2 16水的密度 17水的导热系数 18水的粘度 19水的柏朗特数 20润滑油的密度
润滑油的导热21系数 22润滑油的粘度
润滑油的柏朗23特数
计算
cp1 η — ρ2 k2 μ2 pr2 ρ1 k1 ν1 pr1
kJ/kg℃ — — kg/m3 W/m℃Pa.s — kg/m W/m℃ —
3
查物性表 取用
ηG1c1（t＇１-t”1）=G2c2（t”2-t＇２）
查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表
ηG1c1（t＇１-t＂1）×1000=0.98×16×2.256×
（90-45）×1000
2.256 0.98
— 994.7 0.623 754.0×10-6 5.09 852.2 0.136 19.1×10-6 230
24设计传热量
有效平均温差
Q0 W 1591833.6
25逆流平均温差 26
参数
Δtn P
°C —
（Δt大-Δt小）/ln（Δt大/Δt小-（45-28）]/ln[（90-37.93）/（45-28）] 31.34 （t”2-t＇/（t＇＝（37.93-28）/0.16 ２）１－t＇２）
3—12
27
28温差校正系数 29有效平均温差 30试选传热系数 31323334
管程换热系数
初选传热面积 管子外径 管子内径 管子长度
R φ Δtm K0 F0 d0 di l NL a2 w2 Re2
— （t＇/（t”2-t＇=（90-45）/１－t”1）２）— 换热器设计手册图1-3-6（按照1－2型查取） °C φΔtn W/m2℃换热器设计手册附录2（P105~107）可参考 m2 m m m — m m/s —
Q0/2K0Δtm=1591833.6/(2×250×30.71) 选φ25×2.5无缝钢管 d0－(2×2.5/1000)
取换热器管标准长度 F0/πd0l=103.67/(3.14×0.025×3)=440.2 （NL/2）πdi2/4=3.14×442×0.02×0.02/8 G2/ρ2a2=40/（994.7×0.0694）
ρ2w2di/μ2=994.7×0.579×0.02/754.0×10-6
4.53 0.98 30.71 350 103.67 0.025 0.02 3 442 0.0694 0.579 15277
35总管子数 36管程流通截面 37管程流速 38管程雷诺数
实际取用442根 按2管程计算
39管程换热系数
结构 40管排列方式 41管间距
h2 W/m℃
3605（1+0.15t2）w20.8/（100di）0.2=3605（1+0.015
0.80.2
3030.4 ×32.965）×0.579/（100×0.02）
分程隔板，二侧正方形，其余正三角形
取 1.25 d=1.25×0.025 组合排列
0.032正三角形边长
4—12
5—12
56管外壁温度
壁温下润滑油57粘度 58粘度修正系数 59壳程换热系数 60水侧污垢热阻
润滑油侧污垢61热阻 62管壁热阻
t’w1 °C μw1 φ1 h1 r2 r1 r
Pa.s —
假定后复核 查物性表
（μ1/μw1）0.14=（16.28/34.7）0.14
45 34.7×10 0.8995
-3
河水
W/m℃k1/dePr11/3φ1js=0.136/0.0329×2301/3×0.8995×18410 m2℃/W换热器设计手册附录1（P103~105）可参考 0.000344 m2℃/Wm2℃/W
换热器设计手册附录1（P103~105）可参考
忽略
0.000172 0
传热系数
63总传热热阻 64传热系数 65传热系数比值
管外壁热流密66度
度
67管外壁温度 68误差校核
1/h1+r1+r2dO/di+dO/h2di=1/410+0.000172+0.000344
r∑ m2℃/W×0.025/（3030.4×0.02） 0.002611 Ki W/m2℃1/r∑ 382.97 Ki/Ko — 382.97/350 1.094
QO/2NLπdOl=1591833.6/(2×442×3.14×0.025×
3)
合适
q1 tw1
W/m2℃℃
7646
误差很小，不再重算
t’1-q1（1/h1+r1）=90-7646（1/410+0.000172） 43.7
tw1-t’w1=43.7-45
-1.7
Δtw ℃
6—12
壁温下水的粘69度
管程粘度修正70系数
71管程摩擦系数
μw2 φ2 ξi
Pa.s —
查物性表
（μ2/μw2）0.14=（754/625）0.14
图1－3-17
625×10-6 1.02 0.037
按式（5－47）计得t＝42.8计算
管程压降
72管子沿程压降 73回弯压降
进出口管外质74量流速
进出口管处压75降
管程结垢校正76系数 77管程压降
Δpi Pa Δpr Pa Wn2
kg/ms
2
（ln1/di）（ξi/φ2）=[（W2/2ρ2）
2
/（2×994.7）]（3×2/0.02）（0.037/1.02） 1814.4
4nlW22/（2ρ2） 500.2
2
ρw2
1800
Δpn2 Pa
φd2 Δp2 — Pa
1.5Wn22/2ρ2 2243
2
当管程污垢热阻r2(0.000344~0.000516m•℃/W)和
管外径φ：φ19×2：φd2=1.5
φ25×2.5：φd2=1.4 1.4
（Δpi+Δpr）φd2+ΔpN2 5483.44 （Ds2-NLdO2）/（Ds+NLdO）=（0.64-442×0.0252）/（0.8+442×0.025）
w1dO’/ν1=0.402×0.0307/19.1×10-6
图1-3-19
壳程压降
78当量直径 79雷诺数 80壳程摩擦数
dO’ Rel’ξ0
m — —
0.0307 646 0.7
7—12
81管束压降
管嘴处质量流82速
进出口管板压83降
导流板阻力系84数
85导流板压降
壳程结垢修正86系数 87壳程压降 88压降校核
Δp0 Wn1
N/m2 kg/ms
2
W12/（2ρ1）Ds（Nb+1）/ dO’ξ0/φ1 15360.8 1200 1267.31 6 5069 1.38 27534.214
ρw2
1.5Wn12/2ρ1 推荐5~10 Wn12/2ρ1ξip 可查下表
Δp0φd。+Δpip+Δpn1=15360.8×
1.38+5069+1267.31 Δp1〈[Δp1]， Δp2〈[Δp2]
Δpn1 Pa ξip — Δpip Pa φd。— Δp1 —
Pa —
壳程压降结垢影响校正系数
Ds/B 层流（Re
rdo 2
m•℃/W ≥过渡（Re=10~100）及湍流（Re≥100）
8—12
rdo
m2•℃/W
≥
4、结构设计
（1）换热流程设计
采用壳方单程，管方双程的1－2型换热器，采用二台串联工作。管程分程隔板采取（a）的2管程
9—12
U形管 直管
（2）管子和传热面积
采用φ25×2.5的无缝钢管，材质20号钢，长3m，管长和管径都是换热器的标准管子尺寸（外径表1-6-15，长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m）。
管子总数为442根，其传热面积为：
F=πd0LNl=π×0.025×4.5×442=156.17m2
（3）管子排列方式
双管程不需要装设分程隔板，共有446个管孔，其中4个孔为装设拉杆用。 （4）壳体
壳体内径：Ds＝800mm；材质A3R钢； 壳体壁厚（参考锅炉原理强度计算章节）：
δ＝
pDs
＋c t
σ2[]φ－p
[σ]t＝1245.88 bar········tw
c＝2mm；p＝1.2p1；因p1设计条件未给定，取定p1＝1bar 则 δ＝
1×1.2×800
＋2＝2.551mm
2×1245.88×0.7－1.2×1
实取δs＝6mm（最小厚度，表1-6-1~3）
10—12
（5）管板
固定管板式，兼作法兰。图1-6-6~8和1-6-9~1-6-14：D＝930mm，b＝40mm的碳钢板。
管板上开孔数与孔间距与管排列应一致。
（6）折流板
因为无相变，采用通用的弓形折流板。A3钢板。
拱高：h＝160mm；
板间距：B＝230mm；
板数：nB＝10块；
板厚：δB＝6mm····（换热器设计手册P181表1-3-26）；卧式布置，水平切口流动方向。
（7）拉杆：
A3F钢，φ12，共4根（换热器设计手册P189表1-3-36~38）
（8）封头(可参考锅炉原理强度计算章节)
根据压力容器设计规范采用材质为A3R的标准形状椭圆封头。在满足强度要求条件下，取壁厚δ＝δi＝6mm；曲面高度：
hDDs＋δ800＋
1＝44＝6
4mm
D为封头的平均直径；直边高度h0＝25mm
（9）进、出口管
1） 管程进、出口管：
按照ρ2
2wN2
a2
N2＝Gw=40m2
N2ρ21800
11—12
进出口管道内径：
DN20.168m
取用φ168×4mm的热轧钢管或水输送管
2）壳程进出口管：
按ρ1wN12
aN1＝G116=m2 wN11200ρ1
进出口管内径为：
DN10.130m
取用φ130×4mm 的热轧钢管或煤气输送管
其中的φ值应选用标准值，而资料中为涉及标准值，所以φ168×4mm和φ130×4mm有可能并不是标准值，需查询标准表格校正。
12—12
设计任务
设计题目：管壳式油冷却器
设计任务：润滑油处理量： 16Kg/s 润滑油入口温度： 90℃ 润滑油出口温度： 45℃ 冷却水流量： 40Kg/s 冷却水入口温度： 28℃
冷却水工作压力： P = 0.1 Mpa （表压） 允许最大压力降： 油侧
设计内容：热力计算，阻力计算以及应力计算校核。 图纸要求：（1）装配图一张； （2）管板零件图一张
1、选型：
由于介质无腐蚀，无特殊工艺和结构要求，故可以选用通用易得，便宜的固定管板式管壳换热器，根据管、壳壁温是否超过30～50°C，再决定是否采用膨胀节。
2、两种介质谁在管内
由于二流体温差小，而由于水的结垢性强，工作压力较高故使其在管程流动；而润滑较 洁净，所以其在壳程流动。
1—12
3、热力计算
热力计算表
序号
123
原始数据
4
计算项目 冷却水进口温度
冷却水出口温度
冷却水工作压力
冷却水允许压降
符号t＇２ t”2 p２
单位 ℃ ℃ bar
计算公式或图表
给定 先假定再校核
给定 给定 给定 给定 给定 给定 给定 （t’2+t”2）/2 查物性表
t”1+Fc（t＇１-t”1）=45+0.3（90-45）
数值 28
40/37.93/37.931
表压力
0.6 40 90 45 16 0.8 34/32.965 4.174/4.174 58.5
出入口温差不大
备注
物性参数计
[p２] bar G2
Kg/s
5冷却水流量 润滑油进口温6度
润滑油出口温7度
8润滑油流量 润滑油允许压9降
10水的定性温度 11水的比热
润滑油的定性12温度
t＇１ ℃ t”1 G1 [p1] t2 cp2 t1
℃ kg/s bar ℃ kJ/kg℃ ℃
2—12
13润滑油的比热 14换热器效率 15校核t”2 16水的密度 17水的导热系数 18水的粘度 19水的柏朗特数 20润滑油的密度
润滑油的导热21系数 22润滑油的粘度
润滑油的柏朗23特数
计算
cp1 η — ρ2 k2 μ2 pr2 ρ1 k1 ν1 pr1
kJ/kg℃ — — kg/m3 W/m℃Pa.s — kg/m W/m℃ —
3
查物性表 取用
ηG1c1（t＇１-t”1）=G2c2（t”2-t＇２）
查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表
ηG1c1（t＇１-t＂1）×1000=0.98×16×2.256×
（90-45）×1000
2.256 0.98
— 994.7 0.623 754.0×10-6 5.09 852.2 0.136 19.1×10-6 230
24设计传热量
有效平均温差
Q0 W 1591833.6
25逆流平均温差 26
参数
Δtn P
°C —
（Δt大-Δt小）/ln（Δt大/Δt小-（45-28）]/ln[（90-37.93）/（45-28）] 31.34 （t”2-t＇/（t＇＝（37.93-28）/0.16 ２）１－t＇２）
3—12
27
28温差校正系数 29有效平均温差 30试选传热系数 31323334
管程换热系数
初选传热面积 管子外径 管子内径 管子长度
R φ Δtm K0 F0 d0 di l NL a2 w2 Re2
— （t＇/（t”2-t＇=（90-45）/１－t”1）２）— 换热器设计手册图1-3-6（按照1－2型查取） °C φΔtn W/m2℃换热器设计手册附录2（P105~107）可参考 m2 m m m — m m/s —
Q0/2K0Δtm=1591833.6/(2×250×30.71) 选φ25×2.5无缝钢管 d0－(2×2.5/1000)
取换热器管标准长度 F0/πd0l=103.67/(3.14×0.025×3)=440.2 （NL/2）πdi2/4=3.14×442×0.02×0.02/8 G2/ρ2a2=40/（994.7×0.0694）
ρ2w2di/μ2=994.7×0.579×0.02/754.0×10-6
4.53 0.98 30.71 350 103.67 0.025 0.02 3 442 0.0694 0.579 15277
35总管子数 36管程流通截面 37管程流速 38管程雷诺数
实际取用442根 按2管程计算
39管程换热系数
结构 40管排列方式 41管间距
h2 W/m℃
3605（1+0.15t2）w20.8/（100di）0.2=3605（1+0.015
0.80.2
3030.4 ×32.965）×0.579/（100×0.02）
分程隔板，二侧正方形，其余正三角形
取 1.25 d=1.25×0.025 组合排列
0.032正三角形边长
4—12
5—12
56管外壁温度
壁温下润滑油57粘度 58粘度修正系数 59壳程换热系数 60水侧污垢热阻
润滑油侧污垢61热阻 62管壁热阻
t’w1 °C μw1 φ1 h1 r2 r1 r
Pa.s —
假定后复核 查物性表
（μ1/μw1）0.14=（16.28/34.7）0.14
45 34.7×10 0.8995
-3
河水
W/m℃k1/dePr11/3φ1js=0.136/0.0329×2301/3×0.8995×18410 m2℃/W换热器设计手册附录1（P103~105）可参考 0.000344 m2℃/Wm2℃/W
换热器设计手册附录1（P103~105）可参考
忽略
0.000172 0
传热系数
63总传热热阻 64传热系数 65传热系数比值
管外壁热流密66度
度
67管外壁温度 68误差校核
1/h1+r1+r2dO/di+dO/h2di=1/410+0.000172+0.000344
r∑ m2℃/W×0.025/（3030.4×0.02） 0.002611 Ki W/m2℃1/r∑ 382.97 Ki/Ko — 382.97/350 1.094
QO/2NLπdOl=1591833.6/(2×442×3.14×0.025×
3)
合适
q1 tw1
W/m2℃℃
7646
误差很小，不再重算
t’1-q1（1/h1+r1）=90-7646（1/410+0.000172） 43.7
tw1-t’w1=43.7-45
-1.7
Δtw ℃
6—12
壁温下水的粘69度
管程粘度修正70系数
71管程摩擦系数
μw2 φ2 ξi
Pa.s —
查物性表
（μ2/μw2）0.14=（754/625）0.14
图1－3-17
625×10-6 1.02 0.037
按式（5－47）计得t＝42.8计算
管程压降
72管子沿程压降 73回弯压降
进出口管外质74量流速
进出口管处压75降
管程结垢校正76系数 77管程压降
Δpi Pa Δpr Pa Wn2
kg/ms
2
（ln1/di）（ξi/φ2）=[（W2/2ρ2）
2
/（2×994.7）]（3×2/0.02）（0.037/1.02） 1814.4
4nlW22/（2ρ2） 500.2
2
ρw2
1800
Δpn2 Pa
φd2 Δp2 — Pa
1.5Wn22/2ρ2 2243
2
当管程污垢热阻r2(0.000344~0.000516m•℃/W)和
管外径φ：φ19×2：φd2=1.5
φ25×2.5：φd2=1.4 1.4
（Δpi+Δpr）φd2+ΔpN2 5483.44 （Ds2-NLdO2）/（Ds+NLdO）=（0.64-442×0.0252）/（0.8+442×0.025）
w1dO’/ν1=0.402×0.0307/19.1×10-6
图1-3-19
壳程压降
78当量直径 79雷诺数 80壳程摩擦数
dO’ Rel’ξ0
m — —
0.0307 646 0.7
7—12
81管束压降
管嘴处质量流82速
进出口管板压83降
导流板阻力系84数
85导流板压降
壳程结垢修正86系数 87壳程压降 88压降校核
Δp0 Wn1
N/m2 kg/ms
2
W12/（2ρ1）Ds（Nb+1）/ dO’ξ0/φ1 15360.8 1200 1267.31 6 5069 1.38 27534.214
ρw2
1.5Wn12/2ρ1 推荐5~10 Wn12/2ρ1ξip 可查下表
Δp0φd。+Δpip+Δpn1=15360.8×
1.38+5069+1267.31 Δp1〈[Δp1]， Δp2〈[Δp2]
Δpn1 Pa ξip — Δpip Pa φd。— Δp1 —
Pa —
壳程压降结垢影响校正系数
Ds/B 层流（Re
rdo 2
m•℃/W ≥过渡（Re=10~100）及湍流（Re≥100）
8—12
rdo
m2•℃/W
≥
4、结构设计
（1）换热流程设计
采用壳方单程，管方双程的1－2型换热器，采用二台串联工作。管程分程隔板采取（a）的2管程
9—12
U形管 直管
（2）管子和传热面积
采用φ25×2.5的无缝钢管，材质20号钢，长3m，管长和管径都是换热器的标准管子尺寸（外径表1-6-15，长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m）。
管子总数为442根，其传热面积为：
F=πd0LNl=π×0.025×4.5×442=156.17m2
（3）管子排列方式
双管程不需要装设分程隔板，共有446个管孔，其中4个孔为装设拉杆用。 （4）壳体
壳体内径：Ds＝800mm；材质A3R钢； 壳体壁厚（参考锅炉原理强度计算章节）：
δ＝
pDs
＋c t
σ2[]φ－p
[σ]t＝1245.88 bar········tw
c＝2mm；p＝1.2p1；因p1设计条件未给定，取定p1＝1bar 则 δ＝
1×1.2×800
＋2＝2.551mm
2×1245.88×0.7－1.2×1
实取δs＝6mm（最小厚度，表1-6-1~3）
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（5）管板
固定管板式，兼作法兰。图1-6-6~8和1-6-9~1-6-14：D＝930mm，b＝40mm的碳钢板。
管板上开孔数与孔间距与管排列应一致。
（6）折流板
因为无相变，采用通用的弓形折流板。A3钢板。
拱高：h＝160mm；
板间距：B＝230mm；
板数：nB＝10块；
板厚：δB＝6mm····（换热器设计手册P181表1-3-26）；卧式布置，水平切口流动方向。
（7）拉杆：
A3F钢，φ12，共4根（换热器设计手册P189表1-3-36~38）
（8）封头(可参考锅炉原理强度计算章节)
根据压力容器设计规范采用材质为A3R的标准形状椭圆封头。在满足强度要求条件下，取壁厚δ＝δi＝6mm；曲面高度：
hDDs＋δ800＋
1＝44＝6
4mm
D为封头的平均直径；直边高度h0＝25mm
（9）进、出口管
1） 管程进、出口管：
按照ρ2
2wN2
a2
N2＝Gw=40m2
N2ρ21800
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进出口管道内径：
DN20.168m
取用φ168×4mm的热轧钢管或水输送管
2）壳程进出口管：
按ρ1wN12
aN1＝G116=m2 wN11200ρ1
进出口管内径为：
DN10.130m
取用φ130×4mm 的热轧钢管或煤气输送管
其中的φ值应选用标准值，而资料中为涉及标准值，所以φ168×4mm和φ130×4mm有可能并不是标准值，需查询标准表格校正。
12—12