煤油列管換熱器

1、二、列管式換熱器設(shè)計任務(wù)書（一）、設(shè)計題目： 列管式換熱器設(shè)計 （二）、設(shè)計任務(wù)及操作條件 1、設(shè)計任務(wù) 處理能力： 20萬噸/年 設(shè)備型式： 列管式 2、操作條件（1）煤 油：入口溫度 140 出口溫度 40 （2）冷卻介質(zhì)：循環(huán)水 入口溫度 20 出口溫度 40 （3）允許壓降：不大于0.1MPa（4）煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)（5）每年按330天計算，每天24小時連續(xù)運行。（三）、設(shè)計內(nèi)容1、概述2、設(shè)計方案的選擇3、確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù)4、設(shè)計計算（1） 計算總傳熱系數(shù)（2） 計算傳熱面積5、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計（1）管徑尺寸和管內(nèi)流速的確定（2）傳熱面積、管程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)的確定（3）接

2、管尺寸的確定6、設(shè)計結(jié)果匯總7、工藝流程圖及換熱器工藝條件圖8、設(shè)計評述（四）、圖紙要求A3圖紙 三、概述3.1換熱器概述1 熱器（英語翻譯：heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。3.2.列管式換熱器概述1 列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種

3、換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結(jié)管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。 在列管式換熱器中，管束的表面積即為該換熱器所具有的傳熱面積。當(dāng)傳熱面積較大，管子數(shù)目較多時，為了提高管內(nèi)流體的流速，增大管內(nèi)一側(cè)流體的傳熱膜系數(shù)，常將全部管子平均分成若干組，流體每次只流經(jīng)一組管子，即采用多管程結(jié)構(gòu)。其方法是在封頭內(nèi)裝設(shè)隔板，在一端的封頭內(nèi)裝設(shè)一塊隔板，便成二管程；在進口端裝兩塊擋板，另一端裝一塊隔板，便成四管程

4、；如此，還可以設(shè)置其他多管程，但過多使流體阻力增大，隔板占有分布管面積，而使傳熱面積減小。 列管換熱器（又名列管式冷凝器），按材質(zhì)分為碳鋼列管換熱器，不銹鋼列管換熱器和碳鋼與不銹鋼混合列管換熱器三種，按形式分為固定管板式、浮頭式、U型管式換熱器，按結(jié)構(gòu)分為單管程、雙管程和多管程。四、工藝設(shè)計及主要設(shè)備設(shè)計4.1確定設(shè)計方案 4.1.1選擇換熱器的類型4 在本次設(shè)計任務(wù)中，兩流體溫度變化情況：熱流體（煤油）進口溫度140，出口溫度40；冷流體(循環(huán)水)進口溫度20，出口溫度40。該換熱器用循環(huán)水冷卻介質(zhì)，受環(huán)境影響，進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，且管束與

5、管殼之間的溫差較大會產(chǎn)生不同熱膨脹，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。 4.1.2流程安排在固定管板式式換熱器中，對于流體流徑的選擇一般可以考慮以下幾點： (1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。(2) 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于 清洗和檢修。 (3) 壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。 (4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。(5) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。(6) 需要提高流速以增大

6、其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使煤油走管程，冷卻水走殼程。但由于冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下賤，所以從總體考慮，應(yīng)使自來水走管程，煤油走殼程。4.2確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。殼程流體煤油的定性溫度為 管程流體水的定性溫度為 3根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性

7、數(shù)據(jù)。煤油在90的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：物性密度o（kg/m3）比熱容Cpo(kJ/(kg·0C)粘度o(Pa·s)導(dǎo)熱系數(shù)o(W/(m2·0C)煤油8252.220.0007050.14水在30的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：物性密度i（kg/m3）比熱容Cpi(kJ/(kg·0C)粘度i(Pa·s)導(dǎo)熱系數(shù)i(W/(m2·0C)水995.74.1740.00080070.6176 4.3估算傳熱面積 4.3.1計算熱負(fù)荷和冷卻水流量煤油流量 冷卻水流量 4.3.2計算兩流體的平均傳熱溫差按單殼程多管程進行計算，對逆流傳熱溫度差進行校正根據(jù)化工原理

8、1（上） P213，公式（4-45）得逆流傳熱溫差為而 所以修正后的傳熱溫度差為 4.3.3估算傳熱面積 由常用化工單元設(shè)備設(shè)計表1-6，查得水與煤油之間的傳熱系數(shù)在290-698w/(m2.oC)，初步設(shè)定K=556.3w/(m2.oC)。根據(jù)化工原理（上）P235，公式（4-44a）估算的傳熱面積為 4.4主體構(gòu)件的工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.4.1管徑和管內(nèi)流速 選用25×2.5的傳熱管（碳鋼管），管內(nèi)徑di=0.025-0.0025×2=0.02，取管內(nèi)流速ui=1.2m/s4.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 根據(jù)化工原理課程設(shè)計7P62，公式3-9可依據(jù)傳熱內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)

9、 按單管程計算，所需的傳熱管長度為 按單管程設(shè)計，傳熱管過長，現(xiàn)取傳熱管長l=6，則該換熱器管程數(shù)為 熱管總根數(shù) N=50×4=200(根） 4.4.3傳熱管的排列和分程方法 采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。其中，每程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點為管板強度高，流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。由化工過程及設(shè)備課程設(shè)計圖3-13取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=31.2532(mm)。 由化工原理2（上）P282，公式（4-119），得橫過管束中心線的管數(shù)為 由化工單元過程及

10、設(shè)備課程設(shè)計P67頁，公式（3-16），隔板中心到離其最近一排中心距離，取各程相鄰管的管心距為44mm。其前后箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按化工過程及設(shè)備課程設(shè)計圖3-14選取。4.4.4殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 =0.7，由流體力學(xué)與傳熱P206，公式4-115，得殼體內(nèi)徑為 圓整可取 D=600mm。4.4.5折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為取折流板間距 B=0.4D，則B=0.4×600=240mm 取板間距B=300mm折流板數(shù) 4.4.6接管 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為 u1.0 m/s，則接管內(nèi)徑為

11、 d=0.1040m經(jīng)圓整采用114mm×5mm 熱軋無縫鋼管(GB8163-87) ,取標(biāo)準(zhǔn)管徑為114mm。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為d=0.126m 經(jīng)圓整采用140mm×7mm 熱軋無縫鋼管( GB8163-87) ,取標(biāo)準(zhǔn)管徑為140mm.4.5換熱器主要傳熱參數(shù)核算4.5.1熱流量核算4.5.1.1 殼程對流傳熱系數(shù)可采用克恩公式，由化工原理3（上）P253，公式（4-77a）得 其中：取當(dāng)量直徑de，由于是正三角形排列，由化工原理（上）P253，公式（4-79）得 殼程流通截面積A0，由化工原理（上）P253，公式（

12、4-80），得 殼程流體流速及其雷諾系數(shù)分別為 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 粘度校正 4.5.1.2管程對流傳熱系數(shù)由化工原理（上）P248，公式（4-70a），水在管程中是被加熱，所以公式中的n=0.4，得 其中：管程流通截面積 管程流體流速以及其雷諾數(shù)分別為 普朗特準(zhǔn)數(shù) 故管程對流換熱系數(shù) 4.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻查閱化工原理（上）P354，附錄20，得煤油側(cè)的熱阻 R0=0.000172 m2oC/w循環(huán)水側(cè)的熱阻 Ri=0.000344 m2oC/w鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為 =454.5.1.4傳熱系數(shù)K根據(jù)化工原理2（上）P227，公式（4-41） 解得K=509.9 W/(m2.OC)傳熱面積所選用

13、的換熱器的實際傳熱面積 m24.5.1.5傳熱面積裕度根據(jù)化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P76，公式（3-36）該換熱器的面積裕度為 處于要求的15%20%的范圍內(nèi)，該換熱器符合實際生產(chǎn)要求 4.5.2壁溫核算 因為管壁很薄，而且壁熱阻很小。冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確?？煽?，取循環(huán)冷卻水進口溫度為20，出口溫度為40計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應(yīng)該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是有: ,式中液體的平均溫度和氣體的

14、平均溫度分別計算為:0.4×40+0.6×20=28(140+40)/2=906528.1W/(m2.)898.4 W/(m2.)傳熱管平均壁溫為殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 >50。該溫差較大，故需設(shè)溫度補償裝置。選用帶膨脹節(jié)的固定管板式式換熱器4.5.3換熱器內(nèi)流體的流動阻力（壓強降）4.5.3.1管程流動阻力根據(jù)化工原理3（上）P284，公式（4-121）得 pi（p1+p2）Ft Ns Np其中：Pi管程總壓力降, Pa; P1 、P2 分別為單程直管阻力與局部阻力, Pa ;Ft污垢校正系數(shù),對于25mm&#

15、215;2 . 5mm 管子,取Ft = 1 . 4;對于 19mm×2mm 管子, 取Ft = 1 . 5;這里取Ft = 1 . 4；Ns殼程數(shù)，Ns=1 ;Np 管程數(shù)， Np=4。其中流體流過直管段由于摩擦所引起的壓力降可由下式計算: 流體流過回彎管(進、出口阻力忽略不計)因摩擦所引起的壓力降可由下式計算: 式中：摩擦阻力系數(shù); l傳熱管長度, m;di 傳熱管內(nèi)徑, m;ui 管內(nèi)流速, m s;流體密度, kg m3 。由Re=38693<105，設(shè)管壁粗糙度=0.1mm，則相對粗糙度/di=0.005，查莫狄圖得i=0.03W/m·，流速ui=1.2m/

16、s，=995.7kg/m3，所以 P1=0.03× 總壓強降： 4.5.3.2殼程流動阻力（壓強降） po（p1p2）Fs Ns6其中：P0殼程總壓力降, Pa ; P1 流體流過管束的壓力降, Pa;P2 流體流過折流板缺口的壓力降, Pa;Fs結(jié)垢校正系數(shù), 對于液體, Fs = 1 . 15 ; 對于氣體或可凝蒸汽, Fs = 1 . 0，這里取Fs = 1 . 15;Ns殼程數(shù)，Ns=1。其中, 流體流過管束的壓力降流體通過折流板缺口的壓力降式中N每一殼程的管子數(shù)目; NB折流板數(shù)目;B折流板間距, m;D殼體內(nèi)徑, m;F管子排列方式對壓力降的校正因數(shù), 對于正三角形排列,

17、 F = 0 . 5; 對于正方形斜轉(zhuǎn)45°, F = 0 . 4;f0殼程流體的摩擦系數(shù),當(dāng)Re> 500 時, f0 = 5.0 ;其中, Re= ( deu)/ 。nc橫過管束中心線的管數(shù),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 殼程流體橫過管束的最小流速, m /s , Vs殼程流體的體積流量, m3 s。 根據(jù)管子排列方法（這里是正三角形），取F=0.5Re=3785 f0=5.0Re0=0.61 B=240mm D=600mm =825kg/m3 u0=0.432m/s總壓強降： 符合設(shè)計要求。五、設(shè)計結(jié)

18、果匯總 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表：換熱器型式：固定管板式換熱器面積（）：86.7工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水煤油操作溫度，20/4040/140流量，kg/s18.67.01流體密度，kg/995.7825流速，m/s1.20.432傳熱量，kw1556.2總傳熱系數(shù)，w/·k509.9對流傳熱系數(shù)，w/·k6528.1898.4污垢系數(shù)，·k/w0.0003440.000172阻力降，Pa52185.313686.7程數(shù)41使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格.5管數(shù) 200管長，mm6000管間距，mm32排列方式正三角形折流擋板型式上下間距，mm300切

19、口高度25%殼體內(nèi)徑，mm600保溫層厚度，mm管程流體進出口接管1407殼程流體進出口接管接管1145六、設(shè)計評述化工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)個人綜合運用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練，也起著培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力的重要作用。這次化工原理課程設(shè)計是以小組為單位，然后組員各自進行相應(yīng)的確定實驗方案、選擇流程、查取資料、進行過程和設(shè)備的計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計。 在換熱器的設(shè)計過程中,我感覺我的理論運用于實際的能力得到了提升，主要有以下幾點： 在計算方面，這是設(shè)計第一階段的主要任務(wù)，數(shù)據(jù)計算的準(zhǔn)確性直接影響到后面的各階段，這就需要我們具有極大的耐心。從拿到原始設(shè)計數(shù)據(jù)到確定最終參數(shù)，持續(xù)了將近一周，確定需要求的參數(shù)，查質(zhì)料找公式，標(biāo)準(zhǔn)值等，一步一步計算。 在查找資料方面，通過本次設(shè)計，我學(xué)會了根據(jù)工藝過程的條件查找相關(guān)資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料確定主要工藝流程，主要設(shè)備，以及如何計算出主要設(shè)備及輔助設(shè)備的各項