煤油換熱器的設(shè)計(jì)方案

1、化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)者:班級(jí)：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)成績(jī)：計(jì)算說明書圖紙總分日 期：設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目： 用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)條件(1) 煤油處理量： 16 噸/小時(shí)進(jìn)口溫度：130C出口溫度：40C壓強(qiáng)降：v 101.3kPa(2) 冷卻水進(jìn)口溫度：10-20 °C出口溫度：30-40 °C壓強(qiáng)降：v 101.3kPa三、設(shè)計(jì)任務(wù)：(1) 根據(jù)設(shè)計(jì)條件選擇合適的換熱器型號(hào)， 并核算換熱面積、壓力降是否滿足要求， 并設(shè)計(jì)管道與殼體的連接，管板與殼體的連接、折流板等。(2) 繪制列管式換熱器的裝配圖。(3) 編

2、寫課程設(shè)計(jì)說明書。21目錄.4.4.設(shè)計(jì)條件二、設(shè)計(jì)說明書1、設(shè)計(jì)原則： 4（ 1）滿足工藝和操作的要求 4（ 2）滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 4（ 3）保證安全生產(chǎn) 42、設(shè)計(jì)題目及原始數(shù)據(jù) 53、論述換熱器總體結(jié)構(gòu) （ 換熱器型式、主要結(jié)構(gòu)）的選擇 53.1 管束及管殼分程 53.2 傳熱管 53.3 管子布置 53.4 管板 63.5 管子與管板的連接 63.6 管板與殼體的連接 63.7 折流板 63.8 殼體直徑及厚度 73.9 管子在管板上的固定方法 73.10 主要附件 73.11 材料選用 74、換熱器加熱過程有關(guān)計(jì)算 （ 物料衡算、熱量衡算、傳熱面積、換熱管型號(hào)、殼體直徑等 ） ； 8

3、4.1 初算傳熱面積 84.2 計(jì)算換熱器的概略尺寸 84.3 流體定性溫度的確定 94.4 總傳熱系數(shù) K 的計(jì)算 94.5 管壁溫度 124.6 壓力損失計(jì)算 125、設(shè)計(jì)結(jié)果概要 （ 主要設(shè)備尺寸、衡算結(jié)果等） 146、參考文獻(xiàn) 157、設(shè)計(jì)評(píng)述 15設(shè)計(jì)條件1 處理能力 16 噸 / 小時(shí)2.設(shè)備型式列管式換熱器3. 操作條件(1) 煤油：入口溫度130C，出口溫度40C(2) 冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度 1020C，出口溫度3040C(3) 允許壓強(qiáng)降： 小于 101.3k Pa4. 設(shè)計(jì)項(xiàng)目( 1 )設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：A 選擇換熱器的類型：兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度130C出口

4、溫度40C ;冷流體進(jìn)口溫度10C，出口溫度為30r，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，初步確定選用列管式換熱器。B 管程安排：從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使煤油走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷 卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降;又被冷卻的 流體宜走殼程，便于散熱。所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。( 2)根據(jù)設(shè)計(jì)條件選擇合適的換熱器型號(hào)，并核算換熱面積、壓力降是否滿足要求，并設(shè)計(jì) 管道與殼體的連接，管板與殼體的連接、折流板等。(3) 繪制列管式換熱器的裝配圖。二、設(shè)計(jì)說明書1、設(shè)計(jì)原則：(1)滿足工藝和操作的要求 設(shè)計(jì)出來的流程和設(shè)備首先要保證質(zhì)量

5、，操作穩(wěn)定，這就必須配置必要的閥門和計(jì)量?jī)x表等，并自確 定方案時(shí)，考慮到各種流體的流量，溫度和壓強(qiáng)變化使采取什么措施來調(diào)節(jié)，而在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)， 加修應(yīng)方便。( 2)滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 在確定某些操作指標(biāo)和治標(biāo)和選定設(shè)備型式以及儀表配置時(shí)，要有經(jīng)濟(jì)核算的觀點(diǎn)，既能滿足工藝和 操作要求，又使施工簡(jiǎn)便，材料來源容易 ,造價(jià)低廉。如果有廢熱可以利用，要盡量節(jié)省熱能，充分利 用，或者采取適當(dāng)?shù)拇胧┻_(dá)到降低成本的目的。( 3)保證安全生產(chǎn)在工藝流程和操作中若有爆炸、燃燒、中毒、燙傷等危險(xiǎn)性,就要考慮必要的安全措施。又如設(shè)備的材料強(qiáng)度的演算，除按規(guī)定應(yīng)有一定的安全系數(shù)外，還應(yīng)考慮防止由于設(shè)備中壓力突然升高或

6、者造成真空而需要裝置安全閥等。以上提到的都是為了保證安全生產(chǎn)所需要的。設(shè)計(jì)方案也可能一次定不好，后來需要修改，但各物料流通路線和操作指標(biāo)的改動(dòng)都對(duì)后面的計(jì)算有影響，所以最好第一次確立就考慮周到些。2、設(shè)計(jì)題目及原始數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一處理量為16噸/小時(shí)煤油的列管式換熱器，煤油入口處溫度為130C，出口溫度為40C。冷卻水的入口處溫度為1020 C,出口溫度 3040 C,允許壓強(qiáng)降：小于 101.3kPa。煤油流量為 W161000 4.44kg/s60 603、論述換熱器總體結(jié)構(gòu)（換熱器型式、主要結(jié)構(gòu)）的選擇換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：管子在管板上的固定，是否需要溫差補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)，管板的強(qiáng)度，管板與殼

7、體的連接結(jié)構(gòu)，折流板與隔板的固定，蓋板與法蘭的設(shè)計(jì)，個(gè)部件的公差及技術(shù)條件等。3.1管束及管殼分程3.1.1管束分程為了解決管束增加引起管內(nèi)流速及傳熱系數(shù)的降低，可以將管束分程。在換熱器的兩端的管箱中安置一定數(shù)量的隔板，一般每程中管束大致相等。注意溫差較大的流體應(yīng)避免緊鄰以免引起較大的溫差應(yīng)力。管束 分程應(yīng)優(yōu)先考慮偶數(shù)管程，因?yàn)閺闹圃臁惭b、操作的角度來考慮，偶數(shù)管程有較多的方便之處。但是管程 數(shù)不宜太多，否則隔板本身占去相當(dāng)大的布管面積，且在殼程中形成旁路，影響傳熱。3.1.2殼程分程殼程分程型式可分為E型、F型、G型、H型。他們的不同之處在于殼側(cè)流體進(jìn)出口的位置不同。同時(shí)考慮到制造上的困難

8、，一般的換熱器殼程數(shù)很少超過2。3.2傳熱管傳熱管采用普通鋼管或異形管。光滑管常用的規(guī)格有19mr 2mm,25mm 2.5mm兩種。當(dāng)換熱器的傳熱系數(shù)不是很高時(shí)，為了強(qiáng)化傳熱，可采用異形管，如翅片管、螺紋管，其都可以顯著提高傳熱膜系數(shù)，但是 制造困難，流體流動(dòng)的阻力提高。管子的直徑與長(zhǎng)度的確定與工藝密切相關(guān)，長(zhǎng)的選擇應(yīng)根據(jù)我國現(xiàn)有的管 長(zhǎng)的規(guī)格系列（常有3m、6m、9m）截取時(shí)因考慮管材的合理使用，避免浪費(fèi)。3.3管子布置管子布置應(yīng)在換熱器的截面上均勻而緊湊的分布，此外還有考慮流體的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造等方面的 問題等邊三角形排狗（對(duì)正方彤排列筒正方形錯(cuò)列管于的排列方式有等邊三角形和正方形兩

9、種，如圖（a）、圖（b）所示。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方 便，對(duì)易結(jié)垢流體更為適用。如將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45度安裝如圖（c）可在一定的程度上提高對(duì)流傳熱系數(shù)。3.4管板管板用來固定換熱管并起著分隔管程、殼程的作用。管板型有平管板橢圓型管板和雙管板，其中最常見的是平管板。當(dāng)流體有腐蝕性時(shí)，管板應(yīng)采用耐腐蝕 材料，工程上多采用軋制成的符合不銹鋼，或在碳鋼表面堆焊一層厚度不小于5mm的覆蓋層。當(dāng)換熱器承受高溫高壓時(shí)，應(yīng)采用薄型管板，即降低了溫差應(yīng)力，同時(shí)也滿足了高壓對(duì)機(jī)械應(yīng)力的要求。薄管板的突出 優(yōu)

10、點(diǎn)是節(jié)約管板材料，高壓時(shí)殼節(jié)約90%，且加工方便。所以在中低壓換熱器中得以推廣應(yīng)用。3.5管子與管板的連接在管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，管子與管板的連接是否緊密十分重要。如果連接不緊密，在操作時(shí)連接 處發(fā)生泄露，冷熱流體互相混合，會(huì)造成物料和熱量損失；若物料帶有腐蝕性、放射性或者兩種流體接觸會(huì) 產(chǎn)生易燃易爆物質(zhì)，后果將更加嚴(yán)重。在固定管板式換熱器的連接方法處還應(yīng)考慮能承受一定的軸向力，以避免溫度變化較大時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力使管子從管板脫出。焊接法由于具有很多的優(yōu)點(diǎn)（加工簡(jiǎn)單、對(duì)管孔的加工要求不高，較強(qiáng)的抗脫能力使之在高溫高壓下仍 能保持連接處的緊密性，同時(shí)在壓力不太高時(shí)還可采用薄型管板），在一些要求

11、較高的場(chǎng)合被廣發(fā)的應(yīng)用。3.6管板與殼體的連接浮頭式換熱器通常是把管板夾在殼體法蘭與管箱法蘭之間便于管殼程一起清洗。3.7折流板換熱器內(nèi)安裝折流擋板是為了提高完程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。為了獲得良好效果，折流擋板的尺寸和間距必須適當(dāng)。對(duì)于常用的圓缺形擋板， 弓形切口太大或太小， 都會(huì)產(chǎn)生流動(dòng) 死區(qū)”如圖所示，不利于傳熱, 且增加流體阻力。一般切口高度與直徑之比為0.15 0.45，常見的有0.20和0.25兩種。a切口過小，板間過大b切口適當(dāng)c切口過大擋板的間距對(duì)殼程的流動(dòng)有重要的影響，間距太大不能保證流體垂直流過管束,間距太小又不方便檢修，阻力損失也很大。一般采用間距為殼體的0.2-1.0倍。使

12、得管外給熱系數(shù)降低，取折流板間距B=0.3D，則B=0.3 >500=150mm，可取 B 為 150mm。而對(duì)圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對(duì)殼程流體的流動(dòng)情況有重要的影響。有可能造成流體死區(qū)”既不利于傳熱也不利于流體的流動(dòng)。一般來說，弓形缺口的高度可取殼程高度的弓形缺口太大還是太小都0.1 0.4。據(jù)以上原理可以選擇的缺口高度以及擋板常采用 高度為殼體內(nèi)徑的 25%，則切去的圓缺高度為0.2和0.25采用弓形折流板，去弓形折流板圓缺h=0.25 B00=130mm ,傳熱管長(zhǎng)I 折流板數(shù)目Nb 折流板間距口故可取h=130mm6000116.14163503.8殼體直徑及厚度換熱器殼

13、體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于（對(duì)浮頭式換熱器而言）管板的直徑。根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際管數(shù)、管徑、管中心距及管子的排列方法等，可用作圖法確定殼體的內(nèi)徑。但是，當(dāng)管數(shù)較多又要反復(fù)計(jì)算時(shí)，用作圖法 就太麻煩。一般在初步設(shè)計(jì)小，可光分別選定兩流體的流速，然后計(jì)算所需的管程和殼程的流通截面積，于 系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。待全部設(shè)計(jì)完成后，仍應(yīng)用作圖法畫出管子排列圖。為了使管子排列均勻，防 止流體走 短流”可以適當(dāng)增減一些管子。3.9管子在管板上的固定方法管于在管板上的固定方法主要有脹接和焊接兩種。其選擇原則是必須保證管子與管板連接牢固，連接處不會(huì)產(chǎn)生泄漏。實(shí)際生產(chǎn)中，高溫高壓情況下有時(shí)采用脹接加焊接的方法，對(duì)非金

14、屬管和鑄鐵管也有采用墊 塞法的。3.10主要附件 封頭 封頭有方形和圓形兩種，方形用于小直徑（<400mm）的殼體，圓形用于大直徑的殼體。 緩沖擋板為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊，可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板。 導(dǎo)流桶 殼程流體的進(jìn)、出口和管扳問必存在有一段流體不能流動(dòng)的空間（死角），為了提高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流簡(jiǎn)，使流體進(jìn)、出殼積時(shí)必然經(jīng)過這個(gè)空間。放氣孔、排液孔換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝氣體和冷凝液等。3.11材料選用列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降。同時(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐蝕

15、性的材料是很少有的。目前常用的金屬材料有碳鋼、 不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氖乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性 能好，但價(jià)格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。4、換熱器加熱過程有關(guān)計(jì)算（物料衡算、熱量衡算、傳熱面積、換熱管型號(hào)、殼體直徑等）；4.1初算傳熱面積熱量衡算查的煤油在平均溫度85C下的比熱容為cp1 2.22kJ/kg C。水在平均溫度 35C下的比熱容為cp1 4.173kJ / kgC，則熱傳量Q WCp t1 t24.17 2.22130-40833.17KJ/s冷卻水量W833.17對(duì)數(shù)平均溫差Cp t1t24.17319.9657 kg/s130 20

16、tmt1假定冷卻器為殼層單程,PaIn管程t2 hT1 t1上2t1 / t26程的130 3040 20,130 30 ln40 201-76型換熱器，則30 迪 0.09120130Ra49.71 C（以逆流計(jì)）t2t2 t1130 301030 20修正系數(shù)所以30.83 0.8726.83假設(shè)總傳熱系數(shù)K 250kcal /m2 ?h? C2250 1.163290.75W/ m ? CFt 0.75則傳熱面積A估汁705需115109-3m2m4.2計(jì)算換熱器的概略尺寸傳熱管采用碳鋼材料，d° 25mm , di 20.8mm，管長(zhǎng)去6m則需要管子數(shù) M ：NtAd

17、6;l109.30.025 6231為便于布管，一般采取管程的倍數(shù)，即管間距P 32mm。正方形排列，折流板采用Nt234。管子布置。管殼內(nèi)徑 Di 0.600m,D 0.575m。25%的圓缺性折流板，則錯(cuò)流管管排數(shù)Nc 13 中心線或中心線附近管子根數(shù) nc 17每塊折流板上傳熱空個(gè)191，固定拉桿空4個(gè)，因此nB195 ,折流板上圓缺部分管排數(shù)Nw4，折流板上圓缺部分管子44根數(shù)，加上兩根固定拉桿,nw 46。如是折流板數(shù)Nb 28，則折流板間隔:lNb 10.2m28 14.3流體定性溫度的確定流體定性溫度可取流體出入口溫度的平均值,為更為準(zhǔn)確期間,可利用圖4-41進(jìn)行計(jì)算：C心

18、69;Kc(Kh 咼溫端中總熱系數(shù)；Kc 低溫段總傳熱系數(shù))對(duì)于煤油C 0.25咼溫端溫差:thT1t213030100 C低溫端溫差:tcT2t1402020 C所以-tc200.25杳圖4-41，溫度修正系數(shù)Fc0.36，則th100熱流體定性溫度:ThT2Fc(T1T2)40 0.36 (13040)72.4 C冷流體定性溫度：tc t1Fc(t2 t1) 20 0.36 (30 20) 23.64.4總傳熱系數(shù)K的計(jì)算(1)管側(cè)傳熱膜系數(shù)i每程管側(cè)的流道面積d：叫 0.0202 勺6 0.01131m24nt46所以管內(nèi)冷卻水的質(zhì)量流速:GiW 8.9378A 0.01131790.2

19、6kg/(s m2查定性溫度tc 23.6 C時(shí)水的物性:69.47 10 5 Pa s 69.47 10 5kg/(s m)Cp 4.174kJ/(kg C)ReidiGi0.020 790.2669.47 10227510.14修正系數(shù)jH 40又idi.cpJhw0.14假定 w0.98，則jHc130.1440 0.62 4.174 103 69.47 10 5 '$0.982032 W/ m2 Cidiw0.020 0.62(2)殼層傳熱膜系數(shù)0熱交換器中心線或距中心線最近的灌排上錯(cuò)流動(dòng)的最大流道面積：ScDncd0 h 0.575 17 0.025 0.2 0.03m2熱交

20、換器中心線或距中心線最新管派上錯(cuò)流流動(dòng)的最小質(zhì)量流速:GcWh4.44Sc0.03148kg/ s?m2查的定性溫度下，煤油的物性:0.18W/m? CCp 2.0kJ / kg? C正方形排列是冠群的當(dāng)兩只經(jīng)用式(4-7)計(jì)算:de4 0.0322 0.025240.027 mRe。deGe0.027 13930.91 104124PrCP0.0252 103 0.91 10 30.1810.10.91 10 3Pa?s 0.91 10 3kg/ s?m0.14帶入克恩公式：假設(shè)0.95w0.140.55?0.36 RePr0.36 41240.55 10.110.95 479.5w/(m2

21、 c)0.027(3)污垢系數(shù)查有關(guān)文獻(xiàn)可知：管內(nèi)側(cè)另外，管子材質(zhì)金屬導(dǎo)熱系數(shù)60.W / m? C(4)總傳熱系數(shù)K14791ro0ts do0.00017dmdo 丄？d_2 di i di0.025 0.020 2600.0250.0250.02 20.000340.0250.02120320.0250.02K 302與前面假設(shè)的K值比較，比較吻合。(5)傳熱面積裕度Q833.17 103 十，2傳熱面積 Ac55.4m2K tm302 49.71該換熱器實(shí)際傳熱面積為 ApAp d0INt 3.14 0.025 6 234 110.3m2面積裕度 H A一Ac 1103 91420.6

22、7%A91.44.5管壁溫度twtw tc0i di d0-Th0tc23.3479.52032 型0.025479.5查36 C下煤油粘度14.510 3Pa?s，水的粘度0.14對(duì)管程:0.91 1031.45 100.140.93772.4 23.636.856558.83 10 5Pa?s0.140.14對(duì)殼程:58.83 1069.47 10 50.98所以計(jì)算管側(cè)、殼側(cè)時(shí)假定的值是正確的。w4.6壓力損失計(jì)算(1).殼程Pt10.4 蛍qc2185.3 3.6610.4廠1.27 108 8252.7 104 Pa(2)管程修正系數(shù) Re 11573.9時(shí)的摩擦阻力系數(shù) ft 0.

23、009。直管部分的壓力損失24ftGi I nt2qc d4 0.008 (790.26 3600)2 6 682 1.27 101030 0.0152375.94kg/ m223284.2Pa管箱處壓力損失pr4Gn2qc4 (790.26 3600)2 62 1.27 108 10302742.48kg/m7276.3 pa101.3Kpa管側(cè)壓力損失之和p pptpr 30560.5Pa所以，管側(cè)、殼側(cè)的壓力損失均滿足要求，該設(shè)計(jì)可行。5、設(shè)計(jì)結(jié)果概要（主要設(shè)備尺寸、衡算結(jié)果等）;參數(shù)管程殼程流體冷卻水煤油進(jìn)/出口溫度/C20/30130/40物性定性溫度/C23.369.7密度 / (

24、kg/m3)993800定壓比熱容/kJ/ (kg k)4.1742.0粘度 / (Pa s)6.47 X 10 50.91 X 10 3熱導(dǎo)率（W/m k）0.620.18設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式列管式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/伽600臺(tái)數(shù)1管徑/伽 25 X 20管心距/伽32管長(zhǎng)伽6000管子排列正方形排列管數(shù)目/根234折流板數(shù)/個(gè)28傳熱面積/ tf181.3折流板間距加m150管程數(shù)6材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/ （怦.k）2032479污垢熱阻/ (tf k/W)0.000340.00017壓力損失/ Pa42.7 103.056 104熱流量/Kj/s740.59傳熱系數(shù)/W/ (tf K)302裕度/%20.67%參考文獻(xiàn)1) 蘭州石油機(jī)械研究所 . 換熱器 . 北京：烴加工出版社， 19982) 大連理工大學(xué)化工機(jī)械系 .化工設(shè)備設(shè)計(jì) . 換熱器設(shè)計(jì)， 19