列管式煤油冷卻器設(shè)計(jì)項(xiàng)目計(jì)劃書

1、列管式煤油冷卻器設(shè)計(jì)計(jì)劃書、設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目： 煤油冷卻器的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1、設(shè)計(jì)任務(wù)處理能力： 20 萬(wàn)噸/ 年設(shè)備型式： 列管式2、操作條件(1) 煤 油：入口溫度 140C 出口溫度 40C(2) 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水 入口溫度20C出口溫度40C( 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)c 825kg / m3c 7.05 10 4 Pa scpc 2.22kJ / kg oCc 0.14W / m oC( 5)每年按 330 天計(jì)算，每天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。、設(shè)計(jì)書1、概述換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在 生產(chǎn)中占有

2、重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各 不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。 根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱 式、間壁式。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的作用和地位的不同，換熱器的類型也 多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。列管式換熱 器是最典型的管殼式換熱器， 它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史， 而 且至今仍在換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。 列管式換熱器主要由殼體、 管束、 管板和封頭等部分組成。列管式換熱器種類很多， 目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來(lái)分， 主要有以下幾種：1. 固定管板式換熱器：這

3、類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械 清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在 其上連接有頂蓋， 頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。 通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較 大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭 彎或使管子從管板上松脫， 甚至毀壞換熱器。 為了克服溫差應(yīng)力必須 有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50 C以上時(shí)，為安全起見(jiàn)，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼 壁與管壁溫差低于60 70 C和殼程流體壓強(qiáng)不

4、高的情況。一般殼程 壓強(qiáng)超過(guò) 600kpa 時(shí)由于補(bǔ)償圈過(guò)厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖?用，就應(yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。2. 浮頭式換熱器：換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連 接，以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮， 但在這塊管板上連接一個(gè) 頂蓋，稱之為“浮頭” ，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn) 是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩 種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí)， 不會(huì)因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高3. U 型管式換熱器U形管式換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上。 且每根管子均彎成U形，流體進(jìn)、出口分別安裝

5、在同一端的兩側(cè)，封 頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來(lái)解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。其 特點(diǎn)是管束可以自由伸縮， 熱補(bǔ)償性能好； 雙管程，流程長(zhǎng)，流速高， 傳熱性能好；承壓能力強(qiáng)；管束可以從殼體中抽出，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造 價(jià)低。但其管數(shù)少且易短流。故僅適用于管殼壁溫差較大，或殼程介 質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形。4. 填料函式換熱器這類換熱器管束一端可以自由膨脹， 結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單， 造價(jià)也比 浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易 燃、易爆和有毒的介質(zhì)。2. 設(shè)計(jì)方案的選擇2.1換熱器類型的選擇根據(jù)操作條件，熱流體入口溫度140C，出口溫度40C ;冷卻

6、介 質(zhì)入口溫度20C，出口溫度40C，允許壓降不大于O.IMPa。由于煤油是易燃物質(zhì)，故不宜選用填料函式換熱器；由于不存在 高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形，故無(wú)需選用 U形管換熱器；又根據(jù)兩 流體溫度變化情況，該換熱器的管壁溫度和殼體溫度有較大溫差（50C以上），最大允許壓降也不高，故可選用浮頭式換熱器或帶補(bǔ) 償圈的固定管板式換熱器。又由于固定管板式換熱器相對(duì)于浮頭式換 熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜，故為首選。2.2管子的排列方式的選擇管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種。和正方形相比，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 方形排列比較松散，傳熱效果較差，但管外清潔較方便，對(duì)

7、易結(jié)垢的 流體較適用，此處管內(nèi)流體為水，故可不考慮結(jié)垢的問(wèn)題，因此管子 排列可選用等邊三角形排列的方式。2.3流體的選擇操作條件中冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，在運(yùn)行過(guò)程中，隨著揮發(fā)水量的 消耗，水中各種雜質(zhì)的濃度也會(huì)相應(yīng)增大，結(jié)垢的概率也會(huì)同時(shí)增加， 而固定管板式換熱器要求殼程介質(zhì)清潔， 不易結(jié)垢，故應(yīng)采用冷卻水 走管程，煤油走殼程。2.4水和煤油的流向選擇對(duì)于流向問(wèn)題，比較逆流和并流時(shí)的平均溫差并流時(shí)，有： 6=(40-40) C =0C , 1=(140-20) C =120CTm,并旦C,120In0逆流時(shí)，有： Ti=(40-20) C =20C,A T2二(140-40) C =100CTm,

8、逆InT2100 20C ,100In49.7CT120由計(jì)算結(jié)果得出，逆流時(shí)的平均溫差較并流的大。故在換熱器的 傳熱量Q及總傳熱系數(shù)K相同的條件下，采用逆流操作可以節(jié)省傳熱 面積，減少設(shè)備費(fèi)；或可以減少換熱介質(zhì)的流量，降低運(yùn)行費(fèi)。因此 優(yōu)先考慮逆流操作。另外為了強(qiáng)化傳熱，列管式換熱器的管程或殼程常常為多程，流 體經(jīng)過(guò)多次折流后流出換熱器，使得換熱器內(nèi)流體流動(dòng)形式偏離純粹 的逆流和并流。3. 確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù)定性溫度：一般取流體進(jìn)出口溫度的平均值。殼程流體煤油的定性溫度為Ti 140 40 90C2管程流體循環(huán)水的定性溫度為T2竺凹30C2根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。殼

9、程流體一一煤油在90 C的部分物性數(shù)據(jù)如下:密度 p c (kg/m )825比熱容 Cpc (kJ/(kg °C)2.22粘度口 c(Pa s)0.000705導(dǎo)熱系數(shù)入c (W/(m2 0C)0.14管程流體一一水在30C的部分物性數(shù)據(jù)如下:密度 p i (kg/m3)995.7粘度口 i (Pa s)0.0008007導(dǎo)熱系數(shù)入i (W/(m2 0C)0.6176比熱容 Cp (kJ/(kg °C)4.1744. 設(shè)計(jì)計(jì)算（逆流操作）4.1計(jì)算總傳熱系數(shù)20 107 /熱流量：q1330 24 25252.53(kg/h)7.01(kg/s)傳熱量:6Q。二qg11=

10、25252.53 X 2.22 X (140 -40)=5.61 X 10 kJ/h=1557.24 kW平均傳熱溫差:tmInt2(140 40) (40 20)140 40In40 2049.71( C)T1-T2t2 - t1140 4040 20七2 hT1 t140 20140 200.167由換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)圖1-3-6查得校正系數(shù)為0.883，所以修正后的傳熱溫度差為tm t t'm 0.883 49.7143.89oC冷卻水用量:6qi Cp 釘丁爲(wèi)。20） 67201 .72（kg/h）1867（kg/s）由常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)表 1-6，查得水與煤油之間的傳熱系數(shù)在

11、290-698w/（m2. °C），初步設(shè)定 K=500w/（m. °C）。4.2計(jì)算傳熱面積估算的傳熱面積為70.96m2A 1557240K tm 50043 .895. 核算總傳熱系數(shù)及傳熱面積5.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù)殼程流通截面積A，A0 hD 1 d00.15 0.6 100.01969m20.032式中h-折流板擋間距，取150mm殼程流體流速及其雷諾系數(shù)分別為uo7.01V08250.432m/sA00.01969Reode u。0.020 0.432 8250.00070510110.6普蘭特準(zhǔn)數(shù)p d 2.22 0.000705 10伯仃90.14粘度校正由

12、于是正三角形排列，當(dāng)量直徑 de,deyj3 224訂訂。4 丄3 0.03224 °.°252do0.0202m3.14 0.025因?yàn)镽在2 103 1 106范圍內(nèi)，故可采用凱恩（Kern）法求算0.140.36R 0.55 P1/3eode0.14其中，取一 1w0 0.36器 10110 嚴(yán) 口計(jì) 1 898.45.2管程對(duì)流傳熱系數(shù)管程流通截面積Ai3.14 0.022 200440.0157m2UiAReidu0.02 1.2 995.70.000800729844.89管程流體流速以及其雷諾數(shù)分別為18.671.2m/s995.70.0157普朗特準(zhǔn)數(shù)3Pr

13、CP4.174 0.0008007 10一5.410.6176水在管程中是被加熱0.023嚴(yán)0 計(jì)4故管程對(duì)流換熱系數(shù)O.。23常沖他叫/仟530375.3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)的污垢熱阻 RS） 1.7179 10 4 m2 °C/W 循環(huán)水側(cè)的污垢熱阻 Rs 3.44 10 4 m2 OC/W 鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為入=455.4傳熱系數(shù)K丄 1 R 処 R蟲衛(wèi)K 0 so dm si diidi1898.40.0001720.0025 0.02545 0.02250.0003440.0250.020.0255303.7 0.02解得 K=496

14、.89 W/(m2.°C)傳熱面積 AK tm1557240496.89 43.8971.40m286.66m2實(shí)際傳熱面積 AP dIN 3.14 0.025 6 (200 16)5.5傳熱面積裕度該換熱器的面積裕度為Ap A 100%100%17.6%86.66結(jié)果處于要求的15%20的范圍內(nèi)，該換熱器符合實(shí)際生產(chǎn)要求6. 主要設(shè)備工藝尺寸計(jì)算6.1管徑尺寸和管內(nèi)流速的確定考慮到流體的流速，選用25X2.5的傳熱管（碳鋼管），即管內(nèi) 徑 di =0.025-0.0025 X 2=0.02，取管內(nèi)流速 Ui=1.2m/s。6.2傳熱面積、管程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)的確定 根據(jù)傳熱內(nèi)徑和流

15、速確定單程傳熱管數(shù)18.67V ns4995.7空 0.0221.249.76 50根按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為Ad° ns70.963.14 0.025 5018.08m按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)1=6，則該換熱器管程數(shù)為山=弩8 3.01 4（管程）l 6熱管總根數(shù)N=50 X 4=200（根）由于平均傳熱溫差校正系數(shù)為 0.883大于0.8，且殼程流體流量較大，故采取單殼程較合適橫過(guò)管束中心線的管數(shù)為nc 1.1N 1.1, 20016(根)c采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率n =0.7，殼體內(nèi)徑為D 1.05 t、N/ 1.05 32、200567.9mm故取D

16、 600mm6.3接管尺寸及折流板數(shù)的確定殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u = 1.0 m/s ,則接管內(nèi)徑為d= |4V=0.1040m u * 3.14 1經(jīng)調(diào)整采用114mm< 5mm熱軋無(wú)縫鋼管(GB8163-87),取標(biāo)準(zhǔn)管 徑為114mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u = 1.5 m/s,則接管L b毆內(nèi)徑為 d= J4V =0.126mV u *3.14 1.5經(jīng)調(diào)整采用140mm 7mm熱軋無(wú)縫鋼管(GB8163-87),取標(biāo)準(zhǔn)管徑為140mm.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h 0.25 600 150mm取折流

17、板間距B °.4D0.4 600240mm，取板間距為 300mm傳熱管長(zhǎng)折流板間距1 6000 i I?塊3007. 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表:換熱器型式：固定管板式換熱器面積(m2) : 86.66工藝參數(shù)項(xiàng)目管程殼程物料名稱循環(huán)水煤油操作溫度(C)20/4040/140流量(kg/s)18.677.01流體密度(kg/ m3)995.7825流速（m1.20.432對(duì)流傳熱系數(shù)（w/川）k5303.7898.4污垢系數(shù)（ k/w）程數(shù)41使用材料碳鋼碳鋼傳熱量（kw）1557.24總傳熱系數(shù)（w/川.k）496.89管子規(guī)格 25 2.5管數(shù)/根200管長(zhǎng)

18、/mm6000殼體內(nèi)徑，mm600折流板數(shù)19官程流體進(jìn)出口接管規(guī)格140 7殼程流體進(jìn)出口接管接管規(guī)格114 5三、附圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)附圖四、設(shè)計(jì)評(píng)述首先，這次課程設(shè)計(jì)是我們所接觸的實(shí)踐任務(wù)中最繁瑣的、專業(yè) 性最強(qiáng)的，所要用到的知識(shí)很多，包括機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)械制圖、工 程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、制冷原理和換熱器原理與設(shè)計(jì)等方面 的知識(shí)。這些知識(shí)不是機(jī)械的相加，而是需要全面的考慮和整體布局， 不止一次因?yàn)榭紤]不全而要重新來(lái)過(guò)。 最后，整體計(jì)算了三次才選定 初步的換熱器型號(hào)。另外， 有時(shí)為了一個(gè)數(shù)據(jù)需要查找好幾本書，還 是找不到結(jié)果的時(shí)候，是挺煩躁的，很容易讓人想放棄。但功夫不負(fù) 有心人，努力終會(huì)結(jié)果，特別是在其他同學(xué)都還沒(méi)找到而你找到時(shí)， 拿來(lái)跟同組其他同學(xué)共享，那更是一件樂(lè)事。在辛苦的同時(shí)，享受著 辛苦帶來(lái)收獲的喜悅。其次，這次課程設(shè)計(jì)還考驗(yàn)了我們的團(tuán)隊(duì)合作精神， 以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓?作態(tài)度、平和的心態(tài)。這次設(shè)計(jì)工作量大，用到的知識(shí)多，而且我們 又是第一次設(shè)計(jì)，所以單獨(dú)靠自己是無(wú)法完滿的完成本次課程設(shè)計(jì)。 我們同組同學(xué)之間經(jīng)常要進(jìn)行討論，甚至爭(zhēng)論，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，改正 問(wèn)題并產(chǎn)生較合理的結(jié)果和方法。同時(shí)爭(zhēng)論讓我更加清楚地了解自 己，讓我明白我要更加耐心的表達(dá)我的想法，把問(wèn)題解析清楚，也要 耐心的聽(tīng)其他同學(xué)的意見(jiàn)。 如果有實(shí)在解決