煤油冷卻器 設計

1、 河 西 學 院Hexi University化工原理課程設計題 目: 煤油冷卻器設計 學 院: 化學化工學院 專 業(yè): 化學工程與工藝 學 號: 2014210033 姓 名: 張冠雄 指導教師: 王興鵬 2016年11月21日 化工原理課程設計任務書一、設計題目煤油冷卻器的設計二、設計任務及操作條件1.設計任務生產能力（進料量） 25000 噸/年操作周期 7200 小時/年2.操作條件煤油入口溫度 120 ，出口溫度 40 冷卻介質 自來水 ，入口溫度 20 ，出口溫度 40 允許壓降 105Pa 冷卻水溫度 20 飽和水蒸汽壓力 0.25Mpa(表壓) 3.設備型式 列管式換熱器 4.

2、廠址 上海（壓力：1atm ） 三、設計內容1.設計方案的選擇及流程說明2.換熱器的工藝計算3.換熱器的主要尺寸設計4.輔助設備選型5.設計結果匯總6.繪制換熱器總裝配圖：主視圖、俯視圖、剖面圖、兩個局部放大圖7.設計評述目 錄1概述11.1化工原理課程設計的目的、要求11.2列管式換熱器及其分類11.3換熱器的設計要求31.4符號說明32確定設計方案42.1設計任務42.2列管式換熱器形式的選擇42.3管殼程的選擇52.4流體流速的選擇53列管式換熱器的結構63.1管程結構63.2 殼程結構74列管式換熱器的設計計算84.1計算步驟84.2計算傳熱系數94.3計算傳熱面積105工藝結構尺寸的

3、計算105.1管徑和管內流速105.2管程數和傳熱管數105.3平均傳熱溫差校正系數105.4傳熱管排列和分程方法115.5殼體內徑115.6折流板115.7接管116換熱器核算126.1熱量核算126.2面積核算136.3換熱器內流體的流動阻力137換熱器主要結構尺寸和計算結果158其他部件的選擇159設計評價17參考文獻17致 謝18附圖煤油冷卻器設計作者：張冠雄摘要：換熱器在許多行業(yè)中有非常重要的地位，尤其是在化工、石油、等行業(yè)中。本次課程設計的任務是設計年處理25000噸煤油的煤油冷卻器，采用列管式換熱器。設計過程包括方案確定、換熱器結構選擇、主要換熱設計計算并繪制列管式換熱器的裝配圖

4、。通過熱量核算，壓力降的核算以及面積裕度的求解，該換熱器能夠完成設計任務。關鍵詞：列管式換熱器 折流板 法蘭 管板 煤油 水1 概述1.1 化工原理課程設計的目的、要求課程設計是化工原理課程教學中綜合性和實踐性較強的教學環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是使學生體察工程實際問題復雜性的初步嘗試，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內完成指定的化工設計任務，從而得到化工設計的初步訓練通過課程設計，要求學生了解工程設計的基本內容，掌握化工設計的主要程序和方法，培養(yǎng)學生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以使學生樹立正確的設計思路，培養(yǎng)實事求是、嚴肅認真、高度負責的科學作風。課程設計是學

5、生展示創(chuàng)新能力的有益實踐。在設計中需要學生作出決策，即自己確定方案、選擇流程、查閱資料、進行過程和設備計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經過反復的分析和比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設計。所以，課程設計是培養(yǎng)學生獨立工作能力、增強學生創(chuàng)新意識的環(huán)節(jié)。通過課程設計，應該提高以下幾個方面的能力：熟悉查閱文獻資料、搜索有關數據、正確選用公式。當缺乏必要數據時，尚需通過實驗測定或到生產現場實際查定。在兼顧技術上先進性、可靠性、經濟上合理性的前提下，綜合分析設計任務的要求，確定化工工藝流程，進行設備選型，并提出保證過程正常。安全運行所需要的檢測和計量參數，同時還要考慮改善勞動條件和環(huán)境保護的有效

6、措施。準確而迅速地進行過程設計計算及主要設備的工藝設計計算。用精練的語言、簡潔的文字、清晰地圖表來表達自己的設計思想和計算結果。1.2 列管式換熱器及其分類列管式換熱器是目前化工及酒精生產上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質，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接管處進入，在管流動，從封頭的另一接管處流出，這稱之管程；另一種流體由管殼的接管進入，從殼體的另一接管處流出，這稱之為殼程。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償結構來分，主要由以下幾種：固定管板式換熱器：這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，

7、但管外不能機械清洗。當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時，為了安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6MPa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償的作用，就應考慮其他結構。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可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱

8、器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清洗：管束的膨脹不受殼程約束，因而當兩種換熱器介質的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產生溫差應力。其缺點為結構復雜，造價高。U型管式換熱器U型管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊板上，每根管子節(jié)課自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點是結構簡單，質量輕，適用于高溫高壓條件。填料式換熱器這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質。1.3 換

9、熱器的設計要求隨著經濟的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現。為了適應發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經建立了標準，形成了系列。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下基本要求：合理地實現所規(guī)定的工藝條件；結構安全可靠；便與制造、安裝、操作和維修；經濟上合理。1.4 符號說明英語字母：希臘字母：A流通面積，m2對流傳熱系數，W/（m2）b厚度，m相鄰板間間距，mcp定壓比熱容，kJ/(kg)有限差值d管徑，m導熱系數，W/（m2）D換熱器殼徑，m摩擦系數f摩擦因數pasf溫度校正系數密度，kg/m3F系數校正系數g重力加速度，m/s2h擋板間距，mK長度，m

10、L長度，mn指數下標：n管數c冷流體n程數e當量N程數h熱流體Nu努賽爾特數i管內P壓強，pam平均P因數o管外pr普蘭特數t溫度差q熱通量，Wm2w壁面Q傳熱速率，Ws污垢r半徑，ms飽和r汽化熱，kJkgR熱阻，m2WR因數Re雷諾數S面積，m2t冷流體溫度，t管心距，mT熱流體溫度，u流速，m/sw質量流量，kgs2 確定設計方案2.1 設計任務年處理25000噸煤油的沒有冷卻器 煤油：入口溫度120 ，出口溫度40 冷卻介質：自來水；入口溫度： 20 ，出口溫度：40允許壓降： 105Pa每年按7200小時計算，每天24h連續(xù)運行2.2 列管式換熱器形式的選擇由于煤油和自來水兩流體定性

11、溫度差等于50，根據各類型列管式換熱器的優(yōu)缺點，故選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。2.3 管殼程的選擇宜于通入管內空間的流體不清潔的流體。因為在管內空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內空間也便于清洗。流量小的流體。因為管內空間的流動截面往往比管外空間截面小，流體易于獲得必要的理想流速，而且也便于做成多程流動。有壓力的流體。因為管子承受能力強，而且還簡化了殼體密封的要求。腐蝕性能強的流體。因為只有管子及管箱才需用耐腐蝕性材料。而殼體及管外空間的所有零件均可用普通材料制造，所以價格可以降低。此外，在管內空間裝設保護用的襯里或覆蓋層也比較方便，并且容易檢查。與外界溫差大的流體

12、。因為可以減少熱量逸散。宜于通入管間空間的流體當兩流體溫度差較大時，值大的流體走管間，這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差，因而也減少了管束與殼體間的相對伸長，故溫差應力可以降低。若兩流體傳熱性能相差較大，值小的流體走管間。此時可以用翅片管來平衡傳熱面兩側的給熱條件，使之相互接近。由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，本次設計應使循環(huán)水走管程，油品走殼程。2.4 流體流速的選擇提高流體在換熱器中的流速將增大對流傳熱系數，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，降低了污垢熱阻，使總傳熱系數增加，所需傳熱面積減少，設備費用降低。但是流速增加，流動阻力將相應加大，使操作費用增加。所以適宜的流速應通過經濟核算

13、確定。此外，流速還應使換熱器管長或管程適當。因為一方面管子太長，不易清洗，且一般管長都有一定標準。另一方面管程增加，將導致管程流體阻力加大，增加動力費用，同時平均溫差較單程管時減小，降低傳熱效果。因此，選用25×2.5的碳鋼管，管內流速取ui=0.5 m/s。3 列管式換熱器的結構3.1 管程結構管子在管板上的固定管子與管板連接方法有兩種：脹接與焊接。在高溫高壓時也常采用脹焊結合的方法。脹接是利用脹管器使管端發(fā)生塑性變形，管板孔產生彈性變形。取出脹管器后管板孔彈性收縮，管板與管子之間就會產生一定的擠緊壓力，從而達到密封和牢固連接的目的。對于高溫高壓流體，多采用焊接法。焊接法比脹管法有

14、更大的優(yōu)越性：管板孔加工要求低，加工簡便；焊接強度高，在高溫高壓下仍能保持連接的緊密性等。當流體壓力高、滲透性強，或一側有腐蝕性介質時，要求管子與管板的連接處絕對不漏，可用賬焊結合的方法。本次設計管子在管板上的固定采用焊接。管子的排列固定管板式多采用正三角形排列：正三角形排列結構緊湊。浮頭式則以正方形錯列居多：正方形排列便于機械清洗。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。本次設計選用25×2.5的碳鋼管，管子排列為正三角形排列，管心距為32mm管板管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來

15、，管板與管子的連接可用脹接和焊接。固定管板常采用不可拆連接。兩端管板直接焊在外殼上并兼作法蘭，拆下頂蓋可檢修脹口或清洗管內。浮頭式，U型管式等為使殼體便于清洗，常采用板夾在殼體法蘭和頂蓋法蘭之間構成可拆連接。本次設計采用不可拆連接。查得管板厚度為38mm。封頭和管箱封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。封頭 當殼體直徑較小時常采用封頭。接管和封頭可用法蘭和螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。管箱 殼徑較大的換熱器大多采用管箱結構。管箱具有一個可拆蓋板，因此在檢修或清洗管子時無須卸下管箱。分程隔板 當需要的換熱面積很大時，可采用多管程換熱器，對于多管程

16、換熱器，在管箱內應設分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數目大致相等。這樣可提高介質流速，增強傳熱。3.2 殼程結構殼體列管式換熱器的殼體基本上呈圓筒形，殼壁上焊有接管。直徑小于400mm通常直接采用鋼管制成：大于400mm時用鋼板卷焊而成。在殼程進口接管處常裝有防沖板或稱緩沖板，以防止進口流體直接撞擊管束上的管排，因為流體的撞擊會侵蝕管子，并引起振動。采用導流體裝置不僅能起防沖板作用，而且還可以改善兩端的流體分布，提高傳熱效率。導流體不僅用于進口，還可以用于出口。大型換熱器在高流速下工作時，導流筒更顯示出其優(yōu)越性。換熱器殼體內徑應等于或略大于管板直徑。殼體內經計算式：D=1.05a

17、N/ 式中 D殼體內經a管中心距，焊接法a=1.25do，do為傳熱管外徑管板利用率，這里取0.7N傳熱管總根數折流擋板折流擋板的主要作用是引導殼程流體反復的改變方向做錯流流動，以加大殼程流體流速和湍動程度，致使殼程對流傳熱系數提高。另外，折流擋板還起了支撐管子的作用，防止管束振動和彎曲。折流擋板的形式有圓缺形，環(huán)盤形和孔流形。折流板的間隔，在允許的壓力范圍內希望盡可能小。一般推薦的折流板的間隔最小值為殼內徑的1/5或者不小于50mm，最大值決定于支持管所必要的最大間隔。本次設計折流擋板間距為90mm。緩沖板在殼程進口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。它可防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵

18、蝕和管束振動，還有是流體沿著管束均勻分布的作用。還有的在管束兩端放置導流筒，這不僅起防沖板的作用，還可改善兩端流體的分布，提高傳熱效率。其他主要附件旁通擋板 如果殼體和管束間間隙過大，則流體不通過管束而通過這個間隙旁通，故往往采用旁通擋板。假管 為減少管程分程所引起的中間穿流的影響，可設置假管。拉桿和定距管 為了使折流板能牢靠的保持在一定位置上，通常采用拉桿和定距管。4 列管式換熱器的設計計算4.1 計算步驟確定設計方案由上述諸多條件，初步選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器由于循環(huán)水易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，油品走殼程。選用25×2.5的碳鋼管，管內流速取ui=0.5 m

19、/s。確定物性參數定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。殼程油的定性溫度為 T=120+402=80 管程流體的定性溫度為 t=20+402=30 ()根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關數據。煤油在80下的有關物性數據如下：密度 o=781 kg/m3定壓比熱容 cpo=2.28 kJ/(kg)導熱系數 o=0.14 W/（m2）粘度 o=0.000664 Pas循環(huán)冷卻水在30下的物性數據：密度 i=995.7 kg/m3定壓比熱容 cpi=4.174kJ/(kg)導熱系數 i=0.618 W/（m2）粘度 i=0.000801 Pas4.2 計算傳熱系數熱流量 QO=qmocpoto

20、= 25000×10007200×2.28×120-40=6.3×105kJh=176(kW) 平均傳熱溫差 tm，=t1-t2lnt1t2=120-40-40-20ln120-4040-20=43.3冷卻水用量 qmi=Qocpiti=6300004.174×40-20=7547（kg/h）總傳熱系數K管程傳熱系數： Re= diuiii= 0.02×0.5×995.70.000801 =12431 i=0.023ididiuiii0.8 =2634 W/（m2）殼程傳熱系數：假設殼程傳熱系數o=300 W/（m2）污垢熱

21、阻Rsi=0.0002m2W， Rso=0.00017m2W管壁的導熱系數=45 W/（m2） K=1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o =10.0252634+0.0002×0.0250.02+0.0025×0.02545×0.0225+0.00017+1300 =261.47Wm4.3 計算傳熱面積 S，=QKtm=176×103261.47×43.3=15.54m2考慮15%的面積裕度，S=1.15×S，=1.15×15.55=17.87m25 工藝結構尺寸的計算5.1 管徑和管內流速選用25

22、5;2.5傳熱管（鋼管），取管內流速ui=0.5 m/s。5.2 管程數和傳熱管數依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數。 ns=V4di2u= 7547995.7×36000.785×0.022×0.5 =13.4114（根）按單程管計算，所需要的傳熱管長度為 L=Sdons=17.873.14×0.025×14=16.26（m）按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構?，F取傳熱管長L=4.5m，則該換熱器管程數為： NP=Ll= 16.264.54（管程）傳熱管總根數N=14×4=56（根）5.3 平均傳熱溫差校正系數 R =12

23、0-4040-20= 4 P =40-20120-20= 0.2按單殼程，四管程結構，溫差校正系數查有關圖表得t=0.83。平均傳熱溫差tm=t，tm=0.83×43.3=36（）5.4 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距a=1.25do，則： a=1.25×25=31.2532（mm）管板兩側管心距為44（mm）橫過管束中心線的管數nc=1.1N=1.1×568（根）5.5 殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率=0.7，則殼體內徑為：D=1.05aN=1.05×32560.7=300.5（mm

24、）圓整可取325mm5.6 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25×325=81.25mm，故可取h=80mm。取折流板間距B=0.3D，則B=0.3×325=97.5（mm），可取B為90。折流板數NB=傳熱管長/折流板間距-1=450090-1=49（塊）折流板圓缺面水平裝配。5.7 接管殼程流體進、出口接管：取接管內油品流速為1.0 m/s，則接管內徑為： d=4Vu=4×34723600×7813.14×1.0= 0.039（m）取標準管徑為45mm×3mm。管程流體進出口

25、接管：取接管內循環(huán)水流速為u=1.5 m/s，則接管內徑為： d=4×75473600×995.73.14×1.5=0.042（m）取標準管徑為50mm×4mm。6 換熱器核算6.1 熱量核算殼程對流傳熱系數。對圓缺性折流板，可采用凱恩公式： o=0.36deReo0.55Pr13w0.14當量直徑，由正三角形排列得： de=432a2-4×do2do=4320.0322-4×0.02523.14×0.025=0.020（m）殼程流通面積： So=BD1-doa=0.09×0.325×1-0.0250.0

26、32=0.006（m2）殼程流體流速及雷諾系數分別為： Reo=0.02×0.21×7810.000664=4940普蘭特準數： pr=2.28×103×664×10-60.14=10.8黏度校正： w0.141 o=0.36×0.1400.02×49400.55×10.813=599Wm2管程對流熱系數：管程對流截面積： Si=0.785×0.022×562=0.0088m2管程流體流速： ui=75473600×995.70.0088=0.24ms Rei=0.02×0.

27、24×995.70.000801=5967普蘭特準數： pr=4.174×103×0.0008010.618=5.41 i=0.023×0.6180.02×59670.8×5.410.4=1464Wm2傳熱系數K K= 1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o =10.0251464×0.020+0.0002×0.0250.020+0.0025×0.02545×0.0225+0.00017+1599 = 333Wm6.2 面積核算傳熱面積S S=QKtm=176×1033

28、33×36=14.36m2該換熱器的實際傳熱面積Sp Sp=dolN=3.14×0.025×4.5-0.06×56-8=16.73m2該換熱器的面積裕度為： H=Sp-SS×100%=16.73-14.3614.36×100%=16.5%傳熱面積合適，該換熱器能夠完成生產任務。6.3 換熱器內流體的流動阻力管程流動阻力 pi=p1+p2FtNsNpNs=1，Np=4，Ft=1.4 p1=ildu22,p2=u22由Re=5967，傳熱管相對粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄圖得i=0.04，流速ui=0.24（m/s），i=99

29、5.7 kg/m3 p1=0.04×4.50.02×995.7×0.2422=258.1（pa） p2=u22=3×995.7×0.2422=86（pa） pi=258.1+86×1.4×4=1927（pa）<105（pa）管程流動阻力在允許范圍內。殼程阻力 po=p1，+p2，FtNsNs=1，Fs=1.15流體流經管束的阻力： p1，=FfoncNB+1uo22F=0.4 fo=5×4940-0.228=0.719nc=8，NB=49，uo=0.21（m/s） p1，=0.4×0.719

30、5;8×49+1781×0.2122=1981（pa）流體流過折流板缺口的阻力： p2，=NB3.5-2BDuo22B=0.09（m），D=0.3（m） p2，=49×3.5-2×0.090.325×781×0.2122=2486（pa）總阻力 po=1981+2486×1.15×1=5137（pa）<105（pa）殼程流動阻力也比較適宜。7 換熱器主要結構尺寸和計算結果換熱器形式 固定管板式換熱面積/m2 16.73工藝參數名稱物料名稱操作壓力/MPa操作溫度/流量/（kg/h）管程循環(huán)水0.420/407

31、547殼程油0.3120/403472流體密度/ kg/m3995.7781流速/（m/s）0.240.21傳熱量/kW176總傳熱系數/Wm333傳熱系數/Wm1464599污垢系數/m2K/W0.00020.00017阻力降/MPa0.001920.005137程數41推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格25×2.5管數56管長4500mm管間距/mm32排列方式正三角形折流板形式上下間距/mm90切口高度25%殼體內徑/mm3258 其他部件的選擇封頭管箱采用標準橢圓封頭與筒體短節(jié)焊接的組合體，及分程擋板。分程擋板厚度8mm，分程形式如圖1所示（隔板兩側管心距c=44mm）： 圖1 分程示意圖其中標準橢圓封頭EHA的內徑di=325mm，厚度n=8mm，查標準有直邊高度h=25mm。筒體短節(jié)取其長度L=200mm。由 =pDi2-0.5p校核其厚度滿足要求。如圖2所示封頭形式： 圖2 封頭形式h=25mm，H=106.25mm，DD=325mm，=8mm。法蘭管板厚度h=38mm，兼作法蘭，其尺寸要求與容器法蘭對應。管板（帶法蘭）各尺寸及標準如圖3所示： 圖3 管板法蘭示意圖其中：D=460mm，D1=410mm，D2=309mm，D