煤油冷卻器設(shè)計

1、課程設(shè)計報告( 20162017年度第一學(xué)期)名 稱： 化工原理 題 目： 煤油冷卻器的設(shè)計 院 系： 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院班 級： 能化1402 學(xué) 號： 201405040207 學(xué)生姓名： 馮慧芬 指導(dǎo)教師： 朱洪濤 設(shè)計周數(shù)： 1 成 績： 日期：2016 年 11月 目錄一 任務(wù)書1.1目的與要求1.2.主要內(nèi)容二 設(shè)計方案簡介2.1.換熱器概述2.2 列管式換熱器2.3.設(shè)計方案的擬定三 工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計 3.1熱量設(shè)計 3.1.1.初選換熱器的類型 3.1.2.管程安排（流動空間的選擇）及流速確定3.1.3.確定物性數(shù)據(jù)3.1.4.計算總傳熱系數(shù)3.1.5.計算傳熱面積3.2

2、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2.1管徑和管內(nèi)流速3.2.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)3.2.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)3.2.4傳熱管排列和分程方法3.2.5折流板3.2.6殼程內(nèi)徑及換熱管選型匯總3.3換熱器核算3.3.1熱量核算3.3.2壓力降核算四 輔助設(shè)備的計算及選型4.1 封頭4.2 緩沖擋板4.3 放氣孔、排液管4.4 假管4.5 拉桿和定距管4.6 膨脹節(jié)4.7 接管五 設(shè)計結(jié)果一覽表六 心得體會七 參考文獻八 主體設(shè)備的工藝條件圖一任務(wù)書1.1 目的與要求1. 要求學(xué)生能綜合運用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內(nèi)完成列管換熱器設(shè)計任務(wù)。2. 使學(xué)生了解工程設(shè)計的基本內(nèi)

3、容，掌握化工設(shè)計的主要程序和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力。3. 熟悉和掌握查閱技術(shù)資料、國家技術(shù)標準，正確地選用公式和數(shù)據(jù)。1.2 主要內(nèi)容1.2.1處理能力：25000kg/h 煤油1.2.2設(shè)備型式：列管換熱器1.2.3操作條件：煤油：入口溫度：140 出口溫度：40冷卻介質(zhì)：自來水入口溫度：30 出口溫度：40允許壓強降：不大于100kPa煤油定性溫度下的物性參數(shù)：密度825kg/m3 粘度7.15×10-4Pa·s 比熱容2.22kJ/kg· 導(dǎo)熱系數(shù)0.14W/m·水定性溫度下的物性參數(shù)：密度994kg/m3 粘度7.28

4、5;10-4Pa·s 比熱容4.174kJ/kg· 導(dǎo)熱系數(shù)0.626W/m·1.2.4主體設(shè)備工藝條件圖。二設(shè)計方案簡介2.1.換熱器概述在化工、石油、能源、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設(shè)備,并占有十分重要的地位。 隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，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，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，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。2.2列管式換熱器列管式換熱器又稱管殼式換熱器，在化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)簡單、堅固、制造較容易，處理能

5、力大，適應(yīng)性能，操作彈性較大，尤其在高溫、高壓和大型裝置中使用更為普遍。1 固定板式換熱器：結(jié)構(gòu)簡單，在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊，使殼側(cè)清洗困難。當管子與殼體壁溫相差大于50°C時，應(yīng)在殼體上設(shè)置溫差補償-膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形可以減少溫差應(yīng)力。但是當殼體與管子的溫差大于60°C及殼程壓力超過6×105Pa時，由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償作用，就應(yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。2 U型管式換熱器：其結(jié)構(gòu)特點是只有一個管板。換熱管為U形，管束可以自由伸縮，當殼體與U型換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。密封面少，運行可靠，造價較低，管間清洗較方便。但是由于

6、管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率低；管束最內(nèi)層管間距較大，殼程易短路；內(nèi)層管子壞了不能更換，因而報廢率較高。一般用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)清潔以及高溫高壓、腐蝕性強的場合。3 浮頭式換熱器：當換熱管與殼體有溫差存在時，殼體與換熱管膨脹，互不約束，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力，管內(nèi)與管間的清洗均方便。但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，造價較高，適用于殼體與管束間溫差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。2.3設(shè)計方案的擬定 根據(jù)任務(wù)書給定的冷熱流體的溫度，來選擇設(shè)計列管式換熱器的固定管板式換熱器；再根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)，判斷其是否容易結(jié)垢，來選擇管程走什么，殼程走什么。本設(shè)計中選擇使循環(huán)工業(yè)硬水走管程

7、，煤油走殼程。任務(wù)書中已知冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，有比熱容，密度，粘度，導(dǎo)熱系數(shù)等。計算出總傳熱系數(shù)，再計算傳熱面積。根據(jù)管徑，管內(nèi)流速確定傳熱管數(shù)，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等。然后校正傳熱溫差及殼程數(shù)，確定傳熱管排列方式和分程方法。根據(jù)設(shè)計步驟，計算出殼體內(nèi)徑，選擇折流板，確定板間距，折流板數(shù)等；接著再對換熱器的熱量，官稱對流傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進行核算，再算出面積裕度，最后，對流體的流動阻力進行計算。三工藝計算和主體設(shè)備設(shè)計3.1熱量設(shè)計3.1.1初選換熱器類型兩流體的溫度變化情況如下：（1）煤油：入口溫度140，出口溫度40；（2）冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度30，出口溫度40；該換

8、熱器用循環(huán)冷卻自來水進行冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素， 估計所需換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，需考慮熱膨脹的影響，相應(yīng)地進行熱膨脹的補償，故而初步確定選用帶有膨脹節(jié)的管板式換熱器。3.1.2管程安排及流速確定 已知兩流體允許壓強降不大于100kPa；兩流體分別為煤油和自來水。與煤油相比，水的對流傳熱系數(shù)一般較大。由于循環(huán)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降，考慮到散熱降溫方面的因素，應(yīng)使循環(huán)自來水走管程，而使煤油走殼程。選用25×2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=1.5m/s。列管式換熱器內(nèi)的適宜流速范圍流體種類流速/（m

9、/s）管程殼程一般液體0.530.21.5易結(jié)垢液體>1>0.5氣體5303153.1.3確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。殼程流體（煤油）的定性溫度為：管程流體（硬水）的定性溫度為：根據(jù)定性溫度，可分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù),但任務(wù)書已經(jīng)給定了。3.1.4計算總傳熱系數(shù)(1).煤油的流量Wh=25000kg/hWh-熱流體的流量，kg/h；(2).熱流量由以上的計算結(jié)果以及題目已知，代入下面的式子，有：Q=WhCph(T1-T2)=25000Kg/h×2.22kJ/kg.×（140-40）=55

10、50000KJ/h =1541.7kW(3).平均傳熱溫差 計算兩流體的平均傳熱溫差 ，先按單殼程、多管程計算 逆流時，我們有煤油： 14040水： 4030 從而 tm =39 查有關(guān)溫差校正系數(shù)表，可得溫度校正系數(shù)，所以校正后溫度為， 又因為>0.8，故可選用單殼程的列管式換熱器。又因T-t=55>50,所以應(yīng)選擇補償圈補償熱方式，在固定管板上加膨脹節(jié)。(4).冷卻水用量由以上的計算結(jié)果以及已知條件，很容易算得：Wc=kg/h(5).總傳熱系數(shù)K 選擇時，除要考慮流體的物性和操作條件外，還應(yīng)考慮換熱器的類型。 1.管程傳熱系數(shù)： Re1= Pr1= i=0.023 =0.023

11、 =6629.3W/m2 2.殼程傳熱系數(shù)：假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)是： =600W/m2污垢熱阻： Rsi=0.000344m2/W Rso=0.000172 m2/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =45 m2/W管壁厚度： b=0.0025內(nèi)外平均厚度： dm=0.0225在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得 =395.8 (6).計算傳熱面積 由以上的計算數(shù)據(jù)，代入下面的公式，計算傳熱面積： 考慮15%的面積裕度，則： 3.2工藝設(shè)計3.2.1管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5的碳鋼管，管長6m，管內(nèi)流速取ui=1.5m/s。3.2.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管的內(nèi)徑和流速，可以確定單程管子根數(shù)： n

12、s= 按單程計算，所需傳熱管的長度是：若按單程管計算，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，可見取傳熱管長l=6m，則該傳熱管程數(shù)為：則傳熱管的總根數(shù)為：3.2.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)tm =39此時：平均傳熱溫差校正系數(shù) 按單殼程，多管程結(jié)構(gòu)，查有關(guān)溫差校正系數(shù)表，以1/R代替R，PR代替P，查同一直線，可得溫度校正系數(shù)，所以校正后溫度為， 又因為>0.8，故可選用單殼程的列管式換熱器。3.2.4.傳熱管排列和分程方法 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。取管心距t=1.25d0，則 橫過管束中心線的管數(shù) 3.2.5殼程內(nèi)徑和換熱管的選型匯總 (1)采用多管程

13、結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑為 圓整可取D=800mm3.2.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺高度為 h=0.25×800=200mm 故可取 h=200 mm，取折流板間距 B=0.3D,則B=0.3×800=240mm，可取 B為250 mm。 折流板數(shù) 折流板圓缺水平裝配。3.2.7殼程內(nèi)徑及換熱管選型匯總外殼直徑 D 800mm管排方式正三角形管程流通面積S 0.025m2公稱面積S 140m2管數(shù)n 316管程數(shù) 4管長L 6m管尺寸 中心距 32mm 3.3換熱器核算 3.3.1熱量核算（1）殼程對流傳熱系數(shù)

14、對圓缺形的折流板，可采用克恩公式：計算殼程當量直徑，由正三角形排列可得： =0.020m殼程流通截面積： 殼程流體流速為： 由于管為三角形排列，則有 由于管為三角形排列，則有 雷諾準數(shù)為： 普朗特準數(shù)： 粘度校正 （2）管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積: 管程流體流速： 雷諾準數(shù)為： 普朗特準數(shù)： （3）傳熱系數(shù)K根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)及溫度，在(GB151-99P140-141)選取污垢熱阻：污垢熱阻： Rsi=0.000344m2/WRso=0.000172 m2/W還有，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =45 m2/W管壁厚度： b=0.0025內(nèi)外平均厚度： dm=0.0225在下面的公式中，代入以上數(shù)

15、據(jù)，可得 （4）傳熱面積S由K計算傳熱面積 該換熱器的實際傳熱面積Sp 該換熱器的面積裕度為： 傳熱面積裕度合適，該換熱器能完成生產(chǎn)任務(wù)。3.3.2壓力降核算因為殼程和管程都有壓力降的要求，所以要對殼程和管程的壓力降分別進行核算。 （1）管程流動阻力 管程壓力降的計算公式為： 其中Ns=1 , Np=4 , Ft=1.4Re=40688.46，為湍流，傳熱管相對粗糙度為查流速,所以 管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。（2）殼程流動阻力 殼程壓力降埃索法公式為： 式中 流體橫過管束的壓力降，Pa； 流體通過折流擋板缺口的壓力降，Pa； Ft殼程壓力降的垢層校正系數(shù)，對液體Ft=1.15； Ns殼程數(shù)；

16、 流體流經(jīng)管束的阻力 其中 ，, F管子排列方法對壓力降的校正系數(shù)，對正三角形排列，F(xiàn)=0.5，對正方形斜轉(zhuǎn)45o排列，F(xiàn)=0.4，正方形排列，F(xiàn)=0.3; fo殼程流體的摩擦系數(shù)，當Re500時， nc橫過管束中心線的管子數(shù)，對正三角形排列nc NB折流擋板數(shù) 代入數(shù)值得： 流體流經(jīng)折流板缺口的阻力 其中 ,， D殼徑，m B折流擋板間距，m 代入數(shù)值得： （3）總阻力 經(jīng)過以上的核算，我們發(fā)現(xiàn)，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。四.輔助設(shè)備的計算和選擇 4.1 封頭 封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑?。ㄒ话阈∮?00mm）的殼體，圓形用于大直徑的殼體。以上設(shè)計中，殼體直徑D=800mm，

17、所以選用圓形封頭。4.2 緩沖擋板 緩沖擋板可以防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束的振動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。4.3 放氣孔、排液管 換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝結(jié)氣體和冷凝液等。4.4. 假管 為減少管程分程所引起的中間穿流的影響，可設(shè)置假管。假管的表面形狀為兩端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面兩管板之間但不穿過管板，可與折流板焊接以便固定。假管通常是每隔3-4排換熱管安置一根。4.5 拉桿和定距管 為了使折流板能牢固的保持在一定的位置上，通常采用拉桿和定距管。所選擇的拉桿直徑為12mm，拉桿數(shù)量為4，定距管25×2.5mm4.6 膨脹節(jié)

18、膨脹節(jié)也叫補償圈，其彈性形變可減小溫差應(yīng)力。換熱器的膨脹節(jié)一般分為帶襯筒的膨脹節(jié)和不帶襯筒的膨脹節(jié)。根據(jù)換熱器殼側(cè)介質(zhì)的不同，使用的膨脹節(jié)就不同，通常為了減小膨脹節(jié)對介質(zhì)的流動阻力，常用帶襯筒的膨脹節(jié)。襯筒應(yīng)在順介質(zhì)流動的方向側(cè)與殼焊接。對于臥室換熱器，膨脹節(jié)底部應(yīng)采用帶螺塞結(jié)構(gòu)，這樣便于排液。4.7接管換熱器中流體進、出口的接管直徑按下式計算，即： 式中 Vs流體的體積流量，m3/s U流體在接管中的流速，m/s 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)油品流速為u=0.8m/s,則接管內(nèi)徑 取管內(nèi)徑為120mm 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)冷卻水流速為u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑 取標準管內(nèi)徑為180

19、mm管程殼程流 量 kg/度 進/出 30/40140/40壓力 MPa0.0815620.005985物性定性溫度 3590密度 kg/m³994825熱容 kJ/kg·4.1742.22粘度 Pa·s0.0007280.000715導(dǎo)熱系數(shù) W/m·0.6260.140普蘭特數(shù)4.8511.34設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)型式帶有膨脹節(jié)的管板式換熱器管程數(shù)4殼體內(nèi)徑 mm800殼程數(shù)1管徑 mm25管心距 mm32管長 mm6000管子排列正三角管數(shù)(個)316折流板數(shù)(個)23傳熱面積 138折流板距 mm250臺數(shù)1材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果

20、管程殼程流速 m/s1.490.20對流傳熱系數(shù) W/·6594590污垢熱阻 ·/ W0.0003440.000172阻力損失 MPa0.0815620.005985熱負荷 kW1541.7平均傳熱溫差 32.0總傳熱系數(shù) W/·392.4裕度 %12.2五設(shè)計結(jié)果一覽表換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果匯總表六心得體會對設(shè)計結(jié)果的分析 從設(shè)計結(jié)果可以看出，若要保持傳熱系數(shù)，溫度越大，換熱管數(shù)越多，折流板數(shù)越多，殼徑越大，這主要是因為煤油出口溫度升高，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積增大，才能保證Q和K。因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應(yīng)的增大，通過這個設(shè)計，可以了解到，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟投入，設(shè)計參數(shù)的選擇十分重要。 在本設(shè)計中，換熱器的安全系數(shù)為16.15%，相對來說有些偏高，所以，在面積和初選換熱系數(shù)上，還有提高的余地，可以選擇更加合理的換熱器參數(shù)，來提高換熱效率和運行的安全性。 在設(shè)計過程中，可以看出，換熱器的換熱過程可以從以下三個方面考慮：（1）增大傳熱面積S，從設(shè)備的結(jié)構(gòu)來考慮，提高其緊湊性，即單位面積提供較大的傳熱面積，改進傳熱面的結(jié)構(gòu)；（2）增大平均溫差tm,可以提高傳熱速率，當換熱器兩側(cè)流體均變溫時，采用逆流操作可得到較大的平均溫度差；（3）增大傳熱系數(shù)K，欲提高K，就必須減小對流傳熱熱阻、污垢熱阻和管壁熱阻。