煤油冷卻器的設(shè)計(jì)講解

1、15、摘要化工原理課程設(shè)計(jì)煤油冷卻器的設(shè)計(jì)生命科學(xué)學(xué)院班級(jí)：應(yīng)用化學(xué) 131姓名：邱俊杰學(xué)號(hào)： 2013034128換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體 間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程中熱量交換和傳遞不 可缺少的設(shè)備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高， 放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們 是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，占有十分重要的地位。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展， 對(duì)能源利用、開(kāi)發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，對(duì)換熱器的要求也日益增強(qiáng)。換熱器 的設(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及

2、傳熱機(jī)理的研究十分活躍， 一些新型高效換熱器相繼問(wèn) 世。根據(jù)不同的目的，換熱器可以是熱交換器、加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝 器等。由于使用條件的不同，換熱器可以有各種各樣的形式和結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)中， 換熱器有時(shí)是一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備，有時(shí)則是某一工藝設(shè)備的組成部分。衡量一臺(tái)換熱器好的標(biāo)準(zhǔn)是傳熱效率高、流體阻力小、強(qiáng)度足夠、結(jié)構(gòu)合 理、安全可靠、節(jié)省材料、成本低，制造、安裝、檢修方便、節(jié)省材料和空間、 節(jié)省動(dòng)力 。目錄一、概述二、換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算 22.1確定設(shè)計(jì)方案 22.1.1選擇換熱器的類型 22.1.2流體流徑的選擇 22.2確定物性的參數(shù) 32.3估算傳熱面積 32.3.1熱流量 32.3.2平均

3、傳熱溫差 42.3.3傳熱面積 42.3.4冷卻水用量 42.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸 42.4.1管徑和管內(nèi)流速 42.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 42.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 52.4.4傳熱管排列和分程方法 52.4.5殼體內(nèi)徑 52.4.6折流板 62.4.7 接管 62.5換熱器核算62.5.1熱流量核算 62.5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 62.5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 72.5.1.3 污垢熱阻和管壁熱阻2.5.1.4計(jì)算傳熱系數(shù)Kc 82.5.1.5換熱器的面積裕度 92.5.1.5換熱器壁溫核算 92.5.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 102.5.3.1管程流體阻力 102.532殼程

4、阻力 112.5.4換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 12三、設(shè)計(jì)自我評(píng)價(jià) 13四、 參考資料 13五、主要符號(hào)說(shuō)明 14一、概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器 , 簡(jiǎn)稱為換熱器。在換熱 器中至少要有兩種溫度不同的流體 , 一種流體溫度較高 ,放出熱量 ; 另一種流體則 溫度較低 , 吸收熱量。 在化工、石油、動(dòng)力、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(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

5、，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地 位。列管式換熱器有以下幾種：1、固定管板式固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)， 在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈， （或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)， 補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來(lái)補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的 物料。2、U形管式U 形管式換熱器每根管子均彎成 U 形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端的兩 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。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。管程清洗困難，管程流體 必須是潔凈和不易

6、結(jié)垢的物料。3 、浮頭式 換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時(shí)，管束連 同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。二、換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 確定設(shè)計(jì)方案2.1.1 選擇換熱器的類型 本次設(shè)計(jì)為煤油冷卻器的工藝設(shè)計(jì)，工藝要求：煤油（熱流體）的入口溫度：140C; 出口溫度：40C。采用海水作為冷卻劑降低熱的沒(méi)有溫度，冷卻水的入口溫度：25 C。選定冷卻水的出口溫度35C。根據(jù)間壁式換熱器的分類與特性表，結(jié)合上述工藝要求，因?yàn)闇夭钶^大， 故因選用浮頭式換熱器。2.1.2 流體流徑的選擇 根據(jù)流體流徑選擇的基

7、本原則，海水易結(jié)垢，而浮頭式換熱器的殼程不易 清洗，且海水的推薦流速大于煤油的推薦流速，故選擇海水為管程流體，煤油為 殼程流體。12鍵入文字2.2確定物性參數(shù)定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值煤油的定性溫度為:140 402二 90 (C)220海水的定性溫度:25 352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)。煤油在90 C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)海水在30 C下的物性數(shù)據(jù)密度p h=825 kg/m3密度p c=1025.3 kg/m3定壓比熱容Cph=2.22kJ/(kg K)定壓比熱容Cpc=3.89kJ/(kg K)導(dǎo)熱系數(shù)入 h=0.140 W/(m K)導(dǎo)熱系數(shù)入 c=0.5

8、9 W/(m K)粘度a h=7.15 X10_4 Pa s粘度-4a c=8.598 X10Pa -s2.3、估算傳熱面積2.3.1熱流量:mhCph th = 43056 2.22 (140- 40)-9.558 106 氣)二 2655 (kw)2.3.2平均傳熱溫差平均傳熱溫差為： tm二上咅二上斗護(hù)4戶 =46.3(K)In -In.: t240 252.3.3傳熱面積假設(shè)殼程傳熱系數(shù)：K=420 W/ (m? c),估算面積為：ap =K tm2655 103420 46.3= 136.5 (m2)2.3.4冷卻水用量me =QhCpc tc9.558 106 1033.89 10

9、3 (35- 25)二 245706 (kg/hp 68.3(kg/s)2.4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.4.1管徑和管內(nèi)流速選用 巾25X 2.5較高級(jí)冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速 5 =1.1m/s 2.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)也-245706/(3600 1025-3 192.6 19(根)ns :J di Ui4按單程管計(jì)算，20.785 0.022 1.1所需的傳熱管長(zhǎng)度為:ap dgns136.53.14 0.025 193=9.01 (m)按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)為l=4.5m，則該換

10、熱器的管程數(shù)為：NP=L/l=9.01/4.5:- 2(管程)傳熱管總根數(shù)：Nt=193X 2=386 (根)243平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)：R=(140-40)/(35-25)=10P=(35-25)/(140-25)=0.086按單殼程，2管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表可得e t=0.96平均傳熱溫差 t m= e t t m =0.96 x 46.25 =44.4 (C)由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于 0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取単殼程 合適。2.4.4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=1.25d

11、 ,貝St=1.25 x 25=31.25 32(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離：t32s-丄 6 亠 6 =22(mm)22橫過(guò)管束中心線的管數(shù)：n c=1.19 N =1.19 386=23(根)2.4.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 n = 0.7，則殼體內(nèi)徑為iN1386D=1.05t、= 1.05 32786.9 (mm)按卷制殼體的進(jìn)級(jí)擋，圓整可取 D=800mm246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 X 800=200 ( mr) 故可取 h=200mm折流板間距B=0.24D,則B=0.24 X

12、800=192(mm),可取 B=200mm折流板數(shù)B=傳熱管長(zhǎng)折流板間距-1 =4500200-仁21 (塊)2.4.7旁路擋為防止殼程流體從旁路中泄露，需設(shè)置旁路擋板，查表可知應(yīng)設(shè)置2對(duì)旁路擋板。2.4.8其他附件本換熱器傳熱管外徑為25mm其拉桿直徑為16mm共有6跟拉桿。2.4.9接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為U= 0.8m/s，則接管內(nèi)徑為：兩 ；4沃 43056/(3600 漢 825)、D1152(mm)；訕； 3.14 0.8圓整可取管內(nèi)徑為 D =160mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u = 1.4 m/s ,則接管內(nèi)徑為D2 = Y4 2457063.

13、14 1.4二 246(mm) (3600 漢 1025.3)圓整可取管內(nèi)徑為D2 =250mm2.5換熱器核算2.5.1熱流量核算2.5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可采用克恩公式:h0gdf V當(dāng)量直徑，由正三角排列得:d乎2十d。2)de= 247：d04(0. 0322 - 0. 7850. 0252)3. 14 x 0. 0250. 020 ( m殼程流通截面積:S。二 BD(Vt0)0.02502 .8 一 心。035殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為:Uo=43065/ (3600 漢 825)二 0.4140.041(m/s)Re=0.02 0.354 8250.000715=9560普朗

14、特準(zhǔn)數(shù)11. 34 ；0. 1402. 22 x 103 x 715 x 10 Pr=0. 14n 、粘度校正h o=O.36 0140 9560 55 11.34 3 =875.4 W/(m 2 K) 0.022.5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0 = 0.023 Re0.8 Rr0.4di管程流體流通截面積：S=0.785 X 0.022x 386/2=0.061 (吊)管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：Ui =1.098( m/s)245706/(3600 1025.3)0.061Re =262020.02 1.386 1025.30.0008598普朗特準(zhǔn)數(shù)= 5.67Pr= 3.89 勺03

15、漢8.598漢 1040.59hi =0.023 X 0H 262020.8 如旨652 K)2.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻查有關(guān)文獻(xiàn)知可?。汗芡鈧?cè)污垢熱阻R0=0.000172 m 2 K/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ri=0.00009m 2 K/W管壁熱阻查有關(guān)文獻(xiàn)知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為入=45 W/(m - K)2.5.1.4計(jì)算傳熱系數(shù)doI d bd f1：0:idi si d?dRso0.0254651 0.0200.000090.025 0.0025 0.025 +0.0200.0225 450.0001721875.4=569 W/ (m C)計(jì)算傳熱面積S:Ac=_2655 10

16、3= 44.4 569=105( m)該換熱器的實(shí)際傳熱面積:A=二dogN - nc)=3.14 X 0.025 X (4.5-0.045) X (386-23)=127 (ml)2.5.1.5換熱器的面積裕度H=-ac x 100%=2705 x 100%=20.9%Ac105傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.5.2.2壁溫核算：因管壁很薄，且管壁熱阻較小，則可按照相應(yīng)公式計(jì)算。由于該換熱器用循 環(huán)水冷卻，冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會(huì)降低。為確?？煽浚⊙h(huán)冷卻 水進(jìn)口溫度為10C，出口溫度為35C計(jì)算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè) 污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降

17、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(jì)算中，應(yīng)該按照最不 利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。于是有：Tm / he tm / hhw1/hc 1/hh海水平均溫度：t m=0.4 X 35+0.6 X 10=20C煤油平均溫度：Tm=L0 =90 C22h c=hi=5605W/ (m K)hh=ho=8O2.34 W/(m2 K)傳熱管平均壁溫：t= 90/4651+20/875.4 _3i()=二.4651 875.4殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90C殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為：=90-31.1=5

18、8.9 C該溫差較大，故選用浮頭換熱器較適宜。2.5.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力2.5.3.1管程流體阻力計(jì)算公式如下：藝 Pi= ( P1+AP2) NNIpF;Ns=1, N p=2, Fs=1.5;l 九2Pu2 2富 丁 R=p由Re=33075傳熱管相對(duì)粗糙度 0.02/20=0.01，查莫狄圖得-=0.042(W/3(m2 Y )，流速 u=1.098m/s , p =1025.3kg/m，所以 R=0.0424.51025.3 1.09820.02= 5840.6( pa)21025.3 1.0982= 1854.2( pa)藝 Pt= (5840.1 + 1854.2 ) x 1

19、.5 x 1 x 2=23082.9 (Pa) 10kpa管程流體阻力不在允許范圍之內(nèi)，但是不能通過(guò)調(diào)節(jié)流速來(lái)降低，因?yàn)楫?dāng)海 水的流速不能過(guò)低，否則會(huì)產(chǎn)生很多的污垢。而且有不能通過(guò)提高管根數(shù)和管長(zhǎng) 來(lái)實(shí)現(xiàn)壓降下降，這樣會(huì)造成面積裕度無(wú)法達(dá)到要求。所以操作時(shí)只能犧牲能量 損失來(lái)滿足其他條件。2.5.3.2殼程阻力藝 Pd= (P2) FsNSFs=1.15 NS=1 P1=Ff0NR(NB+1)2 ：u。F=0.50 228f 0=5X 26202-.=0.4920 50 5Ntc=1.1N. T =1.1 X 386. =21.6Nl3=21,U0=0.43m/s R=0.5 x 0.492

20、x 21.6 x( 21+1)x 825X0.43 2/2 8916 (Pa)流體流過(guò)折流板缺口的阻力 P =Nb (3.5-2B/D )B=0.2m; D=0.8m ;故厶 R=21x( 3.5-2 x 0.2/0.8 ) x 825x 0.43 2/2 229 (Pa),則總阻力： R=8916+229=9145( Pa) 10 KPa故殼程流體的阻力適宜2.5.4換熱器設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表：換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表參數(shù)管程殼程流率 /(kg/h)24571843056進(jìn)/出溫度/ r25/35140/40壓力/MPa 0.12 0.1物性定性溫度/ r3090密度 /(kg/m 3)10

21、25.3825定壓比熱容/kJ/(kg K)3.892.22粘度/Pa s8.598 X10-47.15 X0-4熱導(dǎo)率 /W/(m -K)0.590.14普朗特?cái)?shù)5.6711.34設(shè) 備 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù)形式浮頭式換熱器臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm800殼程數(shù)1管徑/mm25管心距/mm32管長(zhǎng)/mm4500管子排列正三角形管數(shù)目/根386折流板數(shù)/個(gè)21傳熱面積/ m2127折流板間距/mm200管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/(m/s)1.0980.414表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) /W/（卅.K）4652875.4污垢熱阻/（K/W）0.000090.0000172阻力/(MPa)0.0230.0091熱流量/kW2655傳熱溫差/K44.448傳熱系數(shù)/W/（川.K）569裕度/%20.9 X鍵入文字7000200 X 21三、設(shè)計(jì)自我評(píng)價(jià)作為應(yīng)化專業(yè)的學(xué)生，我深知化工原理是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)訓(xùn)練對(duì)于加深我對(duì)課程的理解是非常重要和有意義的。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何根據(jù)工藝過(guò)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，及計(jì)算出主要設(shè)備