煤油冷卻器設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程設(shè)計(jì)報(bào)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(jì) 院 系： 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院班 級(jí)： 能化1402 學(xué) 號(hào)： 7 學(xué)生姓名： 馮慧芬 指導(dǎo)教師： 朱洪濤 設(shè)計(jì)周數(shù)： 1 成 績(jī)： 日期：2016 年 11月 專心-專注-專業(yè)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(jì)方案簡(jiǎn)介2.1.換熱器概述2.2 列管式換熱器2.3.設(shè)計(jì)方案的擬定三 工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì) 3.1熱量設(shè)計(jì) 3.1.1.初選換熱器的類型 3.1.2.管程安排（流動(dòng)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(jì)算總傳熱系數(shù)3.1.5

2、.計(jì)算傳熱面積3.2工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)結(jié)果一覽表六 心得體會(huì)七 參考文獻(xiàn)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(yùn)用本課程和前修課程的基本知識(shí)，進(jìn)行融會(huì)貫通的獨(dú)立思考，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成列管換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)。2. 使學(xué)生

3、了解工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，掌握化工設(shè)計(jì)的主要程序和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力。3. 熟悉和掌握查閱技術(shù)資料、國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(qiáng)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

4、粘度7.28×10-4Pa·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(jì)方案簡(jiǎn)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(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(jiǎn)單、堅(jiān)固

5、、制造較容易，處理能力大，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(jiǎn)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(dāng)管子與殼體壁溫相差大于50°C時(shí)，應(yīng)在殼體上設(shè)置溫差補(bǔ)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(dāng)殼體與管子的溫差大于60°C及殼程壓力超過6×105Pa時(shí)，由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)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(diǎn)是只有一個(gè)管板。換熱管為U形，管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U型換熱管有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。密封面少，運(yùn)行可靠，造價(jià)較低，管間

6、清洗較方便。但是由于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(bào)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(qiáng)的場(chǎng)合。3 浮頭式換熱器：當(dāng)換熱管與殼體有溫差存在時(shí)，殼體與換熱管膨脹，互不約束，不會(huì)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(jià)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(chǎng)合。2.3設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)中選擇

7、使循環(huán)工業(yè)硬水走管程，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(jì)算出總傳熱系數(shù)，再計(jì)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(jì)步驟，計(jì)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(duì)換熱器的熱量，官稱對(duì)流傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進(jìn)行核算，再算出面積裕度，最后，對(duì)流體的流動(dòng)阻力進(jìn)行計(jì)算。三工藝計(jì)算和主體設(shè)備設(shè)計(jì)3.1熱量設(shè)計(jì)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

8、，出口溫度40；該換熱器用循環(huán)冷卻自來水進(jìn)行冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素， 估計(jì)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(jìn)行熱膨脹的補(bǔ)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(qiáng)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(duì)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(huì)加快污垢增長(zhǎng)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

9、圍流體種類流速/（m/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(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。殼程流體（煤油）的定性溫度為：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(jì)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(jì)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.×（

10、140-40）=KJ/h =1541.7kW(3).平均傳熱溫差 計(jì)算兩流體的平均傳熱溫差 ，先按單殼程、多管程計(jì)算 逆流時(shí)，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?yàn)?gt;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(bǔ)償圈補(bǔ)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(jì)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(shí)，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.

11、023 =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.m2/W Rso=0. 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(jì)算傳熱面積 由以上的計(jì)算數(shù)據(jù)，代入下面的公式，計(jì)算傳熱面積： 考慮15%的面積裕度，則： 3.2工藝設(shè)計(jì)3.2.1管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5的碳鋼管，管長(zhǎng)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)： ns= 按單程計(jì)算，

12、所需傳熱管的長(zhǎng)度是：若按單程管計(jì)算，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，可見取傳熱管長(zhǎng)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(shí)：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?yàn)?gt;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)采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率

13、=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(zhǎng)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(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形的折流板，

14、可采用克恩公式：計(jì)算殼程當(dāng)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(zhǔn)數(shù)為： 普朗特準(zhǔn)數(shù)： 粘度校正 （2）管程對(duì)流傳熱系數(shù) 管程流通截面積: 管程流體流速： 雷諾準(zhǔn)數(shù)為： 普朗特準(zhǔn)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.m2/WRso=0. 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)據(jù)，可得 （4）傳熱面積S由K計(jì)算傳熱面積

15、 該換熱器的實(shí)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?yàn)闅こ毯凸艹潭加袎毫档囊?，所以要?duì)殼程和管程的壓力降分別進(jìn)行核算。 （1）管程流動(dòng)阻力 管程壓力降的計(jì)算公式為： 其中Ns=1 , Np=4 , Ft=1.4Re=40688.46，為湍流，傳熱管相對(duì)粗糙度為查流速,所以 管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。（2）殼程流動(dòng)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(duì)液體Ft=1.15； Ns殼程數(shù)； 流體流經(jīng)管束的阻力 其中 ，, F管子排

16、列方法對(duì)壓力降的校正系數(shù)，對(duì)正三角形排列，F(xiàn)=0.5，對(duì)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(dāng)Re500時(shí)， nc橫過管束中心線的管子數(shù)，對(duì)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(jì)算和選擇 4.1 封頭 封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小（一般小于400mm）的殼體，圓形用于大直徑的殼體。以上設(shè)計(jì)中，殼體直徑D=800mm，所以選用圓形封頭。4.2 緩沖擋板 緩沖擋

17、板可以防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束的振動(dòng)，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) 膨脹節(jié)也叫補(bǔ)償圈，其彈性形變可減小溫差應(yīng)力

18、。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(duì)介質(zhì)的流動(dòng)阻力，常用帶襯筒的膨脹節(jié)。襯筒應(yīng)在順介質(zhì)流動(dòng)的方向側(cè)與殼焊接。對(duì)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(jìn)、出口的接管直徑按下式計(jì)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)管內(nèi)徑為180mm管程殼程流 量 kg/h25000溫度

19、 進(jìn)/出 30/40140/40壓力 MPa0.0.物性定性溫度 3590密度 kg/m³994825熱容 kJ/kg·4.1742.22粘度 Pa·s0.0.導(dǎo)熱系數(shù) W/m·0.6260.140普蘭特?cái)?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(zhǎng) mm6000管子排列正三角管數(shù)(個(gè))316折流板數(shù)(個(gè))23傳熱面積 138折流板距 mm250臺(tái)數(shù)1材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速 m/s1.490.20對(duì)流傳熱系數(shù) W/·6594590污垢熱阻 ·

20、/ W0.0.阻力損失 MPa0.0.熱負(fù)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(jì)結(jié)果一覽表?yè)Q熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果匯總表六心得體會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的分析 從設(shè)計(jì)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?yàn)槊河统隹跍囟壬?，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(gè)設(shè)計(jì)，可以了解到，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟(jì)投入，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇十分重要。 在本設(shè)計(jì)中，換熱器的安全系數(shù)為16.15%，相對(duì)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(yùn)行的安全性。 在設(shè)計(jì)過程中，可以看出，換熱器的換熱過程可以從以下三個(gè)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(jìn)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(dāng)換熱器兩側(cè)流體均變溫時(shí)，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(duì)流傳熱熱阻、污垢熱阻和管壁熱阻。 課設(shè)中的自我