化工原理課程設(shè)計煤油冷卻器的設(shè)計

1、百度文庫讓每個人平等地捉升門我固定管板式換熱器設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目：煤油冷卻器的設(shè)計（6人/組）二、設(shè)計任務(wù)1 煤油處理能力：12萬噸/年煤油2. 設(shè)備形式：固定管板式換熱器3 操作條件： 煤油：入口溫度120°C,出口溫度40°C 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度30°C,出口溫度40°C 允許壓降：不大于10Ta 每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行三、設(shè)計要求1根據(jù)換熱任務(wù)設(shè)計確定設(shè)計方案2. 初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸3. 核算換熱器的傳熱面積和流體阻力4. 確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)5. 進行設(shè)備結(jié)構(gòu)圖的繪制（A1圖紙）6. 編寫設(shè)計說明書7. 小組組

2、員分工合作。百度文庫讓每個人平等地捉升門我目錄一、概述41. 換熱器的選擇及特點42. 通過殼程、管程流體的確定43. 流速的確定54. 管子的規(guī)格和排列方法55. 管程和殼程數(shù)的確定66. 折流擋板67. 最后材料選用68. 其他構(gòu)件的選用6二、確定設(shè)計方案7三、確定物性數(shù)據(jù)7四、計算總傳熱系數(shù)81. 熱流量82. 平均傳熱溫差83. 冷卻水用量84. 總傳熱系數(shù)K8五、計算傳熱面積10六、工藝結(jié)構(gòu)尺寸101管徑和管內(nèi)流速102. 管程數(shù)和傳熱管數(shù)103. 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)114. 傳熱管排列和分程方法115. 殼體內(nèi)徑116. 折流板127. 接管12七、換熱器計算131. 熱疑核

3、算13（1）殼程對流傳熱系數(shù)13（2）管程對流傳熱系數(shù)14（3）傳熱系數(shù)K14（4）傳熱面積S152. 換熱器內(nèi)流體的流動阻力15（1）管程流動阻力15（2）殼程阻力16八、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果17膨脹節(jié)17殼體壁厚18封頭設(shè)計18鞍座18拉桿的直徑和數(shù)量18九、設(shè)計小結(jié)18十一、主要符號說明19十二、附錄21表1流體的污垢熱阻21表2流體的污垢熱阻21表3.管殼式換熱器中常用的流速范圍21表4某些工業(yè)管材的絕對粗糙度21表22表6.拉桿直徑的選取22表7.拉桿數(shù)量22圖1對數(shù)平均溫差校正系數(shù)0, 23圖2.A-Re關(guān)系248一、概述根據(jù)任務(wù)書給定的冷熱流體的溫度，來選擇設(shè)汁列管式換熱

4、器中的固定管板式換熱 器；再依據(jù)冷熱流體的性質(zhì)，判斷其是否易結(jié)垢，來選擇管程走什么，殼程走什么。在 這里，冷流體走管程，熱流體走殼程。從手冊中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密度，比 熱容，導(dǎo)熱系數(shù)，黏度。訃算出總傳熱系數(shù)，再計算出傳熱面積。根據(jù)管徑管內(nèi)流速， 確定傳熱管數(shù)，標準傳熱管長為6m,算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。再來就校正 傳熱溫差以及殼程數(shù)。確定傳熱管排列方式和分程方法。根據(jù)設(shè)汁步驟，訃算出殼體內(nèi) 徑，選擇折流板，確定板間距，折流板數(shù)等，再設(shè)計殼程和管程的內(nèi)徑。分別對換熱器 的熱量，管程對流系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進行核算，再算出面積裕度。最后，對傳 熱流體的流動阻力進行訃算，如果在

5、設(shè)訃范圍內(nèi)就能完成任務(wù)。1換熱器的選擇及特點在設(shè)計任務(wù)書中，老師已明確的給出換熱器是固定管板式。經(jīng)查閱資料，固定管板 式具有以下特點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié) 垢的流體，比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。該換熱器用循環(huán) 水冷卻，其進口溫度為30°C,出口溫度為40°C；熱流體煤油的進口溫度為120°C,出口 溫度為40°C。冬季操作時進口溫度會降低，佔計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大, 因此初步確定選用不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器2通過殼程、管程流體的確定通過殼程、管程流體的確定應(yīng)根據(jù)以下原則：（

6、1）不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管 內(nèi)，以便于清洗管子。（2）腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而 且管子也便于清洗和檢修。（3）壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。（4）飽和蒸 氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。 （5）被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。（6）需 要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可 采用多管程以增大流速。（7）粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在 有折流擋板的殼程流動時，曲于流速和流向的不斷改變，在低Re（Re>100）下即可達到湍 流

7、，以提高對流傳熱系數(shù)。由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走 管程，煤油走殼程。3. 流速的確定增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的 可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是 流速增加，乂使流體阻力增大，動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟衡算才能 定出。此外，在選擇流速時，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的 數(shù)H減少，對一定的傳熱面積，不得不釆用較長的管子或增加程數(shù)。管子太長不易清洗, 且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時應(yīng) 予考慮的問題。在本次設(shè)計

8、中，根據(jù)表換熱器常用流速的范圉，取管內(nèi)流速坷=1.0加/$。4. 管子的規(guī)格和排列方法選擇管徑時，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過前面介紹的流速范圍。易結(jié)垢、 粘度較大的液體宜采用較大的管徑。在這里，我們選擇列管式換熱器系列標準中的 "25X管子。管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清洗，且易 彎曲。一般出廠的標準鋼管長為6m,則合理的換熱器管長應(yīng)為、2、3或6m。此外，管 長和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取1/D為46（對直徑小的換熱器可大些）。在這次設(shè)計中， 管長選擇6mo管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列等。等邊三角形 排列的優(yōu)點有:管板的強度

9、高；流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流 傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點是便于清洗列 管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場合；但其對流傳熱系數(shù)較正三角排列時為低。 正方形錯列排列則介于上述兩者之間，即對流傳熱系數(shù)（較直列排列的）可以適當?shù)靥?高。在這里選擇等邊三角形排列。5 管程和殼程數(shù)的確定當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時，有時會使管內(nèi)流速較低，因而 對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導(dǎo)致管程流體 阻力加大，增加動力費用；同時多程會使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利 用的面積減少，設(shè)計時應(yīng)考慮這

10、些問題。列管式換熱器的系列標準中管程數(shù)有1、2、4 和6程等四種。采用多程時，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。6. 折流擋板安裝折流擋板的L1的，是為了加大殼程流體的速度，使湍動程度加劇，以提高殼程 對流傳熱系數(shù)。最常用的為圓缺形擋板，切缺率通常為20%50%,過高或過低都不利于 傳熱。兩相鄰擋板的距離（板間距）B為外殼內(nèi)徑D的1）倍。板間距過小，不便于制造 和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對流傳熱系數(shù)下降。7. 最后材料選用列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般 材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材

11、料是很 少的。U前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石 墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價格高且較稀缺， 應(yīng)盡量少用。這里選用的材料為碳鋼8. 其他構(gòu)件的選用（1）封頭封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體（一般小于400mm）,圓形用于大直徑的殼體。（2）緩沖擋板為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊，可在進料管口裝設(shè)緩沖擋板。（3）導(dǎo)流筒 殼程流體的進、出口和管板間必存在有一段流體不能流動的空間 （死角），為了提高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒，使流體進、出殼程時必然經(jīng)過這 個空間。（4）放氣孔、排液孔 換熱器的殼體上常安有放氣

12、孔和排液孔，以排除不凝性氣 體和冷凝液等。百度文庫讓每個人平等地捉升門我百度文陣讓每個人平等地捉升門我（5）接管尺寸換熱器中流體進、出口的接管直徑由計算得出。二、確定設(shè)計方案1. 該換熱器用循環(huán)水冷卻，其進口溫度為30°C,出口溫度為40°C；熱流體煤油的進口溫度為120°C,出口溫度為40°C。冬季操作時進口溫度會降低, 估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較小，選用不帶膨脹節(jié)的固定管板 式換熱器。2. 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油 走殼程。3. 選用（1）25X傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速1二m/s三、確定物性數(shù)據(jù)定性溫

13、度：可取流體進口溫度的平均值 殼程煤油的定性溫度為120 + 402= 80°C管程流體的定性溫度為30 + 402-= 35°C根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。煤油在80°C下的物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在35°C下的物性數(shù)據(jù)密度P 0=812 kg/m3密度P i= kg/m3定壓比熱容cpo= kJ/(kg - °C)定壓比熱容cPi= kJ/(kg.°C)導(dǎo)熱系數(shù)Xo= W/(m °C)導(dǎo)熱系數(shù)Xi= W/(m°C)粘度U 0= Pa s粘度U i=Atm =Ati-At?1 AnInAf2(120

14、-40)-(40-30)in 1240-30=33.66四、計算總傳熱系數(shù)1.熱流量Qo = mo cp° 也=15000x 2.28 x(120-40) = 27360007/ h = 760k W2.平均傳熱溫差(°C)3. 冷卻水用量Wi =Q。Cpi AZ/27360004.175x(40-30)=65532 .93(kg/h)4.總傳熱系數(shù)K管程傳熱系數(shù)百度文庫讓每個人平等地捉升門我(Ji U i pi0.020x1.0 x 994“小“Re-二二-27423 .450.000725= 4.851_ epi»/Lb _ 4.175 X IO3 X 0,0

15、00725 A/0.624RO嗆R嚴P宀0曲牆X27423 .45 785評=4793.77 w/ (m2 °C)殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)a o=3OO W/ (m2 °C)根據(jù)附錄中表1.和表2.流體的污垢熱阻可得 污垢熱阻Rsi= m2 °C/W&。二 m2 °C/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)入二45 W/ (m - °C)厶+心僉+沁+尺+丄 譏 d.“曾0,0254793.77x0.020+ 0.000344X0.0250.0200.0025x0.02545x0.0225+ 0.000172+贏31二 W/(m2 °C)五、

16、計算傳熱面積=760X103=96.14()234.86x33.66考慮15%的面積裕度，S = S'(l +15 %) = 96 14 X1 15 = 110.56(m2)六. 工藝結(jié)構(gòu)尺寸1 管徑和管內(nèi)流速選用*25X傳熱管(碳鋼)，根據(jù)附錄中表3管殼式換熱器中常用的 流速范圍，取官內(nèi)流速ux m/s2.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)V 65532.93/(994.1x3600)“ “ns = 58.29cl；叫-x0.022xl.044q59 (根)按單程管計算，所需的傳熱管長度為L =-=110,56=23.86(m)兀 d j re x 0.025 x

17、59按單管程設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長 l=6m,則該換熱器管程數(shù)為L23.86N產(chǎn)-一 3.984 （官不王）O傳熱管總根數(shù)N = z竹=59 x 4 = 236（根）3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)120-4040-30_ 40-30"120-30=r011按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查附錄中圖1.對數(shù)平均溫 差校正系數(shù)0、。但R二8的點在圖上難以讀出，因而相應(yīng)以1/R代替R,PR代替P,查同一圖 線，可得 0,二平均他狀A(yù)： =（pAl Af?/= 0.83 x33.66 = 27.94 °c4 傳熱管排列和分程方法

18、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二，則t = 1.25 x25 = 31.25 « 32（m/n）橫過管束中心線的管數(shù)h =1.19VV=1.19xV236 = 18.28«19 （根）5. 殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率q二，則殼體內(nèi)徑為D = 1.05t ； =1.05x32x=616.94(”伽)Y V 0.7圓整可取D=650 mm。6.折流板采用弓形折流板，取弓形折流板的切缺率為25%,則切去的圓缺高 度為 h=X650= (mm),故可取 h二 160mm。取折流板間距B二，則B=X 650=195 (mm),

19、可取 B 為 200mm。折流板數(shù)N嚴山屠-1 = 29(塊)折流板圓缺而水平裝配。7 接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u二s,則接管內(nèi)徑為取標準管徑為80mm。管程流體進岀口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u二s,則接管內(nèi)徑為取標準管徑為130mm。七、換熱器計算1熱量核算(1)殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可采用克恩公式當量直徑,a =0.36 Re de由正三角形排列得(fT4 x0.0322- x 0.025247=0.0202m殼程流通截面積S 二 BD 1 乂 = 0.20X0.65 X 1-=0.0284375 (m2 " t )I 0.032 丿'殼程流體

20、流速及其雷諾數(shù)分別為= 0.180(/71/5)_ V 15000 /(3600 x812) 打 0.02843750.020 x 080x8120.00084=3480.00普蘭特準數(shù)_ 2.28 xl03x 0.0008413.580.141粘度校正上ZAr弘"36x 鶉 x348。.。叫 g%"l71 W/(2C)(2)管程對流傳熱系數(shù)a,. =0.023 Re0 8 Pr ° 4管程流通截而積S尸證牛0.022晉“01叫管程流體流速0.01854普=叱/(3600qJ = 65532.93/(3600 x994.1) = ° 另佃/ $) S雷諾

21、數(shù)沁公=0.020 x 03x994. 27149 .21，/,0.000725普蘭特準數(shù)c4.175X1O3X0.000725 *0.624Pr 二二二 4.85冬=0.023xx 27149.21°8 x4.8504 = 4755.3®/缶 ©(3)傳熱系數(shù)K_A_e 心+沁+沁dj A-dm。皿+ 0.000344X 皿 + °°°Z0254755.38x 0.0200.02045 x 0.0225+ 0.000172+亦二 W/(m2 °C)（4）傳熱而積SQKM760xl03356.21x27.94= 76.36(

22、m2)該換熱器的實際傳熱面積Sp、S/,=”4, 厶（N q ） = nx0.025x（60.06）x（23619） = 101.24/該換熱器的面積裕度為H = x 100% = 1。12476.36 xl（x）% = 32.58% S76.36傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2 換熱器內(nèi)流體的流動阻力（1）管程流動阻力NP嚴価 RZgNjNpNs=l,Np=4,耳=L4根據(jù)附錄中表4.某些工業(yè)管材的絕對粗糙度可得，傳熱管的絕對粗糙度£二，所以相對粗糙度- = - = 0.05 di 20由Re = 27149.21易= 0.05,查附錄中圖2.兄-Re關(guān)系圖可得,2

23、= 0.074W/(m °C)APz = /l- 俎2 = o.O74x-x ° 99 x994.1 = 1081492(pa) d. 20.022AP1.=Ig=3x0.99x994.1=14612 2 2 APt 二(APi + Pr) 耳N比,=(1461.48 + 10814.92)xl.4xlx4=68747 .86(Pa)<105Pa管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。(2)殼程阻力APs = (AjFJ + )Fs NsFS=IA5,NS=流體流經(jīng)管束的阻力用=F-/o-nt.-(fi + l)- = O.5xxl9x(29 + l)x812xQ-1802= 2

24、920.15( Pq)流體流過折流板缺口的阻力= 29x(3.52心、812x0.18220.65= 1100.42(Pu)AP5 = (A+AP,)F5 Ns二(2920.15 + 1100.42)x1.15x1 = 4623 66(Pci)<10Pa殼程流動阻力也比較適宜。八、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果固定管板式換熱器規(guī)格尺寸和計算結(jié)果如下:工藝參數(shù)換熱器型式：固定管板式名稱管程殼程換熱面積(m2)：物料名稱循環(huán)水煤油設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)操作壓力，MPa管數(shù)/根236操作溫度，°C30/40120/40管程數(shù)4流量,Kg/h15000管間距,mm32流體密度，kg/m3812間距

25、，mm200流速，m/s殼體內(nèi)徑，mm650傳熱量，kW760管長，mm6000總傳熱系數(shù)，W/m?°C排列方式正二角形表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/m=°C管子規(guī)格0>25*污垢系數(shù)，m-K/W折流板型式圓缺形折流板流動阻力，Pa折流板數(shù)/個29膨脹節(jié)因為管內(nèi)平均溫度35°C,管外平均溫度80°C, 80-35=45<50°Co所以不需要膨脹節(jié)。殼體壁厚查GB-15M999 （附錄中表5）,得圓筒厚度為:10 mm封頭設(shè)計上下均選橢圓形封頭 JB/T4737-2002標準，DN650X2查JB/T4712-92, DN=,選用Bl型鞍式支座L

26、>3000mm, LB=L,此取 LB =4000拉桿的直徑和數(shù)量根據(jù)附錄中表6拉桿直徑的選取，取得拉桿直徑為16mm。根據(jù)附錄中表7.拉桿數(shù)量，取得拉桿數(shù)量為4根。九、設(shè)計小結(jié)十、文獻參考1 賈紹義，柴誠敬 主編.化工原理課程設(shè)計M.天津：天津大學出版社，2 譚天恩，竇梅，周明華等主編.化工原理:上冊M.北京：化學工業(yè)出版社，3 秦叔經(jīng)，葉文邦等編.換熱器M.北京：化學工業(yè)出版社，4 潘繼紅等.管殼式換熱器的分析與計算M.北京：科學出版社,19965 化工設(shè)備技術(shù)全書編委會.換熱器設(shè)計M.上海：上海科學技術(shù)出版社，19886 匡國柱，史啟才.化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計M.北京：化學工業(yè)

27、出版社，20027 錢頌文主編.換熱器設(shè)計手冊M.北京：化學工業(yè)出版社.2002卜一、主要符號說明英文字母T煤油溫度，°CB折流板間距，mmu-流速，m/sCp定壓比熱容,kJ/(kg°C)Wi循環(huán)水用量,kg/hd-管徑,mm希臘字母D殼體內(nèi)經(jīng)，mma對流傳熱系數(shù)，W/(m2 °C)h-折流板圓缺高度，mm入導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m°C)K總傳熱系數(shù)，W/(m2 - °C)£二絕對粗糙度1長度，mu 粘度，Pa sL長度，mp密度，kg/m3n管數(shù)G 校正系數(shù)N程數(shù)P壓強，Pa下標Q熱流量，kJ/ho管外Rs污垢熱阻，(m2 °

28、C)/Wi一管內(nèi)S-傳熱面積，m2e當量卜循環(huán)水溫度，°Cm-平均t官心'距，mm十二、附錄表1 流體的污垢熱阻加熱流體溫度。°C小于115115205水的溫度，°C小于25大于25水的速度，(m/s)小于大于小于大于污垢熱阻，(m? - °C/W)：海水X104X104自來水，井水，鍋爐軟水X104X104蒸憾水X10-4X104硬水X104X104河水X10-4X10-4X10-4XKT4表2流體的污垢熱阻表3管殼式換熱器中常用的流速范流體名稱污垢熱阻(m2弋/W)流體需稱污垢熱阻(m2r/W)流體名稱污垢熱阻 (m2 TAV)有機化合物蒸氣X10-4有機化合物X10-4石腦油xio-4溶劑蒸氣X10-4鹽水X10-4煤汕X104天然氣X10-4熔鹽X10-4汽汕xio-4焦爐氣X10-4植物汕X10-4重汕xio-4水蒸氣X10-4原油-X10-4瀝青油xio-4空氣X10-4柴汕-X10-4循環(huán)水新鮮水-般液體易結(jié)垢液體低粘度油高粘度油管程流速(m/s)殼程流速，(m/s)表4某些工業(yè)管材的絕對粗糙度管道類別絕對粗糙度£ /mm金屬管