煤油冷卻器設(shè)計(jì)

煤油冷卻器設(shè)計(jì)(2016—2017年度第一學(xué)期)一．任務(wù)書.主要內(nèi)容二．設(shè)計(jì)方案簡介.換熱器概述列管式換熱器.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)熱量設(shè)計(jì)初選換熱器的類型管程安排（流動(dòng)空間的選擇）及流速確定確定物性數(shù)據(jù)計(jì)算總傳熱系數(shù)計(jì)算傳熱面積工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管徑和管內(nèi)流速管程數(shù)和傳熱管數(shù)平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)傳熱管排列和分程方法折流板殼程內(nèi)徑及換熱管選型匯總換熱器核算熱量核算壓力降核算四．輔助設(shè)備的計(jì)算及選型封頭緩沖擋板放氣孔、排液管假管拉桿和定距管膨脹節(jié)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.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、國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，正確地選用公式和數(shù)主要內(nèi)容設(shè)備型式：列管換熱器冷卻介質(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×10-4Pa·s比熱容kg·℃導(dǎo)熱系數(shù)m·℃水定性溫度下的物性參數(shù)：密度994kg/m3粘度×10-4Pa·s比熱容kg·℃導(dǎo)熱系數(shù)m·℃主體設(shè)備工藝條件圖。二．設(shè)計(jì)方案簡介.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。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(jiān)固、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。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。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。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程走什么，殼程走什么。本設(shè)計(jì)中選擇使循環(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)熱量設(shè)計(jì)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。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Φ25×的碳鋼管，管內(nèi)流速取u=s。i列管式換熱器內(nèi)的適宜流速范圍流速/（m/s）流速/（m/s）>易結(jié)垢液體流體種類一般液體氣體確定物性數(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)22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)計(jì)算總傳熱系數(shù)W=25000kg/hhh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=WC(T-T)=25000Kg/h×kg.℃×（140-40）℃=5550000KJ/h=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>，故可選用單殼程又因T-t=55℃>50℃,所以應(yīng)選擇補(bǔ)償圈補(bǔ)償熱方式，在固定管板上由以上的計(jì)算結(jié)果以及已知條件，很容易算得：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iiiiiiiiddi=m℃ob=在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得────iiiio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：工藝設(shè)計(jì)管徑和管內(nèi)流速選用Φ25×的碳鋼管，管長6m，管內(nèi)流速取ui=s。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)：2 ii4按單程計(jì)算，所需傳熱管的長度是：若按單程管計(jì)算，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，可見取傳熱管pl6平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)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殼程的列管式換熱器。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=，則橫過管束中心線的管數(shù)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η=，則殼體內(nèi)徑為NηNη圓整可取D=800mm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=×800=200mm故可取h=200mm，取折流板間距B=,則B=×800=240mm，可取折流板圓缺水平裝配。殼程內(nèi)徑及換熱管選型匯總外殼直徑D外殼直徑D800mm公稱面積S管程數(shù)管尺寸管排方式—正三角形管程流通面積S4換熱器核算熱量核算（1）殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形的折流板，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：2-2由于管為三角形排列，則有由于管為三角形排列，則有（2）管程對(duì)流傳熱系數(shù)管程流通截面積:（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：m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S'該換熱器的實(shí)際傳熱面積Sp傳熱面積裕度合適，該換熱器能完成生產(chǎn)任務(wù)。壓力降核算因?yàn)闅こ毯凸艹潭加袎毫档囊螅砸獙?duì)殼程和管程的壓力降（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=Re=，為湍流，傳熱管相對(duì)粗糙度為202.3,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Ft——?dú)こ虊毫档墓笇有Ｕ禂?shù)，對(duì)液體Ft=；流體流經(jīng)管束的阻力Bo,0n——橫過管束中心線的管子數(shù)，對(duì)正三角形排列nccNB——折流擋板數(shù)流體流經(jīng)折流板缺口的阻力其中,,0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(jì)中，殼體直徑D=800mm，所以選緩沖擋板緩沖擋板可以防止進(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。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φ25×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。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。接管換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑按下式計(jì)算，即：s殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為u=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=s，則接管內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)管內(nèi)徑為180mm流量kg/h132966壓力MPa密度kg/m3994825kJ/kg·℃物性導(dǎo)熱系數(shù)W/m·℃普蘭特?cái)?shù)設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)4管程數(shù)帶有膨4管程數(shù)脹節(jié)的管板式換熱器殼體內(nèi)徑mm800殼程數(shù)1管心距mm32管心距mm326000管子排列正三角管長6000管子排列正三角折流板數(shù)(個(gè))折流板數(shù)(個(gè))23主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速m/s對(duì)流傳熱系數(shù)W/㎡·℃6594590污垢熱阻㎡·℃/W阻力損失MPa熱負(fù)荷kW平均傳熱溫差℃W/㎡·℃總傳熱系數(shù)W/㎡·℃%裕度%五．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%，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△t,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m得到較大的平均溫度差；