煤油冷卻器課程設(shè)計

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--內(nèi)頁可以根據(jù)需求調(diào)整合適字體及大小--煤油冷卻器課程設(shè)計(總30頁)PAGE長沙學(xué)院課程設(shè)計說明書題目煤油冷卻器的設(shè)計系(部)生環(huán)系專業(yè)(班級)09應(yīng)化2班姓名學(xué)號指導(dǎo)教師宋勇起止日期——化工原理課程設(shè)計任務(wù)書系主任___________指導(dǎo)教師____________學(xué)生__戴姣______2班編號：設(shè)計題目名稱：列管式煤油冷卻器的設(shè)計二、設(shè)計條件：1．煤油：入口溫度：130℃，出口溫度：50℃；2．冷卻介質(zhì)，循環(huán)水（P為，進口溫度28℃，出口溫度40℃）3．允許壓強降，不超過105Pa；4．每年按300天計；每天24h連續(xù)運轉(zhuǎn)。5．處理能力65000噸/年；6．設(shè)備型式：列管式換熱器。7．煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù):三、設(shè)計內(nèi)容1．熱量衡算及初步估算換熱面積；2.冷卻器的選型及流動空間的選擇；3.冷卻器的校核計算；4.結(jié)構(gòu)及附件設(shè)計計算；5．繪制帶控制點的工藝流程圖（A3）及冷卻器的工藝條件圖（A3）；6．編寫設(shè)計說明書。四、廠址:長沙地區(qū)

五、設(shè)計任務(wù)完成臥式列管冷卻器的工藝設(shè)計并進行校核計算，對冷卻器的有關(guān)附屬設(shè)備的進行設(shè)計和選用，繪制換熱器系統(tǒng)帶控制點的工藝流程圖及設(shè)備的工藝條件圖，編寫設(shè)計說明書。設(shè)計時間安排三周：2012年5月28日-2012年6月16第一章長沙學(xué)院課程設(shè)計鑒定表姓名學(xué)號專業(yè)班級設(shè)計題目指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師意見：評定等級：教師簽名：日期：答辯小組意見：評定等級：答辯小組長簽名：日期：教研室意見：教研室主任簽名：日期：系（部）意見：系主任簽名：日期：目錄TOC第1章設(shè)計方案簡介 1換熱器概述 1列管式換熱器 1固定管板式 1形管式 2設(shè)計方案的擬定 3工藝流程簡圖（見附圖） 3第二章工藝計算和主體設(shè)備設(shè)計 4初選換熱器類型 4管程安排及流速確定 4確定物性數(shù)據(jù) 5計算總傳熱系數(shù) 5第三章工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計 9.管徑和管內(nèi)流速 9.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 9.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 9第四章?lián)Q熱器核算 14第五章輔助設(shè)備的計算和選型 20第六章設(shè)計結(jié)果表匯 22參考文獻 24化工原理課程設(shè)計之心得體會 25設(shè)計方案簡介換熱器概述換熱器是化工，煉油工業(yè)中普遍應(yīng)用的典型的工藝設(shè)備。在化工廠，換熱器的費用約占總費用的10%~20%，在煉油廠約占總費用35%~40%。換熱器在其他部門，如動力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應(yīng)用。因此，設(shè)計和選擇得到使用、高效的換熱器對降低設(shè)備的造價和操作費用具有十分重要的意義。在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，即簡稱換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。換熱器的類型按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛。列管式換熱器因設(shè)計需要,下面簡單介紹下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。固定管板式固定管板式即兩端管板和殼體連結(jié)成一體，因此它具有結(jié)構(gòu)簡單造價低廉的優(yōu)點。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(yīng)是較為潔凈且不易結(jié)垢的物料。當兩流體的溫度差較大時，應(yīng)考慮熱補償。有具有補償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定板式換熱器，即在外殼的適當部位焊上一個補償圈，當外殼和管束的熱膨脹程度不同時，補償圈發(fā)生彈性形變，以適應(yīng)外殼和管束的不同的熱膨脹程度。這種熱補償方法簡便，但不宜用于兩流體溫度差太大和殼方流體壓強過高的場合。見圖[2]。1-擋板2-補償圈3-放氣嘴圖.固定管板式換熱器的示意圖浮頭式這種換熱器有一段管板不與殼體相連，可沿軸向自由伸縮。這種結(jié)構(gòu)不但可完全消除熱應(yīng)力，而且在清洗和檢修時，整個管束可以從殼體中抽出。因此，盡管其架構(gòu)較復(fù)雜，造價較高，但應(yīng)用仍較普遍。見圖[2]。圖.浮頭式換熱器示意圖形管式每根管子都彎成U形，兩端固定在同一個管板上，因此，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。這種結(jié)構(gòu)較簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。其缺點是管內(nèi)不易清洗，并且因為管子要有一定的彎曲半徑，其管板利用率較低。見圖[1]。圖形管式換熱器示意圖設(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，煤油走殼程。從資料中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如比熱容，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。工藝流程簡圖（見附圖）第二章工藝計算和主體設(shè)備設(shè)計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130℃，出口溫度50℃；（2）冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度28℃，出口溫度40℃；該換熱器用循環(huán)冷卻自來水進行冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考略到這一因素，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。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Φ25×的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=s。參考數(shù)據(jù)見表,表[1]。表.列管式換熱器內(nèi)的適宜流速范圍流體種類流速/（m/s）管程殼程一般液體~3~易結(jié)垢液體>1>氣體5~303~15表不同粘度液體的流速（以普通鋼壁為例）液體粘度/mPa．s＞15001500～500500～100100～3535～1＜1最大流速/（m/s）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，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。見表[1]表.物性數(shù)據(jù)密度/（㎏/m3）比熱容/（kJ/kg?℃）粘度/（Pa?s）導(dǎo)熱系數(shù)/（W/m?℃）煤油825×10-4水34℃)×10-4計算總傳熱系數(shù)(1).煤油的流量已知要求處理能力為萬噸煤油每年（每年按300天計，每天24小時連續(xù)運行），則煤油的流量為：Wh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)=h×kg.℃×（130-50）℃=h=×105W(3).平均傳熱溫差計算兩流體的平均傳熱溫差TC"平均傳熱溫差"\fC，暫時按單殼程、多管程計算。逆流時，我們有 煤油：130℃→50℃ 水：40℃←28℃從而=℃此時P=R=式子中：——熱流體（煤油）的進出口溫度，K或℃；——冷流體（自來水）的進出口溫度，K或℃；可查得：=[1]﹥，所以，修正后的傳熱溫度差為：=℃(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==(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=αi==m2?℃2.殼程傳熱系數(shù)：假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)是：=500W/m2?℃污垢熱阻：Rsi=℃/WRso=m2℃/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)：=45m2℃/W管壁厚度：b=內(nèi)外平均厚度：dm=在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得(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：第三章工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計.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)：ns= 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： .平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)=℃此時：P=R=可查得：=[1]﹥，所以，修正后的傳熱溫度差為：=℃于是，校正后的平均傳熱溫差是℃，殼程數(shù)為單程，管程數(shù)為2。.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采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=，則殼體內(nèi)徑為圓整可取D450mm[3].折流板設(shè)置折流板的目的是為了提高流速，增加湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常用的有弓形折流板（圖1-20）和圓盤-圓環(huán)形折流板（圖1-21），弓形折流板又分為單弓形[圖1-20（a）]、雙弓形[圖1-20（b）]、三重弓形[圖1-20（c）]等幾種形式[4]。單弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h為殼體公稱直徑Dg的15%～45%，最好是20%，見圖1-22（a）；在臥式冷凝器中，折流板底部開一90°的缺口，見圖1-22（b）。高度為15～20mm，供停工排除殘液用；在某些冷凝器中需要保留一部分過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭，這時可采用堰的折流板，見圖1-22（c）[4]。在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞到折流板背后接近殼體處，會有一部分液體停滯起來，形成對傳熱不利的“死區(qū)”。為了消除這種弊病，宜采用雙弓形折流板或三弓形折流板。從傳熱的觀點考慮，有些換熱器（如冷凝器）不需要設(shè)置折流板。但為了增加換熱器的剛度，防止管子振動，實際仍然需要設(shè)置一定數(shù)量的支承板，其形狀與尺寸均按折流板一樣來處理。折流板與支承板一般均借助于長拉桿通過焊接或定距管來保持板間的距離，其結(jié)構(gòu)形式可參見圖1-23[7]。由于換熱器是功用不同，以及殼程介質(zhì)的流量、粘度等不同，折流板間距也不同，其系列為：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。[5]允許的最小折流板間距為殼體內(nèi)徑的20%或50mm，取其中較大值。允許的最大折流板間距與管徑和殼體直徑有關(guān)，當換熱器內(nèi)流體無相變時，其最大折流板間距不得大于殼體內(nèi)徑，否則流體流向就會與管子平行而不是垂直于管子，從而使傳熱膜系數(shù)降低。折流板外徑與殼體之間的間隙越小，殼程流體介質(zhì)由此泄漏的量越少，即減少了流體的短路，使傳熱系數(shù)提高，但間隙過小，給制造安裝帶來困難，增加設(shè)備成本，故此間隙要求適宜。折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，見表所列數(shù)據(jù)。[6]表折流板厚度/mm殼體公稱內(nèi)徑/mm相鄰兩折流板間距/mm≤300300～450450～600600～750＞750200～2503561010400～70056101012700～100068101216＞1000610121616支承板厚度一般不應(yīng)小于表(左)中所列數(shù)據(jù)。 支承板允許不支承的最大間距可參考表（右）所列數(shù)據(jù)。殼體直徑/mm＜400400～800900～1200管子外徑/mm19253857支承板厚度/mm6810最大間距/mm1500180025003400經(jīng)選擇，我們采用弓形折流板，取弓形折流圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：h=×450=取折流板間距B=，則：B=×450=150mm可取B=200mm因而查表可得[7]：折流板厚度為5mm，支承板厚度為8mm，支承板允許不支承最大間距為1800mm。折流板數(shù)NB=折流板圓缺面水平裝配。.接管殼程流體進出口時接管 取接管內(nèi)油品流速為u=s 則接管內(nèi)徑為： d=所以，取標準管的內(nèi)徑為57mm。管程流體進出口時的接管 取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=s，則接管內(nèi)徑： d= 取標準管徑為108mm。。接管最小位置 換熱器設(shè)計之中，為了使換熱面積得以充分利用，殼程流體進出口接管應(yīng)盡量靠近兩端的管板，而管箱的進出口盡量靠近管箱法蘭，從而減輕設(shè)備重量。所以，殼程和管程接管的最小位置的計算就顯得很必要了。1）.殼程接管位置的最小尺寸 所設(shè)計的為帶補強圈的殼程接管，則殼程接管位置的最小尺寸L1可用如下公式計算： L1≧式子中：——補強圈的外圈直徑，mm b——管板厚度，mm C——補強圈外緣至管板與殼體焊縫之間的距離，mm。而且，C≧4S且C≧32,S為殼體厚度。 經(jīng)計算易得，殼程接管位置的最小尺寸為：120mm。2）.管程接管位置的最小尺寸 所設(shè)計的為帶補強圈的管程接管，則管程接管位置的最小尺寸L2可用如下公式計算： L2≧式子中：——補強圈的外圈直徑，mm b——管板厚度，mm C——補強圈外緣至管板與殼體焊縫之間的距離，mm。而且，C≧4S且C≧32,S為殼體厚度。 經(jīng)計算易得，管程接管位置的最小尺寸為：140mm。其他附件本傳熱器傳熱管外徑為25mm，故拉桿直徑為φ16，拉桿數(shù)為6個。殼程入口出應(yīng)設(shè)置防沖擋板。第四章?lián)Q熱器核算熱量核算殼程對流傳熱系數(shù) 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：==殼程流通截面積：殼程流體流速為：雷諾準數(shù)為：普朗特準數(shù)：粘度校正管程對流傳熱系數(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)：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=℃/WRso=m2℃/W還有，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)：=45m2℃/W管壁厚度：b=內(nèi)外平均厚度：dm=在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得傳熱面積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)。流動阻力的計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。管程流動阻力管程壓力降的計算公式為：其中Ns=1,Np=2,Ft=Re=5977，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)。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=；Ns——殼程數(shù)；（1）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)=，對正方形斜轉(zhuǎn)45o排列，F(xiàn)=，正方形排列，F(xiàn)=;fo——殼程流體的摩擦系數(shù)，當Re﹥500時，nc——橫過管束中心線的管子數(shù)，對正三角形排列ncNB——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，mB——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。第五章輔助設(shè)備的計算和選型1)儲罐的選擇換熱器每小時冷卻的煤油量為65000×103/(300×24)=9028kg而儲罐只需儲存半小時的冷卻量即9028/2=4514kg故儲罐應(yīng)選取能容納4514kg煤油的規(guī)格2)油泵的選擇140℃的煤油：ρ=800㎏/m3μ=×10-4Pa?Sqv=65000×103/800×300×24=m3/h選用的管子則管內(nèi)流速鋼管絕對粗糙度取ε=相對粗糙度ε/d=89=查得λ=閘閥（全開）：le/d=9(5個)單向閥（球式）：le/d=3500（2個）彎管:le/d=35(4個)三通：le/d=50（2個）現(xiàn)選取儲罐與油泵之間:高度差為1m距離為油泵與換熱器之間:高度差為距離為所以儲罐與換熱器之間的管路長為1+++=管路壓頭損失ΣHf=λ[(l+Σle)/d+ζ)]u2/2g=+9×5+3500×2+35×4+50×2)×(2×=H′=⊿Z+ΣHf=+=流量qv＝１.2×q′v=×=(20%的裕度)揚程H=×H′=（50%的裕度）查油泵規(guī)格表可知，應(yīng)選取型號為IS80-50-315的油泵 第六章設(shè)計結(jié)果表匯參數(shù)數(shù)據(jù)煤油流量kg/h循環(huán)水流量/kg/h31968實際傳熱面積S/㎡要求過程的總傳熱系數(shù)/W/（㎡℃）總傳熱系數(shù)/W/（㎡℃）裕度%管程壓強降/Pa殼程壓強降/Pa`參數(shù)數(shù)據(jù)殼徑D/mm450殼程數(shù)1管程數(shù)Np2管子尺寸/mm管長/m6管子總數(shù)n114管子排列方法正三角形(程內(nèi))正方形（隔板兩側(cè)）管心距/mm32折流板數(shù)39板間距/mm150弓高/mm110殼程接管管程接管參考文獻[1]天津大學(xué)化工原理教研室編。《化工原理》上、下冊(第二版)[M]。天津:天津科技出版社,1996：125,147頁[2]柴誠敬?！痘ぴ碚n程設(shè)計》[M],天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,2000:265~267頁[3]偉萍編?；み^程及設(shè)備設(shè)計[M],北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000：240，275頁[4]潘國昌?！痘ぴO(shè)備設(shè)計》[M],北京：清華大學(xué)出版社.2001：54頁[5]婁