列管式煤油冷却器设计计划书

1 列管式煤油冷却器设计计划书 一、设计任务书 一、 设计题目： 煤油冷却器的设计 二、 设计任务及操作条件 1、设计任务 处理能力： 20万吨 /年 设备型式： 列管式 2、操作条件 （ 1）煤 油：入口温度 140 出口温度 40 （ 2）冷却介质：循环水 入口温度 20 出口温度 40 （ 3）允许压降：不大于 4）煤油定性温度下的物性数据 /2543（ 5）每年按 330天计算，每 天 24小时连续运行。 2 二、设计书 1、概述 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。 按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。 随着换热器在工业生产中的作用和地位的不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业 上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在换热器中占据主导地位。 列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成。 列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种： 这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性 3 的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁 与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差 50以上时，为安全 起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于 60 70和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过 600由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。 换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。 4 管式换热器 U 形管式 换热器 仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。且每根管子均弯成 U 形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。其特点是管束可以自由伸缩，热补偿性能好；双管程，流程长，流速高，传热性能好；承压能力强；管束可以从壳体中抽出，且结构简单，造价低。但其管数少且易短流。故 仅适用于管壳壁温差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。 5 这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。 根据操作条件，热流体入口温度 140，出口温度 40；冷却介质入口温度 20，出口温度 40，允许压降不大于 由于煤油是易燃物质，故不宜选用填料函式换热器；由于不存在高温、高压、腐蚀性强的情形，故无需选用 根据两流体温度变化情况，该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差（ 50以上），最大允许压降也不高，故可选用浮头式换热器或带补偿圈的固 定管板式换热器。又由于固定管板式换热器相对于浮头式换热器结构简单、造价便宜，故为首选。 管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。和正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正 6 方形排列比较松散，传热效果较差，但管外清洁较方便，对易结垢的流体较适用，此处管内流体为水，故可不考虑结垢的问题，因此管子排列可选用等边三角形排列的方式。 操作条件中冷却介质为循环水，在运行过程中，随着挥发水量的消耗，水中各种杂质的浓度也会相应增大，结垢的 概率也会同时增加，而固定管板式换热器要求 壳程介质清洁，不易结垢 ，故应采用冷却水走管程，煤油走壳程。 对于流向问题，比较逆流和并流时的平均温差。 并流时，有： 40 =0 , 140 =120 00120 逆流时，有： 40 =20， 140 =100 逆由计算结果得出，逆流时的平均温差较并流的大。故在换热器的传热量 相同的条件下，采用逆流操作可以节省传热面积，减少设备费；或可以减少换热介质的流量，降低运行费。因此优先考虑逆流操作。 另外为了强化传热，列管式换热器的管程或壳程常常为多程，流体经过多次折流后流出换热器，使得换热器内流体流动形式偏离纯粹的逆流和并流。 7 定性温度：一般取流 体进出口温度的平均值。 壳程流体煤油的定性温度为 T 902 401 4 01 管程流体循环水的定性温度为 T 302 40202 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 壳程流体 煤油在 90的部分物性数据如下： 密度 c （ kg/ 825 比热容 0C) 度 c (s) 导热系数 c (W/(0C) 程流体 水在 30的部分物性数 据如下： 密度 i （ kg/ 比热容 0C) 度 i (s) 热系数 i (W/(0C) 流操作） 热流量： )/(020q 71 （ 8 传热量： Qo=140 106kJ/h=均传热温差： 040()40140(2121 ) 而 52040401 4 0 1 6 02040 由 换热器设计手册 图 1得校正系数为 以修正后的传热温度差为 C. 8 943. 7 1498 8 t 冷却水用量： 040( kg/s） 由常用化工单元设备设计表 1得水与煤油之间的传热系数在 290初步设定 K=500w/( 估算的传热面积为 2m 5 5 7 2 4 0A 9 壳程流通截面积 200 9 6 式中 150程流体流速及其雷诺系数分别为 s/ 9 6 1 1 00 0 0 7 0 普兰特准数 00 0 0 7 0 粘度校正 由于是正三角形排列，当量直径 0202e 2因为3 101102 范围内，故可采用 凯恩（ 求算0， 其中，取 10 ）（ 管程流通截面积 222ii 023. 144 管程流体流速以及其雷诺数分别为 s/ 8 4 40 0 0 8 0 0 普朗特准数 7 00 0 0 8 0 0 P 水在管程中是被加热 故管程对流换热系数 0 i ）（ 11 查阅化工原理（上） 录 20，得 煤油侧的污垢热阻 40 oC/w 循环水侧的污垢热阻 oC/w 钢的导热系数为 =45 解得 K=(传热面积 6 1 5 5 7 2 4 0A 实际传热面积 2P 62 0 0(60 2 md l N 该换热器的面积裕度为 %6. 6671. 4066100% 结果处于要求的 15%20%的范围内，该换热器符合实际生产要求。 考虑到流体的流速，选用 25 钢管），即管内径 025 2=管内流速 s 。 12 程数、管数和壳程数的确定 根据传热内径和流速确定单程传热管数 按单管程计算，所需的传热管长度为 按单管程设计，传热管过长，现取传热管长 l=6，则该换热器管程数为 （管程） N=50 4=200(根） 由于 平均传热温差校正 系数 为 于 且 壳程流体流量较大，故 采 取单壳程 较 合适。 横过管束中心线的管数为 （根）c 采用多管程结构，取管板利用率 =体内径为 故取 00 13 壳程流体进出口接管： 取接管内煤油流速为 u 1.0 m/s，则接管内径为 d= = =调整采用 1145轧无缝钢管 (,取标准管径 为 114 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u 1.5 m/s，则接管内径为 d= = 84 = 经调整采用 1407轧无缝钢管 ( ,取标准管径为 140采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则切去的圆缺高度为 0 . 2 5 6 0 0 1 5 0h m m 取折流板 间距 0 . 4 0 . 4 6 0 0 2 4 0B D m m ，取板间距为 3000001 1 1 9300 传 热 管 长 块折 流 板 间 14 换热器主要结构尺寸和计算结果 （ 3）换热器主要结构尺寸和计算结果 f C l 3 见下表： 换热器型式：固定管板式 换热器面积（）： 艺参数 项目 管程 壳程 物料名称 循环水 煤油 操作温度 ( ) 20/40 40/140 流量 (kg/s) 体密度 (3m ) 25 流速 (m/s) 流传热系数 (w/ )k 垢系数 ( k/w) 程数 4 1 使用材料 碳钢 碳钢 传热量 (传热系数 (w/ k) 子规格 25 数 /根 200 管长 /000 15 三、附图 结构简图见附图 四、设计评述 首先，这次课程设计是我们所接触的实践任务中最繁琐的、专业性最强的，所要用到的知识很多，包括机械设计基础、机械制图、工程热力学、传热学、流体力学、制冷原理和换热器原理与设计等方面的知识。这些知 识不是机械的相加，而是需要全面的考虑和整体布局，不止一次因为考虑不全而要重新来过。最后，整体计算了三次才选定初步的换热器型号。另外，有时为了一个数据需要查找好几本书，还是找不到结果的时候，是挺烦躁的，很容易让人想放弃。但功夫不负有心人，努力终会结果，特别是在其他同学都还没找到而你找到时，拿来跟同组其他同学共享，那更是一件乐事。在辛苦的同时，享受着辛苦带来收获的喜悦。 其次，这次课程设计还考验了我们的团队合作精神，以及严谨的工作态度、平和的心态。这次设计工作量大，用到的知识多，而且我们又是第一次设计，所 以单独靠自己是无法完满的完成本次课程设计。我们同组同学之间经常要进行讨论，甚至争论，进而发现问题，改正壳体内径， 00 折流 板数 19 管程流体进出口接管规格 140 7 壳程流体进出口接管接管规格 114 5 16 问题并产生较合理的结果和方法。同时争论让我更加清楚地了解自己，让我明白我要更加耐心的表达我的想法，把问题解析清楚，也要耐心的听其他同学的意见。如果有实在解决不了的问题，就去向老师咨询，老师会耐心地给我们讲解，直到我们完全弄明白了为止。 最后要提到的就是绘图了。尽管 程制图是我们的专业，但我们还未熟练掌握。于是我们不免需要捧着厚厚的课本将其仔细的复习一遍，然后再进行正式的绘图工作。绘图过程中遇到了 不少的麻烦，刚开始整体的布局规划就很繁琐，必须布局得当才能使图既能够画完，又表现得十分清晰。另外由于换热器中有很多的零部件，它们的尺寸或者厚度很小，画的时候很难准确地按照比例将其绘画出来。终于功夫不负有心人，最后将换热器图圆满顺利地完成了。 总的来说尽管在此次的煤油冷却器设计过程中遇到了很多的麻烦，但最终经过自己的努力以及同学的帮助，最终还是完成了任务。通过这次的设计任务，我不仅巩固了以前所学习的知识，还让我对环工知