轻油冷却器的设计_课程设计论文.doc

油气储运专业课程设计 i 课程设计任务书课程设计任务书 1 1、设计题目：、设计题目：轻油冷却器的设计 2 2、设计基本条件、设计基本条件： （1）处理能力 40000 吨/年 （2）设备型式 列管式换热器 （3）操作条件 a轻油：入口温度 140，出口温度 40； b冷却介质：自来水，入口温度 25，出口温度 35； c允许压降：管程不大于 0.1mpa，壳程不大于 0.05mpa； d每年按 300 天计，每天 24 小时连续运行； （4）物性参数 密 度: 0760kg/m3 定压比热容: cp02.20kj/kg 热导率: 00.138w/m 粘 度: 00.536mpas 3 3、设计任务：、设计任务： （1）设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述； （2）完成换热器工艺设计计算； （3）换热器设备计算； （4）撰写设计说明书（word 文档上机打印） ； 油气储运专业课程设计 ii （5）绘制换热器装配图（a3 图纸，可用计算机绘制） 。 摘要 本设计为油气储运工程系的化工原理课程设计，其目的为锻炼设计者的 独立设计工作能力；包括资料查阅、收集、筛选，数据及参数的计算，结果校 核、选定，独立选择工艺技术，办公软件应用及排版，制图软件应用等。旨在 培养设计者综合能力，为毕业设计以及以后的研究工作做好铺垫，使设计者对 设计类工作有一定感性认识。 此说明书阐述的是处理量为 4104 吨/年轻油冷却器的设计方案，方案 采用固定管板式换热器，以循环水为冷却剂，进行轻油冷却。 本设计完成了换热器的工艺计算，包括轻油和水的基础物性数据，换热器 面积估算，换热器工艺结构尺寸的计算，并分别进行核算，绘制了带控制点的 工艺流程图，换热器装配图。 本设计除人工计算外还利用到一些电脑软件进行绘图，排版等。 关键字：轻油；水；换热器；固定管板式；课程设计。 油气储运专业课程设计 iii abstractabstract this design for oil &gas storage and transportation engineering principles of chemical engineering course design, the purpose of the exercise independent design work ability designer, consult, including data collection, screening, data and parameter calculation, the results checking, selection, independent selection process technology, the office software application and typesetting, drafting software applications. aimed at training designers comprehensive ability, for the graduation design and future research work on the blackboard, enables designers design kind of job have certain perceptual knowledge. this manual is elaborated 40000 tons/year kerosene cooler, the design of scheme adopts with expansion joint fixed tube heat exchanger, to circulating water for cooling agent, kerosene cooling. this design completed heat exchanger technical calculation, including kerosene and water based physical property data, heat exchanger area estimation, heat exchanger process structure size of calculation, and separately accounting, painted with control process flow diagram, heat exchanger assembly drawing. this design except the artificial calculation are utilized to some computer software graphics, layout, etc. 油气储运专业课程设计 iv keywordskeywords：kerosene, water, heat exchanger, fixed tube plate, curriculum design。 目录 课程设计任务书.i 摘要ii abstract.iii 第 1 章 绪论1 1.1 换热器技术概况 1 1.1.1 固定管板式换热器： .1 1.1.2 浮头式换热器： .1 1.1.3 填料函式换热器： 2 1.1.4 u 型管式换热器： 2 1.2 换热器设备的发展 2 1.3 换热器在工业生产中的应用 3 第 2 章 设计方案5 2.1 换热器类型的选择 5 2.2 流程的安排 6 油气储运专业课程设计 v 2.2.1 冷、热流体流动通道的选择.6 2.2.2 流动方式的选择 .7 2.2.3 材质的选择 .7 2.2.4 流体流速的选择 .8 2.2.5 换热管的选择 .8 第 3 章 换热器的工艺计算9 3.1 基础物性数据 9 3.2 换热器面积的估算 9 3.2.1 热负荷计算.9 3.2.2 平均传热温差及其校正10 3.2.3 传热面积 10 3.2.4 柴油的用量 10 3.3 换热器工艺结构尺寸的计算.10 3.3.1 管程 e、流速及雷诺数的计算.10 3.3.2 壳程流通截面积、流速及雷诺数的计算 11 3.3.3 传热管排列方式的选择及管心距的计算 11 3.3.4 折流板的选择 11 3.4 换热器核算.11 3.4.1 传热能力的核算 11 3.4.2 传热面积核算13 3.4.3 换热器流体阻力计算 13 3.5 换热器主要结构尺寸算结果汇总.15 油气储运专业课程设计 vi 3.6 主要符号说明 .16 设计过程的评述和有关问题的讨论18 主要参考文献19 附录20 结束语25 油气储运专业课程设计 vii 油气储运专业课程设计 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 换热器技术概况 换热器是许多工业生产部门的通用工艺设备，尤其是石油、化工生产中 应用更为广泛，在化工厂中换热器可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器 和再沸器等。换热器的类型很多，性能各异，从早期发展起来的列管式换热 器到近年来不断出现的新型、高效换热设备，各具特点。 列管式换热器是目前化工生产上应用最广的一种换热器 ，它结构简单、 坚固，制造容易，材料广泛，处理能力强大，适用性强。列管式换热器主 要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采 用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结 管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种 流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程 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： 1.1.1 固定管板式换热器： 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 油气储运专业课程设计 2 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 6070和壳程流体压强不高的情况。一般 壳程压强超过 0.6mpa 时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用， 就应考虑其他结构。 1.1.2 浮头式换热器： 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。 1.1.3 填料函式换热器： 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。 1.1.4 u 型管式换热器： u 形管式换热器，每根管子都弯成 u 形，两端固定在同一块管板上，每 根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽 油气储运专业课程设计 3 出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难， 管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。 下面简单列举四种常用换热器的特性： 表 11 四种常用换热器特性 类型 特性 固定管板式 式 浮头式填料函式u 形管式 优点 结构简单 造价低廉 管束便于清 洗 和检修 制造方便 便于清洗、 维修 结构简单 重量轻 缺点 壳程不易检 修 和清洗 结构复杂 造价较高 耐压不高 管内清洗困难 管板利用率低 适用场合 两流体温差 不大 壳方压强较 低 温差大低压场合高温、高压场合 1.2 换热器设备的发展 20 世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于 食品工业。以板代管制成 的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30 年代初， 瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用 钎焊法制造出一种由铜及其合金 材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。 30 年代末，瑞典又制 造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介 油气储运专业课程设计 4 质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效 能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工 艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。 此外，自 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要， 典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。 70 年代中期，为了强化传热， 在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。 长期以来，非接触式换热器一直是管壳式 （列管式）换热器一国独大 的局面。然而近几十年来，这种平衡有所改变。 这种改变是由于各种板 式类换热器的逐步开发和应用所带来的。板式类换热器能够被深入研究和开 发，固然是有其历史必然的。回顾换热器发展历程，虽然板式换热设备的充 分开发只是近些年的事情，但是其理论和技术的出现却要早的多。但是人们 最初舍弃了这种换热性能远远占优的换热器形式，而是选择并大量应用了管 壳式换热器。 那么，既然是结构强度没有得到根本性的改变，近些年板式类换热器 又是怎样被重视起来的呢？这种变化是与世界经济的发展环境，尤其是能源 发展环境的变化息息相关的。 世界能源的日益紧张与危机，使得 “节能” 与“高效”逐渐受到重视，加之 “节能减排环保”的概念日益深 入人心，各国政府和机构都逐年加大了这方面投入的人力和物力，同时也取 得了许多可喜的成果。很显然，板式类换热器这种高效的换热方式，也就顺 理成章地受到重视，并进行了再次开发，且在其强度范围所能允许的范围内 大量应用遍地开花。其技术发展也达到了前所未有的时刻。制造规格越来越 油气储运专业课程设计 5 大，结构形式越来越多。并出现了不可拆的焊合一体式板式换热器，尽管不 能方便地拆洗，强度却有所增加。 近年来国内各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热法的研究一 直非常重视，走过了从引进、消化、吸收、发展到自主研发的历程。现已应 用在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业中。随着换热 器的不断改进，在节能、增效等方面改进换热器性能，在提高换热效率，减 少传热面积，降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。国 内各研究机构和高等院校研究成果不断推陈出新，在强化传热元件方面开发 出表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管等。流程优化软件技术的发展带 来了换热器应用的增多。换热器的大量使用有效地提高了能源的利用率，使 企业成本降低。效益提高。 在新材料、新结构、新领域的不断探索过程中，换热器正朝着多样化、 专业化的方向发展，其制造手段有了长足进步，应用领域也由在哪里用向如 何用好的方向转变。随着工业经济效益与社会中环境保护的要求，制造水平 的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段日益发展，各种新思路与新结构 的涌现，换热器将朝着更高效、经济、环保的方向发展。 1.3 换热器在工业生产中的应用 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们 是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。在化工厂，换热器的费 用约占总费用的 1020，在炼油厂约占总费用的 3540。随着我国 工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的 要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃， 油气储运专业课程设计 6 一些新型高效换热器相继问世。 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油 化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化 工装置中换热器占总设备数量的 40%左右，占总投资的 30%45%。近年来随着 节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带 来了显著的经济效益。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。 管壳式换热器按用途分为无相变传热的换热器和有相变传热的冷凝器和重沸器。 换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处 可见，是不可缺少的工艺设备之一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及 研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力量 寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。在研究投入大、人力资源配备足的 情况下，一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件诞生。随着研究的深入， 工业应用取得了令人瞩目的成果，得到了大量的回报，如板翅式换热器、大型 板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、t 形翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯 齿管等都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源 的紧张状况。 如何提高产热效率，减少震动损失，是两项十分重要的课题。大面积的换 热器制造难度大，使用要求高，安装困难更大。经过二十年的努力，在传热技 术上国内已研制成功的双壳换热器、大型板壳式换热器，具有强化传热的高效 换热器，有效的解决了传热效率低的问题；折流杆换热器的应用有效地克服管 束的震动，延长了管子的寿命，解决了震动损坏，提高了工艺性能，降低了动 油气储运专业课程设计 7 力消耗，且宜用于较脏的场合。板翅式换热器的发展，使换热器的效率提高到 新的水平，结构更紧凑。这种换热器的采用，满足了飞机发动机中间冷却的需 要。由于具有体积小、重量轻、效率高、可处理两种以上介质的优点，这种换 热器迅速在石油化工、乙烯装置中得到推广应用，随着铝及铝合金钎焊技术的 日趋发展，应用场合及范围将越来越广泛。 国内各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重视， 走过了从引进、消化、吸收、发展到自主开发的历程。从 20 世纪 5060 年代 的照搬发展到 70 年代消化和吸收，进入 80 年代以来国内又出现了自主开发传 热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，形成第一次传热开发浪潮。 到 90 年代中期，大量的强化传热技术应用于工业装置中，带来了良好的社会 效益和经济效益。近几年国内应用的强化传热技术基本上是 80 年代中期开发 的，由于国内市场较大，使用者多不了解，认为很多技术都是新开发的。在 90 年代大量应用的基础上，积累了很多经验，预计在 2005 年以后将会再掀起 一次传热技术开发的新高潮。国内 80 年代传热技术高潮时期的代表杰作有折 流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、 板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器。 油气储运专业课程设计 8 第 2 章 设计方案 2.1 换热器类型的选择 固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时， 在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈， （或膨胀节） 。当壳体和管束热膨胀不同 时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。其两端和壳 体连为一体，管子侧固定于管板上，结构简单。由于管束和壳体间温差太大会 产生膨胀，所以外壳上通常会焊接一膨胀节，但不完全消除由于温差而生的热 应力。其特点为在相同的壳体直径内，排管较多，比较紧凑；壳侧层清洗困难， 加上膨胀节的方法不能照到管子的相对移动。比较适合温差不大或温差大而壳 层压力不高的场合。 1-折流挡板；2-管束；3-壳体；4-封头；5-接管；6-管 板 图 2-1 固定管板式换热器 浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮 动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之 油气储运专业课程设计 9 间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。 （也可设计成不可拆的） 。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较 复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意 其密封。 图 2-2 浮头式换热器 填料函式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。 图 2-3 填料函式换热器 u 型管式换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管 子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的 管子少。 油气储运专业课程设计 10 图 2-4 u 型管式换热器 本次任务中两流体的温度变化：轻油从 140加热到 40；冷却介质采用 自来水，自来水进口温度 25，出口温度为 35。该换热器的管壁温度和壳 体壁温之差较大，通过上一步骤中对换热器形式及特点的陈述，选用固定管板 式换热器。 2.2 流程的安排 2.2.1 冷、热流体流动通道的选择 对于流动通道的选择应基于传热效果好，结构简单，检修与清洗方便的原则： 易结垢流体应走易清洁的一侧，除 u 型管式换热器外一般应使易结 垢流体流经管程。 在设计上需提高流体的流速以提高其传热膜系数。在这种情况下， 应将需提高流速的流体放在管程。这是因为管程流通截面积较小，易于采用多 管程结构以提高流速。 压力高的利益体应走管程。这是因为管子直径小，承受压力能力强， 能够避免采用耐压的壳体和密封措施。 温度很高或很低的物料应走管内，以减少热量或冷量的散失。当然 油气储运专业课程设计 11 如果为了更好散热也可以让被冷却的流体走壳程，以增强冷却效果。 粘度大的流体应走壳程。因为壳程内的流体在折流板的作用下，流通 截面和方向都不断变化，在较低的雷诺数下就可以达到湍流的状态。 若两流体温差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程。因为壁温接近 传热膜系数较大的流体温度可以减小管壁与壳壁的温度差。 另外需要指出的是，上述的各点常常不能同时满足，而且有时还会互相矛 盾，因此在设计中要应根据具体情况，抓住主要方面做出适当的选择。 由以上的叙述，轻油应走壳程，冷却介质应走管程。 2.2.2 流动方式的选择 当两流体温度相差较大时， 值大的流体走管间，这样可以减少管壁与 壳壁间的温度差，因而也减少了管束与壳体间的相对伸长，故温差应力可以降 低。 若两流体给热性能相差较大时， 值小的流体走管间，此时可以用翅片 管来平衡传热面两侧的给热条件，使之相互接近。 黏度大的流体，管间的截面和方向都在不断变化，在低雷诺数下，管外给 热系数比管内的大。 泄漏后危险大的流体，可以减少泄露机会，以保安全。 根据所查得的资料，不洁净或易于结垢的物料应流经易于清洗的一侧，对 于直管一般走管内；故采用自来水走管程，轻油走壳程。 2.2.3 材质的选择 在进行换热器设计时，换热器各种零部件的材料，应根据设备的操作压力、 油气储运专业课程设计 12 操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等地要求来选取的。当 然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温 度，即从设备的强度或刚性的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐 蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这个方面考虑不周，选材不妥，不 仅会影响到换热器的寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺 性能，是与换热器的具体结构有着密切的关系的。 一般换热器的常用的材料有碳钢和不锈钢。 碳钢 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被 腐蚀，在无腐蚀性要求的环境中应用是合理的。 不锈钢 奥氏体不锈钢以 1cr18ni9 为代表，它是标准的 18-8 奥氏体不 锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能 由上可以看出在本设计中换热器的选用材料使用碳钢比较合理。 2.2.4 流体流速的选择 提高流体在换热器中的流速将增大对流传热系数，减少污垢在管中表面上 沉积的可能。即降低了污垢热阻，使总传热系数增加，所需传热面积减少。设 备费用降低。但是流速增加，流体的阻力相应增加，操作费用增加，并且流速 在大于 2m/s 时还会引起设备振动，损坏设备。一般尽可能使管程流体的 re104。高粘度流体按层流设计。 2.2.5 换热管的选择 换热管的材料有钢、合金钢、铜、铝和石墨等，应根据操作压力、温度和 介质的腐蚀性能选定不同材质的管子。目前我国常用的换热器管子规格有 油气储运专业课程设计 13 25mm2.5mm 和 19mm2mm 对于结晶的流体，可选择较小的管径：对于易 结垢的或不清洁的流体可选择较大的管径。此外，小直径的管子可以承受更大 的压力，而且管壁较薄；对于相同的壳径，可排列较多的管子。因此选择较小 的管子单位体积所提供的产热面积更大，设备更紧凑，但管径小，流动阻力大， 机械清洗困难，设计时可根据具体情况选用适宜的管径。通常在管程结垢不很 严重以及压力降较高的情况下，采用 192mm 更为合适。如果管程走的是易 结垢的流体，有时候也采用 38mm2.5mm 或更大直径的管子。 由上，选择 25mm2.5mm 极为适宜。 油气储运专业课程设计 14 第 3 章 换热器的工艺计算 3.13.1 基础物性数据基础物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 管程自来水的定性温度 t=(25+35)/2=30c 壳程轻油的定性温度 t=(140+40)/2=90c 根据定性温度，分别查取管程和壳程流体的有关物性数据。 自来水的有关物性数据如下： 密度 3 1 995.7/kg m 定压比热容 1 4.174/(.o p ckjkg c） 导热系数 1 0.618/( o wm c ） 黏度 3 1 0.8015 10 pa s 轻油的有关物性数据如下： 密度 3 2 760/kg m 定压比热容 2 2.20/() o p ckjkgc 导热系数 2 0.138/( o wm c ） 黏度 3 2 0.536 10 ()pa s 油气储运专业课程设计 15 3.2 换热器面积的估算 3.2.1 热负荷计算 轻油的质量流量： 7 2 4 10 5555.6/ 300 24 wkg h 热负荷: q 2221 ()w cp tt5555.6 2.20 (14040)1222232/ =339.5kj hkw 3.2.2 平均传热温差及其校正 12 1 2 (14035)(4025) 46.25 14035 lnln 4025 o m tt tc t t 21 1 21 14040 10 3525 tt r tt 21 21 3525 0.087 14025 tt p tt 查图求得温差修正系数， t 0.94 所以 t 0.94 46.2543.475 c o mm tt 3.2.3 传热面积 初选，所以 2o k=290k/(mc) 2 399500 31.68 290 43.475 m q am kt 选用的换热器的面积一般应比计算值大10%15%， 故 2 115%115% 31.6836.432asm 油气储运专业课程设计 16 3.2.4 自来水的用量 1 11 1222232 29282/8.13/ 4.1743525 q wkg hkg s cpt 3.3 换热器工艺结构尺寸的计算 3.3.1 管程管径、流速及雷诺数、管程数和传热管数的计算 管径和管内流速：选用传热管（碳钢） ，25 2.5 设取管内流速 1 u0.5m/s 管程横截面积： 222 1 104 0.785 0.020.0163 42 i n adm np 雷诺数： 11 1 3 1 0.5 995.7 0.02 re12423 0.8015 10 i ud 传热管数： 22 1 29282 995.7 3600 52 0.020.5 44 s i v n d u 按单管程，所需传热管长度： 36.432 8.9 3.14 0.025 52 os s lm d n 取传热管长，则管程数： 4.5lm 8.9 2 4.5 p n 传热管总根数： （根） 52 2104n 3.3.2 壳程流通截面积、流速及雷诺数的计算 横过管束中心线的管束： 取 12 根1.191.19 10412.1 c nn 壳程内径： 104 1.051.05 32409.5 0.7 n dtmm 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径为 25%，则切去 油气储运专业课程设计 17 圆缺高度为 h=0.25450=112.5mm，可取 h=110mm 取折流挡板间距 可取 0.30.3 409.5122.85bd0.15bm 故流通截面积： 2 2 a =d co n（d）b=(0.41-120.02)0.15=0.0255m 流速： 2 2 22 5555.6 u=0.08m/s 3600a3600 760 0.0255 w 当量直径: 2222 33 4()4(0.0320.785 0.025 ) 242 d0.020 3.14 0.025 o e o td mm d 雷诺数： 22 2 3 2 0.08 760 0.020 re2268.7 0.536 10 e ud 22 2 3 2 0.08 760 0.025 re2835.8 0.536 10 o ud 由以上核算看出，初选的换热器，管程、壳程的流速和雷诺数都是合 适的。 3.3.3 传热管排列方式的选择及管心距的计算 传热管排列方式为正三角形排列 管心距： 1.251.25 2531.2532 o tdmm 3.3.4 折流板的选择 折流板数: 4500 1129 150 b l n b （块） 油气储运专业课程设计 18 3.4 换热器核算 3.4.1 传热能力的核算 3.4.1.1 管程的对流传热系数 (31) 0.80.3 1 111 1 0.023repr d 雷诺数 4 1 re1242310 普兰特准数 33 11 1 1 0.8015 104.174 10 pr5.413 0.618 cp 0.80.3 1 111 0.023repr i d 0.80.3 0.618 0.023(12423) 0.02 （5.413） 2 2223.8w/(mc) o 3.4.1.2 壳程的对流传热系数 对弓形折流板,可采用克恩公式 (32) 0.551 3 2 222 0.36repr e d 雷诺数 2 re2268.7 普兰特准数 33 22 2 2 0.536 102.20 10 pr8.54 0.138 cp 因壳程流体被冷却，故取粘度校正=1.05 0.551 3 2 222 0.36repr e d 0.551 3 0.138 =0.36(2268.7)1.05 0.020 （8.54） 油气储运专业课程设计 19 2 373.7/ o wmc 3.4.1.3 污垢热阻和管壁热阻 污垢热阻 ： 2 0.000344/w si rmk 管壁热阻 ： 2 =0.000172/w so rmk 3.4.1.4 总传热系数 (33) si 12 1 1 iii so oom k ddbd rr ddd 1 0.020.020.0025 0.021 0.0003440.000172 2223.8 0.0250.02545 0.0225373.7 2 315/ o wmc 3.4.2 传热面积核算 传热面积： 2 339500 29.2 315 43.475 m q am k t 该换热器的实际传热面积： (34) a o d ln 2 3.14 0.025 4.5 104 36.738()m 该换热器的面积裕度: 36.73829.2 100%100%25.8% 29.2 aa h a 传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务 油气储运专业课程设计 20 3.4.3 换热器流体阻力计算 3.4.3.1 管程流体阻力计算 (35) 12itsp ppp fn n , , 1 s n2 p n 1.4 t f , 1 1 2 1 11 2 u l p d 2 1 1 2 2 u p 由，传热管相对粗糙度，查莫狄图摩擦系数与雷诺re12432005 . 0 20 01 . 0 准数及相对粗糙度的关系得 。 o 1 0.033/cw m 流速， 1 0.399/um s 3 1 995.7/kg m 所以 (36) 1 2 1 11 2 o u l p d 2 4.5995.7 0.399 =0.033 0.0252 470.8pa (37) 2 1 1 2 2 u p 2 995.7 0.399 3 2 237.8pa 故 112tsp ppp fn n 470.8237.81.4 1 2 1984.080.1mpapa 管程流动阻力在允许范围之内。 油气储运专业课程设计 21 3.4.3.2 壳程流体阻力计算 (38) o12 ss pppf n 其中 1 s n1.15 s f 流体流经管束的阻力： (39) 2 22 1 1 2 ocb u pff nn 其中 0.5f 0.2280.228 2 5re5 (2835.8)0.8161 o f 12 c n 29 b n 2 0.08/um s 故 2 22 1= 1 2 ocb u pff nn 2 760 0.08 0.5 0.8161 1229 1 2 357.3pa 流体流过折流板缺口的阻力： (310) 2 22 2 2h 3.5 2 b u pn d 其中，0.15bm0.409dm 故 2 22 2 2h 3.5 2 b u pn d 2 2 0.15760 0.08 293.5 0.4092 195.1pa 总阻力： 12 oss pppf n (357.3 195.1) 1.15 1 635.260.05mpapa 油气储运专业课程设计 22 壳程流动阻力也比较适宜。 3.5 换热器主要结构尺寸算结果汇总 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表 参数管 程壳 程 流率/（kg/h） 292825555.6 进/出温度/ 25/35140/40 定性温度/ 3090 密度 /（kg/m3） 995.7760 定压比热容/ （kj/（kg k） ） 4.1742.20 粘度 /（pas） 0.00080150.000536 物 性 热导率/ w/（mk） 0.6180.138 油气储运专业课程设计 23 普朗特数 5.4138.54 形式固定管板式台数 1 壳体内径/mm 409 壳程数 1 管径/mm 252.5 管心距/mm 32 管长/mm 4500 管子排列正三角形 排列 管数目/根 104 折流板数/个 29 传热面积/m2 29.2 折流板间距 /mm 150 设 备 结 构 参 数 管程数 2 材质碳钢 主要计算结果管程壳程 流速/（m/s） 0.3990.08 表面传热系数 /w/（m2k） 2223.8373.7 污垢阻力 /（w/m2k） 0.0003440.000172 阻力/mpa 0.0020.0006 热流量/kw 339.5 传热温差/ 43.475 传热系数 /w/（m2k） 315 油气储运专业课程设计 24 裕度/% 47 3.6 主要符号说明 主要符号说明 符号说明符号说明 p 压力，pa q 传热速率，w r 热阻，k/w re 雷诺数 a 传热面积， t 流体温度， t 热流体温度， u 流速，m/s w 质量流速，/h 表面传热系数 w/(k) 有限差值密度，/m3 粘度，pas r 转速，n/(r/min) 校正系数 pr 普郎特系数 油气储运专业课程设计 25 nb 板数，块 k 总传热系数， w/(k) v q 体积流量 n 管数，根 np 管程数 l 管长，m k 传热系数， w/(mk) tm 平均传热温差， 设计过程的评述和有关问题的讨论 此次油气储运工程设计完成的比较曲折，计算部分和绘图部分都花费了很 长时间，但最终还是完成了老师布置的设计任务，而且综合所学的知识进行课 程设计，对自己所学的知识有了进一步的巩固和提高。 为了能更好的完成本次课程设计，需要查阅大量的文献资料，这需要有翻 阅文献的能力，更重要的是有迅速提取有用信息的能力，这就需要我们平时有 意识的去锻炼自己获取信息、提取信息的能力。 对于换热器基本尺寸的确定以及数据来源，物性参数，合适取值范围的确 定设计情况来定。为使化工生产更加便捷，操作费用低廉，有些工艺材质需要 加以改进。同时也要注意流体流动通道的选择，要从多方面考虑，换热器流体 阻力，换热器工艺结构尺寸的计算。 理论和实际有时要联系起来，有时却要区别开来。就像一开始对于换热器 的计算和选择方面，不能仅仅依据自己的计算结果，有一些是有标准值的，如 壳体内径、管子的长度等，还有一些是需要综合考虑的，如长径比，管长合适、 壳体内径合适，但还要计算长径比，以此来判断设计的换热器是否符合实际要 求。