列管式煤油冷却器设计计划书.doc

列管式煤油冷却器设计计划书一、设计任务书1、 设计题目：煤油冷却器的设计2、 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0.1MPa（4）煤油定性温度下的物性数据（5）每年按330天计算，每天24小时连续运行。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：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600kpa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。 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。 3.U型管式换热器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。 4.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。 2.设计方案的选择2.1换热器类型的选择根据操作条件，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0.1MPa。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U形管换热器；又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。2.2管子的排列方式的选择 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。2.3流体的选择 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。2.4水和煤油的流向选择对于流向问题，比较逆流和并流时的平均温差。 并流时，有： T1=(40-40)=0, T2=(140-20)=120 逆流时，有： T1=(40-20)=20，T2=（140-40）=100 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Q及总传热系数K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。3.确定物理性质数据定性温度：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 管程流体循环水的定性温度为 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/m3） 825比热容Cpc (kJ/(kg0C)2.22粘度c (Pas) 0.000705 导热系数c (W/(m20C)0.14 管程流体水在30的部分物性数据如下： 密度i （kg/m3）995.7 比热容Cpi (kJ/(kg0C)4.174粘度i (Pas)0.0008007导热系数i (W/(m20C)0.61764.设计计算（逆流操作）4.1计算总传热系数 热流量： 传热量： Qo=q1Cpct1=25252.532.22(140-40)=5.61106kJ/h=1557.24 kW平均传热温差：() 而 由换热器设计手册图1-3-6查得校正系数为0.883，所以修正后的传热温度差为 冷却水用量： （kg/s） 由常用化工单元设备设计表1-6，查得水与煤油之间的传热系数在290-698w/(m2.oC)，初步设定K=500w/(m2.oC)。4.2计算传热面积估算的传热面积为 5.核算总传热系数及传热面积 5.1壳程对流传热系数壳程流通截面积A0， 式中 h-折流板挡间距，取150mm壳程流体流速及其雷诺系数分别为 普兰特准数 粘度校正 由于是正三角形排列，当量直径de， 因为在范围内，故可采用凯恩（Kern）法求算， 其中，取 5.2管程对流传热系数管程流通截面积 管程流体流速以及其雷诺数分别为 普朗特准数水在管程中是被加热 故管程对流换热系数 5.3污垢热阻和管壁热阻 查阅化工原理（上）P354，附录20，得 煤油侧的污垢热阻 m2oC/w 循环水侧的污垢热阻 m2oC/w 钢的导热系数为 =455.4传热系数K解得K=496.89 W/(m2.OC)传热面积 实际传热面积5.5传热面积裕度 该换热器的面积裕度为 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。6. 主要设备工艺尺寸计算 6.1管径尺寸和管内流速的确定 考虑到流体的流速，选用252.5的传热管（碳钢管），即管内径di=0.025-0.00252=0.02，取管内流速ui=1.2m/s。 6.2传热面积、管程数、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 热管总根数 N=504=200(根） 由于平均传热温差校正系数为0.883大于0.8，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 采用多管程结构，取管板利用率 =0.7，壳体内径为 故取6.3接管尺寸及折流板数的确定 壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为 u1.0 m/s，则接管内径为 d=0.1040m 经调整采用114mm5mm 热轧无缝钢管(GB8163-87) ,取标准管径为114mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.5 m/s，则接管内径为 d=0.126m 经调整采用140mm7mm 热轧无缝钢管( GB8163-87) ,取标准管径为140mm. 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 取折流板间距，取板间距为300mm 7.设计结果汇总换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：换热器型式：固定管板式换热器面积（）：86.66工艺参数项目管程壳程物料名称循环水煤油操作温度()20/4040/140流量(kg/s)18.677.01流体密度(kg/)995.7825流速(m/s)1.20.432对流传热系数(w/)k5303.7898.4污垢系数(k/w)程数41使用材料碳钢碳钢传热量(kw)1557.24总传热系数(w/k)496.89管子规格252.5管数 /根200管长/mm6000壳体内径，mm600折流板数19管程流体进出口接管规格1407壳程流体进出口接管接管规格1145三、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CAD工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，还让我对环工知识有了更深的认识和理解，并增强了