浮头式换热器设计原油_柴油,,,

1、1设计任务书 1.1设计题目 列管式换热器（原油预热器）的设计 1.2操作条件 某炼油厂用柴油将原油预热。柴油和原油的有关参数如下表，两侧 的污垢热阻均可取1.72 X 10-4m.K/W，要求两侧的阻力损失均不超过 0.3 105Pa。 物料 温度C 质量流量 kg/h 比热 kJ/kg. C 密度 kg/m3 导热系数 W/m：C 粘度 Pa.s 入口 出口 柴油 175 T2 36900 2.48 715 0.133 0.64 X 10-3 原油 70 110 48350 2.20 815 0.128 3.0 X 10-3 1.3设计要求及内容 1、查阅文献资料，了解换热设备的相关知识，

2、熟悉换热器设计的 方法和步骤； 2、根据设计任务书给定的生产任务和操作条件，进行换热器工艺 设计及计算； 3、根据换热器工艺设计及计算的结果，进行换热器结构设计； 4、以换热器工艺设计及计算为基础，结合换热器结构设计的结果, 绘制换热器装配图； 5、编写设计说明书对整个设计工作的进行书面总结，设计说明书 应当用简洁的文字和清晰的图表表达设计思想、计算过程和设计结果。 目录 1. 设计任务书 3 2. 概述 5 3. 设计标准 7 4. 方案设计和拟订 8 5. 设计计算 12 6. 参考文献 22 7. 附录 23 8. 设计小结 29 9. CA图32 25 1. 概述 在不同温度的流体间传

3、递热能的装置称为热交换器 , 简称为换热器。 在换热器中至少要有两种温度不同的流体 ,一种流体温度较高 , 放出热 量;另一种流体则温度较低 , 吸收热量。 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器 , 它们也是这些行业的通用设备 , 并占有十分重要的地位。 随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，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 在所有换热器中占据主导地位。 列管式换热器有以下几种： 1）固定管板式 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

4、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。 特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不 易结垢的物料。 駅摘板;2我煞*；肛封头;接管;6管板 04-36固定營板式按热器 2) U形管式 U形管式换热器每根管子均弯成L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。 特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难， 管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。 3) 浮头式 换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称

5、浮头。管子受热时，管 束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用 普遍。 图7T2浮头式换热器 L壳盖2.浮头盖3.浮头骨板 4壳体5,传热管 6.支持板7.折流板 3.方案设计和拟订 根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器中的 浮头式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择管 程走什么，壳程走什么。在这里，柴油走管程，原油走壳程。从手册中 查得冷热流体的物性数据，如密度，比热容，导热系数，黏度。计算出 总传热系数，再计算出传热面积。根据管径管内流速，确定传热管数， 标准传热管长为6m算出传热

6、管程，传热管总根数等等。再来就校正传 热温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤， 计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程 和管程的内径。分别对换热器的热量，管程对流系数，传热系数，传热 面积进行核算，再算出面积裕度。最后，对传热流体的流动阻力进行计 算，如果在设计范围内就能完成任务。 根据固定管板式的特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困 难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。u形管式特点：结构简单，质量 轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和 不易结垢的物料。浮头式特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修， 完全消除温差应力，

7、应用普遍。我们设计的换热器的流体是油，易结垢, 再根据可以完全消除热应力原则我们选用浮头式换热器。 根据以下原则：（1） 不洁净和易结垢的流体宜走管内， 以便于清洗 管子。（2） 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而 且管子也便于清洗和检修。（3） 压强高的流体宜走管内，以免壳体受 压。（4） 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净， 冷凝传热系数与流速关系不大。（5） 被冷却的流体宜走管间，可利用 外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。（6） 需要提高流速以增大其 对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用 多管程以增大流速。（7） 粘度大的液体

8、或流量较小的流体，宜走管间， 因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低 Re（Re100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。我们选择柴油走管 程，原油走壳程。 流体流速的选择：增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系 数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传 热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体 阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。 此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速， 使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加 程数。管子太长不易清洗，且一般管长

9、都有一定的标准；单程变为多程 使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计 中，根据表换热器常用流速的范围，取管内流速ui=1.Om/s。 管子的规格和排列方法：选择管径时，应尽可能使流速高些，但一 般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大 的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有 25x 2.5mn及 19x m两种规格的管子。在这里，选择 25x 2.5mm管子。管长的 选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。 长管不便于清洗， 且易弯曲。 一般出厂的标准钢管长为6m,则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m 此外，管长和壳径应相适应，一般取

10、L/D为4 6（对直径小的换热器可大 些）。在这次设计中，管长选择 4m。 管子在管板上的排列方法有等边三角形、 正方形直列和正方形错列 等，等边三角形排列的优点有 : 管板的强度高；流体走短路的机会少， 且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更 多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程 流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方 形错列排列则介于上述两者之间， 即对流传热系数 （较直列排列的 ）可以 适当地提高。在这里选择正方形错列排列。 管子在管板上排列的间距 （指相邻两根管子的中心距 ），随管子与 管板的连接方法不同而异。

11、通常，胀管法取 t=（1.3 1.5）d 2，且相邻两 管外壁间距不应小于6mm即t （d+6）。焊接法取t=1.25d 2。 管程和壳程数的确定 当流体的流量较小或传热面积较大而需管 数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高 管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增 加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可 利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中 管程数有 1、 2、 4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大 致相等。根据计算，管程为 6程，壳程为单程。 折流挡板：安装折流挡板的目的，是为了加

12、大壳程流体的速度，使 湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板，切 去的弓形高度约为外壳内径的1040%, 般取2025%,过高或过低 都不利于传热。两相邻挡板的距离 （板间距）B为外壳内径D的（0.21） 倍。系列标准中采用的B值为：固定管板式的有150、300和600mrE种， 板间距过小,不便于制造和检修,阻力也较大。板间距过大,流体就难 于垂直地流过管束,使对流传热系数下降。这次设计选用圆缺形挡板。 换热器壳体的内径应等于或稍大于 （对浮头式换热器而言 ） 管板的 直径。初步设计时,可先分别选定两流体的流速,然后计算所需的管程 和壳程的流通截面积,于系列标准中查出外壳

13、的直径。 主要构件的选用： （1） 封头封头有方形和圆形两种,方形用于直径小的壳体 （一 般小于 400mm,） 圆形用于大直径 的壳体。 （2） 缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击, 可在进料管口装设缓冲挡板。 （3） 导流筒壳程流体的进、 出口和管板间必存在有一段流体不 能流动的空间 （死角）,为了提 高传热效果,常在管束外增设导流筒, 使流体进、出壳程时必然经过这个空间。 （4） 放气孔、排液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔, 以排除不凝性气体和冷凝液等。 （5） 接管尺寸 换热器中流体进、出口的接管直径由计算得出。 最后材料选用：列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流

14、体的 腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。 同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金 属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚 四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且 较稀缺，应尽量少用。这里选用的材料为碳钢。 4.设计计算 4.1确定设计方案 4.1.1选择换热器的类型 因为，Q1 = Q2 36900 3600 所以 qmiCpTi = qm2Cp2 包丁2 2.48 103(175 丁48350 2.2 103(110 70) 3600 T2 =128.51 C 两流体温度变化情况：热流体（柴油

15、）进口温度175C，出口温度 128.51 C ;冷流体（原油）进口温度 70C，出口温度110C。该换热器 用柴油预热原油，为易结垢的流体。该换热器的管壁温和壳体壁温之差 较大，因此初步确定选用浮头式换热器。 4.1.2流动空间及流速的测定 为减少热损失和充分利用柴油的热量，采用柴油走管程，原油走壳 程。选用 25X 2.5mm勺碳钢管，根据表三一管内流速取u i=1.0m/s 4.2确定物性数据 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 柴油的有关物性数据如下： 密度入=715kg/m3 定压比热容 Cpi =2.48kJ/(kg :C ) 导热系数i =0.133W/(m C

16、) 黏度亠=0.64 10Pa s 原油的物性数据： 3 密度2 = 815kg / m 定压比热容 CP2 =2.20kJ/(kg C ) 导热系数2 128W/(m C) 黏度 J2 =3.0 10 Pa s 4.3计算总传热系数 4.3.1热流量 Q =qm1Cp1 6 二369002.48 103(175 128.51)=1.182106W 13600 4.3.2平均传热温差 % (175 -110)(127.4 -70) 2 = 61.76C 4.3.3总传热系数K 管程传热系数 Re d1u2 -0.36Re2 Pr de 当量直径，由正方形排列得 2 兀 21 4 t d2 i2

17、2 l 4 丿 _ 4(0.032 -0.78 0.0252 ) d e d2 3.14 0.025 =0.027(m) 壳程流通截面积 Re。*027 佔 815 sb 103 3 10 d2 1 -亠=0.396 1 t丿 So = BD 0.025 = 0.040( m) 0.032 壳程流体流速及其雷诺数分别为 0.035 口2= 48350 _3600815,.47(m/s) 普兰特准数 p 2.20 103 3 10 51.56 0.128 0.14 :-1.05 0 128 ：2 =0.36(3.45 103)055 51.5613 1.05 = 588.7W / m2C 0.0

18、27 4.6.1.2管程对流传热系数 ：1 =0.023Re0.8 Pr0.3 d1 管程流通截面积 3=0.785 0.022型=0.014伽2) 4 管程流体流速及其雷诺数分别为 U1 36900/(3600 715) 二 1.024 0.014 Re 0.020 1.024 715 0.00064 4 = 2.29 10 普兰特准数 Pr 2.48 1030.6410“ 0.133 = 11.9 0 133 宀=0.023 - (2.29 10O0 0.000i720025 * * 000225 988.7 0.0200.02045 0.0225 = 293.1W/ m2 C 4.6.1

19、.4传热面积S 遊 106 =71.0m2 293.1 56.8 该换热器的实际传热面积Sp Sp pL N 讥 = 3.14 0.025 6184 -15 -79.60(m ) 该换热器的面积裕度为 Sp S79 6 71 0 H p100% = 79.6 71.0 100% =12.1% )0DR =沪1沪2 FtNsNp 11.903 =988.7W/m2C 0.02 4.6.1.3传热系数K K- d2d2bd21 -Rdi -Rd2 0.000172 1 588.7 .：ldidi dm_：i2 Ns =1 Np =4 Ft =1.4 .山2 - 2 由Re =2.29 104，传热

20、管相对粗糙度 0.01 0.005 亠 20，查图 与雷诺准数及相对粗糙度的关系得 0.033W/m -摩擦系数 ,流速 3 U1 =1.02m/s，=715kg/m， 所以 2 61 0242 x 715 =0.033 1024-3711.2Pa 0.02 _ 2 2 ：P2 = =37151.013=1124.6Pa 2 MR =9R +AP2 FtNsNp =3711.2 1124.6 1.4 4 = 27080.48Pa ： 0.3 105 Pa 管程流动阻力在允许范围之内。 4.6.2.2壳程阻力 二也二讥R出FtNs Ns =1Ft =1.15 流体流经管束的阻力 ：R =Ff2n

21、c Nb 1 ：u F =0.4 f2 =5 34504X228 =0.7805 nc =15 Nb =19 , u。=0.47 815x0 47 2 R =0.4 0.7805 1519 18431 Pa 流体流过折流板缺口的阻力 AP2 = Nb3.5 一竺 ZU1 2 D 丿 2 B = 0.3m , D = 0.6m P2 =19 汉 3.5 - 3815 佔2 =4275.79Pa 0.6 2 总阻力二:P2 =(8431 4275.79) 1.15 = 14612.8lPa :：: 0.3 105Pa 壳程流动阻力也比较适宜。 4.6.2.3换热器主要结构尺寸和计算结果 表1冷热流

22、体物性数据表 物料名 操作压 操作温度 污垢系数 导热系数 比热 流体密度 粘度 称 MPa C W/(m K) Kg/ma mPa/s 柴油 0.03 175/128.51 0.000172 0.133 2. 48 715 0.00064 原油 0.03 70/110 0.000172 0.128 2.20 815 0.00300 表2工艺设备尺寸表 换热器 型式 换热 面积 管子规格 管数 管长 m 管间距 mm 排列 方式 折流 板型 式 间 距 IM1 切口 高度 壳体内径 mm 浮头式 式 79.6 025 X 2 5 184 6000 32 三角 形 上下 300 150 600

23、表3管口表 符号 尺寸 用途 连接 a DN150 柴油入口 凹凸面 b DN150 柴油出口 凹凸面 c DN150 原油入口 凹凸面 d DN150 原油出口 凹凸面 6. 参考文献 7. 附录 符号说明 英文字母 Cp 定压比热容，kJ/(kg C ) qm 热容量流率比 d 管径，m D 换热器壳径，m f 摩擦因数 F 系数 g 重力加速度，m/s2 B 挡板间距,m K 总传热系数，W /(m2 C ) l 长度，m L 长度，m n 管数 N 程数 p 压强，Pa q 热通量， W/m2 Q 传热速率或热负荷， W r 汽化热或冷凝热， kJ/kg R 热阻，m2 C /W S

24、传热面积， m2 t 流体温度，C T 流体温度， C u 流速， m/s 希腊字母 a 对流传热系数，W/(m2 C ) 入 导热系数，w/(m c) 传热系数 卩 黏度，Pa s P 密度，kg/m3 校正系数 下标 2 管外 e 当量 1 管内 s 污垢 t 传热 m 平均 8. 设计小结 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器 它们也是这些行业的通用设备 , 并占有十分重要的地位。 随着换热器在工业生产中的地位和作用不同， 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

25、 在所有换热器中占据主导地位。 列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式 换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要 是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类 型。 由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。 壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的 冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动， 称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干 挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管 束，增强流体湍流程度。 换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。

26、 等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形 排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。 流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳 程。为提高管内流体速度, 可在两端管箱内设置隔板，将全部管子 均分成若干组。 这样流体每次只通过部分管子， 因而在管束中往返多次， 这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板， 迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应 用。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也 不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯 曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过 50C时， 需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。进行换热的冷热两流体， 按以下原则选择流道：不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较 方便；腐蚀性流