列管换热器课程设计

1、 煤油冷却器设计 华中科技大学化工原理课程设计 题目：煤油冷却器设计 学生姓名： cmt 学生学号： U201010* 专业班级： 应化1003班 指导教师： 王* 年 月 日目 录1、 设计任务.4二、概述.5 三、主要内容.11四、工艺流程草图及说明.12五、工艺设计计算.13 5.1 确定设计方案.135.2 热量衡算.13 5.2.1 计算热负荷.13 5.2.2 冷却水用量.135.3 确定流体的定性温度，物性数据，并选择列管换热器的型材.135.4 总传热系数K.145.5 计算传热面积.156、 主要设备尺寸的确定.166.1 管径、管长和管内流速.166.2 管程数和传热管数.

2、166.3.传热管排列和分程方法.166.4 壳程内径.166.5折流板.176.6 接管.177、 核算压强降.187.1 管程压强降.187.2 壳程压强降.198、 核算总传热系数.218.1 管程对流传热系数.218.2 壳程对流传热系数.218.3 污垢热阻.22 8.4 总传热系数K.228.5 传热面积S.229、 工艺设计计算结果汇总表.2310、 评价与讨论.2410.1 换热器的车间布置方案.2410.2 换热器的自动控制.2411、 收获及致谢.25十二、参考文献.26十三、附录.27 1、重要符号说明 2、换热器装配图一、设计任务 1、题目：煤油冷却器设计2、设备型式：

3、列管式换热器3、处理能力：15+0.1×n×m=15+0.1*3*60=33万吨/年（41667kgh） (n=1,2,3,为班号；m为学号后两位)4、操作条件：（1）煤油：入口温度140，出口40 ；（2）冷却介质：自来水。（3）允许压降：不大于105Pa（4）煤油定性温度下的物性数据：密度825kg/m3，粘度： 7.15×10-4Pa·s，比热容为2.22kJ/(kg· ) ，导热系数为0.14W/(m · )。（5）每年按330天计算，每天24小时运行。2、 概述2.1 换热器概述换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体

4、温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器，实现传热过程的基本设备。而此设备是比较典型的传热设备，它在工业中的应用十分广泛。例如：在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜和冷凝器、化工厂蒸发设备的加热室等。 因设计需要,下面简单介绍下列列管式换热器： 列管式换热器又称管壳式换热器，在化工生产中被广泛应用。它的结构简单、坚固、制造较容易，处理能力大，适应性能，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中使用更为普遍。 2.1.1 固定管板式 固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢

5、的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性形变，以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简便，但不宜用于两流体温度差太大和壳方流体压强过高的场合。1-挡板 2-补偿圈 3-放气嘴图2.2.1.固定管板式换热器的示意图 2.1.2 浮头式 这种换热器有一段管板不与壳体相连，可沿轴向自由伸缩。这种结构不但可完全消除热应力，而且在清洗和检修时，整个管束可以从壳体中抽出。因此，尽管其架构较复杂，造价较高，但应用仍较普遍。 2.1.3 U形管式 每根管子都弯成U形，两

6、端固定在同一个管板上，因此，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。这种结构较简单，质量轻，适用于高温高压条件。其缺点是管内不易清洗，并且因为管子要有一定的弯曲半径，其管板利用率较低。 2.2 流动空间的选择原则：尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。应减小管子和壳体因受热不同而产生的热效应。对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄露，应注意密封。应尽量避免使用贵金属，以降低成本。宜于通入管内空间的流体：不清洁的流体 管内流速高，悬浮物不易沉积，且管内空间便于清洗。体积小的流体 管内空间的流动截面往往比管外空间的截

7、面小，流体易于获得必要的理想流速，而且也便于做成程流动。有压力的流体 管子承压能力强，简化了壳体密封的要求。腐蚀性强的流体 只有管子及管箱才需要耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的所有零件均可用普通材料制造，造价可以降低。与外界温差大的流体 可以减少热量的散逸。宜通于管间的流体：两流体温差相差较大 可减少管壁于壳壁间的温度差，因而可减少了管束与壳体间的相对伸长。两流体给热性能相差较大 饱和蒸汽 易于排出冷凝液 粘度大的流体 管间的流动截面和方向都在不断的变化，在低雷诺数下，管外给热系数比管内大泄露后危险性大的流体可减少泄露机会2.3 材料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

8、备的操作压力、操作温度，流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。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度的角度来考虑，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。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，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关系。一般换热器常用的材料，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，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢

9、。不锈钢：奥氏体系不锈钢以1Cr18Ni9Ti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。据生产要求，冷热流体分别为水和煤油，均无腐蚀性且化学性质比较稳定，以及生产经济合理，选择碳钢作为换热器的材料。2.4 流速的选择增加流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上的沉积的可能，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流动阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济核算才能确定。此外，在选择流速时，还需要考虑结构上的要求。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

10、采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，但管子度有一定的标准；单程变为多程使平均温度下降。这些也是选择流速时应考虑的问题。下表列出了常用的流速适用范围，供设计时参考。所选流速，应尽可能避免处于层流状态。流体种类一般液体易结垢液体气体流速/（m/s）管程0.53>1530壳程0.21.5>0.5315液体粘度/mpa·s>1500150050050010010035351<1最大流速0.60.751.11.51.82.42.5 管子规格和排列方法选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应该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

11、前管壳式换热器系列标准仅有及两种规格的管子。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。一般出厂的标准管长为6m，合理的换热器管长为1.5m、2m、3m和6m。系列标准中也采用这四种管长。如前所述，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。等边三角形排列的优点有：管板的强度高；流体走短路机会少，且管外流体扰动较大，因此对流传热系数较高；相同壳程可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是：便于清洗外观的外壁，适用壳程流体易结垢的场合；但其对流传热系数较正三角形排列时低。正方形错列排列则介于上述两者之间，与直排列相比，对流传热系数可适当提高。  （

12、A） （B）（C）  （D） （E）图 1-4 换热管在管板上的排列方式(A) 正方形直列     （B）正方形错列    (C) 三角形直列     （D）三角形错列  （E）同心圆排列 管子在管板上排列的间距t（指相邻两根管子的中心距），随管子于管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t（1.31.5），且相邻两管外壁间距不应小于6，即t（+6）。焊接法取t1.25。2.6 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

13、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。2.7 折流挡板： 安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，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1040，一般取2025，过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离(板间距)h为外壳内径D的(0.21)倍。系列标准中采用的h值为:固定管板式

14、的有150、300和600mm三种，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。折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，见表3.1所列数据。表3.1 折流板厚度/ mm壳体公称内径/mm相邻两折流板间距/mm3003004504506006007507502002503561010400700561010127001000681012161000610121616支承板厚度一般不应小于表3.2(左)中所列数据。支承板允许不支承的最大间距可参考表3.2（右）所列数据。壳体直径/mm4004008009001200管子外径/mm19253857

15、支承板厚度/mm6810最大间距/mm1500180025003400三、主要内容1、 物性数据的搜集与整理2、 热量衡算：确定用水量及水的出口温度3、 确定物料流向4、 换热器选型5、 计算平均温差，确定管程数6、 计算总传热系数7、 计算传热面积8、 主要设备尺寸的确定（壳径、管径、管长、管数、管子排列方式、壳径、折 流板、接管）9、 计算管程及壳程压降10、 计算并确定进出口管径11、 画换热器装配图四、工艺流程草图及说明说明：由于循环冷却水较易结垢，为便了水垢的清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。如图：煤油经泵抽上来，经加热器加热后，再经管道，接管C进入换热器壳程，冷却水经经泵抽上来后

16、从接管A进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，煤油从140冷却至40后由接管D流出；循环冷却水则从30加热至40后，由接管B流出。五、工艺设计计算5.1 确定设计方案 实际生产中，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水走管程，煤油走壳程。选用25×2.5的碳钢管，管内流速设为ui=1.0 m/s。5.2 热量衡算5.2.1 计算热负荷（用煤油算） 5.2.2 冷却水用量（忽略热量损失） 5.3 确定流体的定性温度，物性数据，并选择列管换热器 冷却水入口温度为25，出口温度为40则其定性温度： tm=32.5 煤油入口温度为140，出口温度为40则其定性温度：

17、 Tm=90两流体的温度差Tm-tm=（90-32.5）=57.5 为提高传热平均推动力，减小传热面积（亦即减少材料的使用），采用逆流操作； 逆流温差： R= 6.67 P=0.13由R和P通过图,由公式得 校正后的温度为又因,故可选用单壳程的列管式换热器。由于两流体的温度差Tm-tm=（90-32.5）=57.550，因此需要考虑热补偿。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的卧式固定管板式式换热器。两流体在定性温度下的物性数据 物性流体煤油908250.7152.220.14水32.5995.70

18、.80074.1740.61765.4 总传热系数K 选择时，除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。 5.4.1 管程传热系数： Rei= Pri= i=0.023 =0.023 =4584W/m2 5.4.2 壳程传热系数：假设壳程的传热系数是： =700 W/m2污垢热阻： Rsi=0.000344m2/W Rso=0.000172 m2/W管壁的导热系数： =45 m2/W管壁厚度： b=0.0025m内外平均厚度： dm=0.0225m在下面的公式中，代入以上数据，可得 5.5 计算传热面积 由以上的计算数据，代入下面的公式，计算传热面积： 考虑15%的面积裕度，则：

19、六. 主要设备尺寸的确定（管径、管长、管数、管子排列方式、壳径、折流板，接管）6.1 管径、管长和管内流速 选用25×2.5的碳钢管，管长6m，管内流速取ui=1.0 m/s。6.2 管程数和传热管数 根据传热管的内径和流速，可以确定单程管子根数： ns= 按单程计算，所需传热管的长度是：若按单程管计算，传热管过长，宜采用多管程结构，可见取传热管长l=6m，则该传热管程数为：则传热管的总根数为：由此，校正后的平均传热温差是37.20，壳程数为单程，管程数为4。6.3.传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列。取管心距t=1.25d0，则 横过管束中心线的管数 6

20、.4 壳程内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为 圆整可取D=1000mm6.5折流板采用弓形折流板，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h0.25×1000250(mm)。取折流板间距B0.3D，则B0.3×1000300(mm)。折流板数 NB= (块)查表可得：折流板厚度为6mm，支承板厚度为10mm，支承板允许不支承最大间距为1800mm。 折流板圆缺面水平装配。6.6 接管壳程流体进出口时接管 取接管内煤油流速为u=1.5m/s 则接管内径为： d= 所以，取标准管的内径为150mm。 管程流体进出口时的接管 取接管内循环水流速

21、u=2m/s，则接管内径： d= 取标准管径为200mm。 七、核算压强降7.1 管程压强降每程直管阻力：每程回弯阻力：式中 P1、P2-分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，Pa；Ft-结垢校正因数，无因次，对于25×2.5mm的管子，取为1.4，对 19×2mm的管子，取为1.5； Np-管程数； Ns-串联的壳程数。管程流通面积设管壁粗糙度，由Re关系图查得=0.034，所以则 7.2 壳程压强降式中 -壳程总阻力损失，Pa； -流过管束的阻力损失，Pa； -流过折流板缺口的阻力损失，Pa；Fs-壳程阻力结垢校正系数，对液体可取Fs=1.15，对气体或可凝蒸汽取

22、Fs=1.0；Ns-壳程数；又管束阻力损失 折流板缺口阻力损失 式中NB -折流板数目；-横过管束中心的管子数；B-折流板间距，m；D-壳程直径，m；u0-按壳程流通截面积计算所得的壳程流速，m/s；F-管子排列形式对压降的校正系数，对三角形排列F=0.5，对正方形排列F=0.3，对正方形斜转45°，F=04；-壳程流体摩擦系数，根据，由下图可以看出，当亦可由下式求出：壳程流通面积所以， 计算表明，管程和壳程都能满足设计要求。8、 核算总传热系数8.1 管程对流传热系数 Re1= Pr1= i=0.023 =0.023=4584W/m28.2 壳程对流传热系数换热器列管之中心距t=3

23、2mm。则流体通过管间最大截面积为壳程中煤油被冷却，取。所以8.3 污垢热阻 管内、管外污垢热阻分别取为污垢热阻： Rsi=0.000344m2/W Rso=0.000172 m2/W 管壁的导热系数：=45 m2/W 8.4 总传热系数K 8.5 传热面积S 该换热器的实际传热面积 该换热器的面积裕度为 传热面积裕度适宜,该换热器能够完成生产任务九、工艺设计计算结果汇总表换热器型式：列管式换热器换热面积（m²）: 233.1工艺参数名称管程壳程物料名称自来水煤油操作压力，MPa0.6?0.6?操作温度，25/40140/40流量，kg/体密度，kg/m&#

24、179;995.7825流速，m/s1.000.21传热量，kW2570总传热系数，W/m²·340对流传热系数，W/m²·4584500污垢系数，m²·/W0.0003440.000172阻力降，Pa364675194程数41推荐使用材料碳钢碳钢管子规格25×2.5管数528管长，mm6000管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式左右间距，mm300切口高度25%壳体内径，mm1000折流板数19面积裕度15%管口表符号尺寸用途连接型式A水入口凹凸面B水出口凹凸面C煤油入口凹凸面D煤油出口凹凸面十、评价与讨论 10.1

25、 换热器的车间布置方案(1)布置原则是顺应流程和缩短管道长度，故它的位置取决于与它紧密联系的设备的位置。本设计中从容器经换热器抽出煤油时，换热器要靠近容器使泵的吸入管道最短，以改善吸入条件；(2)布置空间受到限制时，可更换换热器的型号以适应布置空间的要求；(3)此课程设计中的固定管板式换热器可采取成组布置，水平的换热器可以重叠布置，节约面积。10.2 换热器的自动控制(1)调节换热介质（冷却水）的流量：用冷却水的流量作为调节参数来控制煤油的出口温度和冷凝效果；(2)调节换热面积：将调节阀装在冷凝液管路上，当煤油的出口温度高于给定值，调节阀的大小使凝液积聚，有效冷凝面积减小，传热量减小，直至平衡

26、为止。此方案传热量变化较为缓和，可以防止局部过热；(3)分流调节：用三通阀使煤油走分路，使部分流体走旁路，然后与换热器出来的部分流体混合以调节温度。三通阀可装在换热器的进口处，用分流阀，也可装在换热器的出口处，用合流阀；十一、收获及致谢课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，是使学生体会工程设计复杂性的初步尝试。我深知化工原理是一门非常重要的专业基础课程，进行适当的设计训练对于加深我对课程的理解是非常重要和有意义的。这是第一次做化工原理课程设计，通过本次设计，我认为自己已经初步掌握化工设计的一些基本知识了，但由

27、于时间较为仓促，查阅的文献有限，本次设计还有很多不完善的地方。通过课程设计，使我们更加深刻的了解了工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养了我们分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使我们树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。此外，通过本次课程设计，提高了我们以下方面的能力:熟悉查阅文献资料，搜索有关数据。正确选用公式。当缺乏必要数据时，尚需要自己通过实验测定或到生产现场实际查定。在兼顾技术上先进性，可行性，经济上合理的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过得程正常，安全运行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。准确而迅速地进行过程计算用主要设备的工艺设计计算。 用精炼的语言，简洁的文字，清晰的图表来表达自己的设计思想的计算结果。在此课程设计完成之际，特向所有支持和帮助我的老师、同学表示深深的感谢。本次设计非常感谢王华军老师给予我们的指导，