列管式煤油冷却器设计项目计划书

1、列管式煤油冷却器设计计划书、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 140C 出口温度 40C(2) 冷却介质：循环水 入口温度20C出口温度40C( 3)允许压降：不大于 0.1MPa( 4)煤油定性温度下的物性数据c 825kg / m3c 7.05 10 4 Pa scpc 2.22kJ / kg oCc 0.14W / m oC( 5)每年按 330 天计算，每天 24 小时连续运行。、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

2、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

3、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 C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 C和壳程流体压强不

4、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

5、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140C，出口温度40C ;冷却

6、介 质入口温度20C，出口温度40C，允许压降不大于O.IMPa。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（50C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

7、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： 6=(40-40) C =0C , 1=(140-20) C =120CTm,并旦C,120In0逆流时，有： Ti=(40-20) C =20C,A T2二(140-40) C =100CTm,

8、逆InT2100 20C ,100In49.7CT120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Ti 140 40 90C2管程流体循环水的定性温度为T2竺凹30C2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

9、程流体一一煤油在90 C的部分物性数据如下:密度 p c (kg/m )825比热容 Cpc (kJ/(kg °C)2.22粘度口 c(Pa s)0.000705导热系数入c (W/(m2 0C)0.14管程流体一一水在30C的部分物性数据如下:密度 p i (kg/m3)995.7粘度口 i (Pa s)0.0008007导热系数入i (W/(m2 0C)0.6176比热容 Cp (kJ/(kg °C)4.1744. 设计计算（逆流操作）4.1计算总传热系数20 107 /热流量：q1330 24 25252.53(kg/h)7.01(kg/s)传热量:6Q。二qg11=

10、25252.53 X 2.22 X (140 -40)=5.61 X 10 kJ/h=1557.24 kW平均传热温差:tmInt2(140 40) (40 20)140 40In40 2049.71( C)T1-T2t2 - t1140 4040 20七2 hT1 t140 20140 200.167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tm t t'm 0.883 49.7143.89oC冷却水用量:6qi Cp 钉丁爲。20） 67201 .72（kg/h）1867（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

11、290-698w/（m2. °C），初步设定 K=500w/（m. °C）。4.2计算传热面积估算的传热面积为70.96m2A 1557240K tm 50043 .895. 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A，A0 hD 1 d00.15 0.6 100.01969m20.032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uo7.01V08250.432m/sA00.01969Reode u。0.020 0.432 8250.00070510110.6普兰特准数p d 2.22 0.000705 10伯仃90.14粘度校正由

12、于是正三角形排列，当量直径 de,deyj3 224訂訂。4 丄3 0.03224 °.°252do0.0202m3.14 0.025因为R在2 103 1 106范围内，故可采用凯恩（Kern）法求算0.140.36R 0.55 P1/3eode0.14其中，取一 1w0 0.36器 10110 严 口计 1 898.45.2管程对流传热系数管程流通截面积Ai3.14 0.022 200440.0157m2UiAReidu0.02 1.2 995.70.000800729844.89管程流体流速以及其雷诺数分别为18.671.2m/s995.70.0157普朗特准数3Pr

13、CP4.174 0.0008007 10一5.410.6176水在管程中是被加热0.023严0 计4故管程对流换热系数O.。23常沖他叫/仟530375.3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 RS） 1.7179 10 4 m2 °C/W 循环水侧的污垢热阻 Rs 3.44 10 4 m2 OC/W 钢的导热系数为入=455.4传热系数K丄 1 R 処 R虫卫K 0 so dm si diidi1898.40.0001720.0025 0.02545 0.02250.0003440.0250.020.0255303.7 0.02解得 K=496

14、.89 W/(m2.°C)传热面积 AK tm1557240496.89 43.8971.40m286.66m2实际传热面积 AP dIN 3.14 0.025 6 (200 16)5.5传热面积裕度该换热器的面积裕度为Ap A 100%100%17.6%86.66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25X2.5的传热管（碳钢管），即管内 径 di =0.025-0.0025 X 2=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

15、速确定单程传热管数18.67V ns4995.7空 0.0221.249.76 50根按单管程计算，所需的传热管长度为Ad° ns70.963.14 0.025 5018.08m按单管程设计，传热管过长，现取传热管长1=6，则该换热器管程数为山=弩8 3.01 4（管程）l 6热管总根数N=50 X 4=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nc 1.1N 1.1, 20016(根)c采用多管程结构，取管板利用率n =0.7，壳体内径为D 1.05 t、N/ 1.05 32、200567.9mm故取D

16、 600mm6.3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u = 1.0 m/s ,则接管内径为d= |4V=0.1040m u * 3.14 1经调整采用114mm< 5mm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u = 1.5 m/s,则接管L b殴内径为 d= J4V =0.126mV u *3.14 1.5经调整采用140mm 7mm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h 0.25 600 150mm取折流

17、板间距B °.4D0.4 600240mm，取板间距为 300mm传热管长折流板间距1 6000 i I?块3007. 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(m2) : 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(C)20/4040/140流量(kg/s)18.677.01流体密度(kg/ m3)995.7825流速（m1.20.432对流传热系数（w/川）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/川.k）496.89管子规格 25 2.5管数/根200管长

18、/mm6000壳体内径，mm600折流板数19官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