年处理量吨煤油冷却器的设计

1、 食品工程原理课程设计年处理量9.4×104吨煤油冷却器的设计摘 要本设计是进行煤油冷却器的设计，主要进行了换热器的选型以及煤油输送泵的型号选择。设计的前半部分是换热器的选型，根据给定的条件估算换热面积，进行换热器的选择，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降的计算，以确定能够完成生产任务并能安全生产。设计的后半部分是关于煤油输送泵的选择，根据换热器以及给定的条件计算出最大流量和压头确定煤油输送泵的型号，并核算泵的轴功率。关键词：浮头式换热器、 传热系数 、泵目录1引言11.1换热器的类型11.2换热器的选择11.3浮头式换热器特点42正文42.1确定设计方案4选择换热器

2、的类型4流程的确定42.2确定物性数据4确定定性温度4确定物性数据52.3估算传热面积5计算传热热负荷Q5计算平均传热温差5初选总传热面积6初选管径7初选换热器型号72.4换热器的核算72.5传热系数的校核8管程的对流传热系数8壳程的对流传热系数9确定污垢热阻9计算总传热系数K9计算热传热面积102.6换热器压力降的核算10管程阻力损失10壳程阻力损失112.7水泵的选择12流量的计算12扬程的计算12选择水泵的型号132.8设计小结13主要结构尺寸和计算结果13浮头式换热器结构参考图152.9设计评述153参考文献16年处理量9.4×104吨煤油冷却器的设计1 引言1.1 换热器的

3、类型换热器是许多工业生产部门的通用工艺设备，尤其是石油、化工生产中应用最为广泛，在化工中换热器可用作加热器、预热器、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，根据热量的传递方式的不同可将换热器分为直接接触式换热器、蓄热式换热器和间壁式换热器三种。以上三种换热器中以间壁式换热器应用最为广泛，型式也最为多样，可分为管式换热器、板式换热器和特殊性换热器。管式换热器通过管子壁面进行传热，按传热管的结构可分为套管式换热器、蛇管式换热器、列管式换热器、翅片管式换热器等几种;板式换热器通过板面进行传热，按传热板的结构可分为夹套式换热器、平板式换热器、螺旋板式换热器、热板式换热器及板翅式换

4、热器等几种；而特殊型式换热器是指根据工艺特殊要求而设计的，具有特殊结构的换热器。如热管换热器、板壳式换热器等。其中列管式换热器又称管壳式换热器，是一种通用的标准换热设备。它因结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点而在化工厂中应用最为广泛。根据其结构特点又可分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器。1.2 换热器的选择1.类型的选择换热器的种类很多，选择时应根据操作温度、压力、换热器的热负荷、管程与壳程的温度差、换热器的腐蚀性能及其他特性、检修与清洗要求等因素综合考虑。2.流体通道的选择31) 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因管内清洗方便； 2) 腐蚀性流体宜

5、走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀； 3) 高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量；4) 有毒流体宜走管程，使泄露机会减少； 5) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较洁净，对流传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出； 6) 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果； 7) 粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（Re<100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数。但是有时在动力设备允许的条件下，将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。在选择流体通道时，以上各点常常不能兼顾，在实际选择时应

6、抓住主要矛盾。如首先要考虑流体的压力、腐蚀性和清洗等要求，然后再校核对流传热系数和阻力系数等，以便做出合理的选择。3.加热剂或冷却剂的选择一般情况下，用加热剂或冷却剂的流体是由实际情况决定的。但有些时候需要设计者自行选择。在选用加热剂或冷却剂时，除首先应满足所能达到的加热或冷却温度外，还应考虑到其来源方便、价格低廉、使用安全。4.流体进、出口温度的确定在换热器的设计中，被处理物料的进出口温度为工艺要求所规定，加热剂或冷却剂的进口温度一般有来源而定，但它的出口温度应由设计者根据经济核算来确定。5.流体流速的选择换热器中流体流速的增加，可使对流传热系数增加，有利于减少污垢在管子表面沉积的可能性，即

7、降低污垢热阻，使总传热系数增大。然而流速的增加又使流体流动阻力增大，动力消耗增大。因此，适宜的流体流速需通过技术经济核算来确定。充分利用系统动力设备的允许压降来提高流速是换热器设计的一个重要原则。在选择流体流速时，除了经济核算以外，还应考虑换热器结构上的要求。6.流体方式的选择流向有逆流、并流、错流和折流四种类型。在流体进出口温度相同的情况下，逆流的平均温度差大于其他流向的平均温度差，因此，若无其他工艺要求，一般采用逆流操作。7.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操作压力、温度和流体的腐蚀性以及对材料的制造工艺以及性能等的要求来选取。最后还要考虑材料的经济合理性。1.3

8、 浮头式换热器特点根据本次生产要求，本设计采用浮头式换热器设计，其结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接,可以在壳体内沿轴向自由伸缩,该端称为浮头。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内自由伸缩，可消除热应力，管束可以从壳体抽出,便于清洗。缺点是结构复杂,需要大量金属材料,造价高；浮头盖与浮动管板之间若密封不严，发生内漏，造成两种介质的混合。但因其适用于壳体与管束温差较大或壳程流体容易结垢的场合及优良的性能,在工业中广泛应用。 2 正文2.1 确定设计方案2.1.1 选择换热器的类型 该换热器用循环冷却水，根据给定条件，结合两流体的温差，估计该换热器管壁温度和壳体温度之差

9、较大，初步确定用浮头式换热器。2.1.2 流程的确定因水易结垢应走易清洗的一侧，且为增加散热需使热流体走壳程，选择热流体煤油走壳程，冷流体循环水走管程。 2.2 确定物性数据2.2.1 确定定性温度热流体（煤油） 冷流体（循环水）2.2.2 确定物性数据表 21水和煤油相应的物性数据流体类别温度/密度)黏度/Pas比热容Cap/kJ()-1热导率/w(·)-1水349947.28×10-44.1740.626煤油988257.15×10-42.220.142.3 估算传热面积2.3.1 计算传热热负荷Q按煤油所需的热量计算 2.3.2 计算平均传热温差当换热器中两

10、流体无相变时，可以通过采用逆流或接近逆流的流向以得到较大的传热温差，来强化传热。所以选择逆流 热流体（煤油） 14650冷流体（循环水） 4028 T 106 22两流体的对数平均传热温差1 选换热器为单壳程、偶管程 由P和R得温差校正系数 =0.92 因0.82，可行两流体的平均温差2 2.3.3 初选总传热面积初选K=350W·(·) -13按煤油所需的热量计算 ·s-1 W 则估算总传热面积 2.3.4 初选管径选用25mm×2.5mm碳钢传热管2.3.5 初选换热器型号根据传热面积初选换热气型号1表 22浮头式换热器主要性能参数项目参数项目参数外

11、壳直径D/mm600管子尺寸/mm25×2.5公称压强/MPa1.6管长L/m3公称面积/m250管数N208管程数/ Np4管中心距t/mm32管子排列形式正方形管程流通截面积/0.016342.4 换热器的核算按上列数据核算壳程、管程的流速及雷诺数管程循环水的质量流量 ·s-1 管内水的流速 雷诺数 Rei 壳程流通截面积 当管子按正方形排列时 取NC=18,折流挡板间距z=0.15则 煤油流速m·s-1 当量直径2 m2 雷诺数Reo 由以上核算看出，所选用的换热器，管程、壳程的流速和雷诺数都是合适的。2.5 传热系数的校核已选定的换热器型号是否适用，还要核

12、算K值和传热面积A才能确定。2.5.1 管程的对流传热系数Rei=23848>104 流体在圆形管道内作强制湍流1 Rei0.8 Prn 流体被加热时n=0.4,l流体被冷却时n=0.32Pr W·(·) -1 2.5.2 壳程的对流传热系数对于壳体是圆筒，管束中各列的管子数目并不相同，而且大都装有折流挡板，使得流体的流向和流速不断的变化，因而在Re>100时即可达到湍流。当换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积约为25的壳体内截面积）时，壳程流体的对流传热系数可用凯恩法求算2，即 式中是考虑热流方向的校正系数，可以用表示。流体被加热时=1.05，流体被冷却时=0.9

13、5。2Pr W·(· ) -1 2.5.3 确定污垢热阻查食品工程原理附表得，自来水的Rsi=1.72×10-4 W·(·) -1、煤油 Rso=1.72×10-4 W·(·) -112.5.4 计算总传热系数K 以外表面为基准由化工原理第二册附录可取 W·(·) -1 2.5.5 计算热传热面积 实际传热面积 2.6 换热器压力降的核算2.6.1 管程阻力损失因进出口阻力较小，可忽略不计2 式中 直管阻力损失，Pa 回弯的阻力损失，PaFt 结垢校正系数 Ns 串联的壳程数因Re 对于的管Ft

14、=1.42 2.6.2 壳程阻力损失 式中： F 管子排列方式对压强降得校正系数 fo 壳程流体摩擦系数 Ft 壳程压力降的垢层校正系数 NB折流挡板数 Nc 水平管束在垂直列上的管数选管列为正方形45°错列，取F=0.4 挡板数 则 污垢校正系数Fs=1.152,则<30KPa 流程管程和壳程流体的压力均未超过30KPa，以上核算结果正确。2.7 水泵的选择2.7.1 流量的计算煤油的体积流量 m3·h-1 2.7.2 扬程的计算要将煤油适当的输送经过换热器进行冷却处理，需要选择合适的油泵提供相应的位能和克服沿程阻力，设定Z=2m，沿程阻力和即为壳程Po，且管路系统

15、两侧的压强差为0，则m 2.7.3 选择水泵的型号根据流量和扬程，查食品工程原理附表得1泵的型号为IS6550125 表 23泵的主要性能参数流量/（m3h-1）扬程/m转速/(rmin-1)汽蚀余量/m效率/功率/kW重量/kg外形尺寸（长×宽×高）/mm轴功率配带功率15514502.0640.270.5533465×210×252泵的有效功率 Kw 泵的效率 2.8 设计小结2.8.1 主要结构尺寸和计算结果表 24 主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程流体水煤油质量流量/（Kgs-1)15.2333.3进口温度/28146出口温度/4050物性定性

16、温度/3498密度/(Kgm-3)994825定压比热容/kJ (kg·)-14.1742.22黏度/Pas7.28×10-47.15×10-4热导率/W (m·)-10.6260.14设备结构参数形式浮头式壳程数1外壳直径/mm600公称面积/m250管径/mm25×2.5管心距/mm32管长/m3管子排列45正方形管数目/根208折流板数/个19传热面积/m249折流板间距/mm150管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（ms-1）0.860.178污垢热阻/(m2·) W-11.72×10-41.72×

17、10-4阻力/KPa14.0801.580热流量/kW703传热温差/49.22传热系数/W(m2·)-1345.1裕度/%15.52.8.2 浮头式换热器结构参考图图 21浮头式换热器结构参考图1管程隔板2壳程隔板3浮头2.9 设计评述本设计所有参数经反复核算，保证各参数均在设计要求之内，准确可行。管程流体冷却水流速ui=0.86m/s，流体雷诺数Rei=23484。壳程流体煤油流速uo=0.178m/s，流体雷诺数Reo=5545>4000。管程、壳程流体流动为湍流，能够较好的达到换热的要求。管程采用排45正方形列，而在各管程之间为了便于安装隔板，也便于机械清洗。该换热器的换热面积裕度H=15.5在10-3