煤油冷却器课程设计

1、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处理能力：一班15万吨/年煤油，二班12万吨/年煤油，三班8万吨/年煤油，四班5万吨设备形式：列管式换热器操作条件：煤油：（一班：入口温度130，出口温度40。二班：入口温度120，出口35；三班：入口140，出口45，四班：入口140，出口45 ）冷却介质：循环水，（一班：入口温度30，出口温度40；二班入口25，出口45；三班：入口30，出口50，四班：入口30，出口50 ）允许压强降：不大于120kPa煤油定性温度下的物性数据：密度825kg/m3，黏度7.15×10-4Pa.s，比热容2.22kJ/(kg.)，导热

2、系数0.14W/(m.)每年按300天计，每天24小时连续运行三 选择适宜的列管式换热器并进行核算3.1 传热计算3.2 管、壳程流体阻力计算四 绘制换热器装配图（CAD2007或2010版本）（电子A1图纸，纸质A3）目录前言1一、概述41.1、换热器的分类41.2、流动空间的选择原则：4二、设计方案简介52.1、选择换热器的类型：52.2、流体空间及流速的确定：5三、工艺流程草图及说明6四.列管式换热器的工艺计算64.1确定物性参数：64.2计算总传热系数7、热流量7、总传热系数K74.3、计算传热面积84.4、工艺结构尺寸9、管径和管内流速9、管程数和传热管数9、平均传热温差校正及壳程数

3、9、传热管排列和分程方程方法10、壳体内径10、折流板10、接管104.5、换热器核算11、热量核算：11、传热系数K12、传热面积S13、换热器内流体的流动阻力13、壁温核算15五、设计结果一览表17六、设计评述19七、参考资料19八、主要符号说明20前言化工原理课程由化工原理理论、化工原理实验以及化工原理课程设计三个教学环节组成。课程设计是理论联系实际的桥梁，有较强的综合性和实践性。课程设计要求综合运用本课程和前修课程的基础知识、运行融会贯通的独立思考。一、概述1.1、换热器的分类 在不同温度的流体间传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

4、度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。 换热器的类型多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，在所以的换热器中占着主导的地位。列管式换热器有以下几种：固定管板式固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定在管板上，在外壳上焊有膨胀节，当两流体的温度差较大时，管体和管束热膨胀不同，补偿圈发生缓慢的弹性形变来来补偿因温差引起的热膨胀。特点：结构简单、在相同的壳体直径内，排管最多、比较紧凑；造价低廉、壳程清洗和检修困难（壳程宜用于不易结垢和清洗的流体）。适用：比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。浮头换

5、热器浮头式换热器的两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可相对于壳体做某些移动，该端称之为浮头。此类换热器的管束膨胀不受壳体的约束，所以壳体与管束之间不会由于膨胀量的不同而产生热应力。特点：结构复杂、笨重，造价比较高，材料消耗量大，浮头的端盖在操作中无法检查，安装时要密封，管束和管壳的间隙较大。适用：管壳壁间温差较大，易于腐蚀和易于结垢的场合。 U型换热器U型管式换热器每根管子均弯成U型，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、管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。适用：高温高压的场合1.2、流动空间

6、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，

7、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二、设计方案简介确定初步方案：2.1、选择换热器的类型：两流体温度变化情况：热流体进口温度140 ,出口温度45 ；冷流体（循环水）进口温度30，出口温度50.由于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

8、初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。 2.2、流体空间及流速的确定：根据流体流径选择的基本原则，循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且循环冷却水的推荐流速应大于煤油的推荐流速，故选择循环冷却水为管城流体，煤油为壳程流体。根据流体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为=1.0m/s 用 25×2.5mm的碳钢管（换热管标准：GB8163)。三、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从接管A进入换热器管程。两物质

9、在换热器中进行换热，煤油从140冷却至45后由接管D流出；循环冷却水则从30加热至50后，由接管B流出。四、列管式换热器的工艺计算4.1确定物性参数：定性温度：可取流体进口温度的平均温度值。壳程油的定性温度为T=(140+45)/2=92.5管程流体的定性温度为t=(30+50)/2=40定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。根据油在92.5下的有关物性数据如下：密度：。=825kg/m3定压比热容：Cpo=2.22KJ/(kg.)导热系数：。=0.140W/(m.)粘度：。=7.15×Pa.s循环冷却水在40下的物性数据：密度：i=992.2kg/m3定压比热容：Cpi=

10、4.174KJ/(kg.)导热系数：i=0.6338W/(m.)粘度：i=0.000656Pa.s4.2计算总传热系数 4.2.1、热流量 、平均传热温差 、冷却水用量 、总传热系数K管程传热系数,假设管程流速为0.5m/s 壳程传热系数假设壳程的传热系数 污垢热阻管壁的导热系数=45W/m. 4.3、计算传热面积 考虑15%的面积裕度，4.4、工艺结构尺寸、管径和管内流速选用25×2.5传热管（碳钢），取管内流速 、管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数按单程管计算，所需的传热管长度为 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m,则该换热管程数为

11、 传热管总根数 、平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一直线，可得 、传热管排列和分程方程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25,则 t=1.25×25=31.2532(mm)横过管束中心线的管数 、壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为 、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h=0.25×500=125(mm)故可取h=150(mm

12、)取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×500=150(mm),可取B为150mm。折流板数 折流板圆缺面水平装配。、接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u=1.0m/s，则接管内径为 取标准接管内径d=70 mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.0m/s则接管内径为取标准管径为100mm。4.5、换热器核算、热量核算：壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用克恩公式当量直径，由正三角形排列得 = 壳程流通截面积m 壳程流体及雷诺数为 普兰特准数 、管程对流传热系数 管程流体流速 普兰特准数 、传热系数K查有关文献知管外侧污垢热阻：管内侧污垢热阻：管壁热阻 查有关

13、文献知碳钢在该条件下的热导率为=45W/(m.K)。 、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 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。、换热器内流体的流动阻力管程流动阻力管程流通面积： 传热面积为 管程流体速度 摩擦系数 传热管相对粗糙度，查莫狄图得管程流动阻力 管程流动阻力在允许的范围之内。管壳流动阻力取折流板间距B=0.15m计算截面积 摩擦系数 壳程阻力 流体流过折流板的阻力 故总阻力为 综上所述，该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压强120kPa均符合要求，故所设计的换热器符合条件。、壁温核算因管壁较薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按以下公式计算。由于该换热器

14、采用循环冷却水冷却，冬季操作时，循环水的操作温度会降低. 因此我们取循环冷却水的进口温度为18，出口温度为50，计算传热管壁温。 壳体壁温，即可近似取壳程流体的平均温度，T=92.5壳体壁温和传热管壁温之差为，t=92.5-37.1=55.450该温差较大，故需设温度补偿设置。因此我们选择浮头式换热器来消除热应力。且应该选择相应的油泵和水泵进行动力补偿。5、 补助设备的计算和选型5.1对壳程流体煤油所需的泵进行计算选择 对壳程流体煤油所需的泵进行计算选择：根据下表及计算结果，可选用ISWB80160(i)b型的泵，r=2900r/min,H=24m,(>1.1m，可将换热器安装在高处），

15、允许汽蚀余量为4.5m。5.2对管程循环水所需的泵进行计算选择，在IS型单级单吸离心泵性能表中选择IS-80-65-125型离心泵，其性能参数如下：泵型号流量Q扬程H转数n效率轴功率电机功率汽蚀余量L/smr/min%kWkWmIS-80-65-1253050608.3313.916.722.5201829006475742.873.633.985.53.03.03.5根据泵的性能参数，采集数据，可以进行如下列示例的相关二项式拟合，得到泵的特性曲线，即QH关联式，及Q,Q,QNPSH的关联式，如图所示： 将工作点带人可得，H（m) 、（NPSH）r/ (m) 和 实际汽蚀余量NPSH=（NPS

16、H）r+0.5/(m)由于该设计要求24小时连续不停的运转，所以应备用三台泵，一台运转，一台备用，一台维修。6、 设计结果一览表名称管程壳程物料名称循环水煤油操作压力，Pa33337.921195.7操作温度，30/50140/45流量，Kg/h28066.611110物性参数定性温度/4092.5密度、（kg)992.2825定压比热容/kJ/kg.K4.1742.22粘度/Pa.s0.0006560.000715热导率/W/m.K0.63380.140普朗特数4.3211.34设备结构参数形式列管式换热器台数1壳体内径/mm500壳程数1管径/mm25×2.5管间距/mm32管长

17、/mm6000排列方式正三角形管数100折流板数39传热面积/46折流板间距/mm150管程数4材质碳钢主要计算结果管程管壳接管内径（mm）10070流速/(m.s)1.0000.267表面传热系/w/(.k5028.3687.5污垢热阻/.k/w0.0003440.000172阻力/MPa0.030.002热流量/kw650.83传热温差/k55.4传热系数/w/.k422.5裕度/%10.8七、总结 这次课程设计考查了对化工原理书本理论的掌握，加深了对课本公式的理解。除此之外，很多资料的搜集查阅和使用、对课题的问题讨论，不仅加强了团队协作能力，还提高了我动手的能力和灵活运用知识的能力，让我

18、受益匪浅。在这次化工原理课程设计中，我的理论运用于实践的能力得到了很到的提升，主要有以下的几个方面：1. 初步掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据（已发表的文献）的能力。2. 树立了既考虑技术上的先进性和可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作设计过程中的方便性，劳动条件和环保性的设计思想，在这种思想的指导下去分析和解决实际问题的能力。3. 培养了迅速准确的进行工程计算的能力，首先必须根据产量和基本的物性数据计算出理论值，在根据国家标准来核算，从而选用合适的配件高效率的完成规定的生产任务。4. 学会用简洁的文字和清晰的图表来表述自己设计思想的能力。在画图中基本是根据基本数据来查阅资料逐一确定的

19、，工作繁杂。5. 对以前学过的知识技能的重新拾取，如CAD、公式编辑等软件的正确使用。 从设计结果可看出，若要保持传热系数，温度越大、换热管数越多、折流板数越多、壳径越大、这主要是因为煤油的出口温度升高，总的传热温差下降，所以换热面积增大，才能保证Q和K。因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应的增大，通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要。由于本课程设计属于我的初次设计，加上临近期末，既要顾忌期末的复习，又要兼顾课程设计资料的搜集、课题规划和设计计算而且时间上比较仓促，而且我们学院的所需书籍资料在本校的可查阅的文献有限，本次设计还有很多不完善的地方希望老师批评指点。八、参考资料1谭天恩、窦梅、周明华主编化工原理第三版北京：化工工业出版社，20092匡国柱、