浮头式换热器设计方案书原油_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 10-4m2.KW,要求两侧的阻力损失均不超过50.3 10 Pa。资料个人收集整理，勿做商业用途物料温度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175T2369002.487150.1330.64 X10-3原油70110483502.208150.1283.0 X10-31.3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，熟悉换热器设计的方法和步骤；2、根据设计

2、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。资料个人收集整理，勿做商业用途1. 设计任务书32. 概述 53. 设计标准74. 方案设计和拟订85. 设计计算 126. 参考文献 227. 附录 238. 设计小结 299. CAt 321. 概述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

3、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。资料个人收集整理，勿做商业用途在化工、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。资料个人收集整理，勿做商业用途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。资料个人收集整理，勿做商业用途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

4、大时，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。资料个人收集整理，勿做商业用途1-折流凸板;Z嘴薰扪受钵;4-卦丸卜接管;卜管板 图4T6固定管板丈换热器2) U形管式U形管式换热器每根管子均弯成Ut,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 。资料个人收集整理，勿做商业用途3)

5、浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。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。28 / 24图7T2浮头式换热器】，壳盖2.浮头盖 1浮头管板4.壳体5.传热管资料个人&支持板7.折流板收集整理，勿做商业用途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

6、，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6ml算出传热管程，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。 资料个人收集整理，勿做商业用途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

7、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，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。资料个人收集整理，勿做商业用途根据以下原则：(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)

8、 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。资料个人收集整理，勿做商业用途流体流速的选择：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

9、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u1 1.0m/s。 资料个人收集整理，勿做商业用途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025X2.5mnfi0 19Xm曲种规格的管子。在这里，选择0 25X2.5mn （d+6）。焊接法取t=1.2

10、5d 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。资料个人收集整理，勿做商业用途折流挡板：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

11、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）B为外壳内径D白（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的直径。资料个人收集整理，勿做商业用途主要构件的选用：（ 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4

12、00mm）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。资料个人收集整理，勿做商业用途（ 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

13、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。资料个人收集整理，勿做商业用途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需 2.2 103（110 70）所以，qm1Cp1 T1 = qm2C P236900 2.48 103 （175 T2）3600T2 128.51 C两流体温度变化情况：热流体（柴油）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

14、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。资料个人收集整理，勿做商业用途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0 25X 2.5mm勺碳钢管，根据表三一管内流速取u i=1.0m/s。 资料个人收集整理，勿做商业用途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 i 715kg/m3定压比热容Cpi 2.48kJ /(kg C )导热系数 1 0.133W/(mC)黏度 10.64 10 3Pa s原油的物性数据：3密度 2

15、 815kg/m定压比热容CP2 2.20kJ/(kg)导热系数2 .128W/(m C)3 .黏度 2 3.0 10 Pa s4.3计算总传热系数4.3.1 热流量qm1CPl T136900 2.48 103 (175 128.51) 1.182 106WP1 36004.3.2 平均传热温差tmL t2(175 110) (127.4 70)61 76c22.4.3.3总传热系数K管程传热系数dM 1Re 0.02 1.0 715 42.23 106.4100.81 0.023 d1dM 1cp0.410.1330.023-2.230.0201040.8340.42.48 103 6.4

16、 10 40.13397CW / md2d2bd2Rd11d1d1 dm10.02520.025 0.0025 0.025 11.72 10 4 1.72 10 4 970 0.0200.02045 0.0225540 -278.6W/ m C4.4计算传热面积 C壳程传热系数假设壳程的传热系数540W/污垢热阻Rd1Rd2 1.72 104 m2C /W管壁的导热系数45W / m CRd2S1.18210668.70m2278.6 61.76考虑15%勺面积裕度,S 1.15一一 一 一 2S 1.15 68.70 79m4.5工艺结构尺寸4.5.1 管径和管内流速选用25 2.5传热管（

17、碳钢），取管内流速ui 1.0m/s4.5.2 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V 36900 715 3600ns z 45.65 46（根）s,20.785 0.021.0d1 u4按单程管计算，所需的传热管长度为S79L 21.88 md2ns3.14 0.025 46按单程管设计，传热管过程，宜采用多管程结构。现取传热管长l 6m,则该换热器管程程数为Np L会4（管程）p l 6传热管总根数N 46 4 184（根）4.5.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R 175 128.51110 701.16110 70175 700.38按单壳程,4管程结

18、构，温差校正系数应查附图六一一对数平均温度校正系数t。可得t 0.92平均传热温差tm t tm 0.92 61.76 56.8C4.5.4 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排列，隔板两恻采用正方形 排列.取管心距t 1.25d2,贝Ut 1.25 25 31.25 32mm横过管束中心线的管数nc 1.1, N 1.1,184 14.92 15（根）4.5.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.6,则壳体内径为D 1.05t, N 1.05 32 184 0.6 588.4mm圆整可取D 600mm4.5.6 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

19、25%则切去的圆缺高度为h 0.25 600 150mm取折流板间距B 0.25D ,则 B 0.5 600 300mm可取斯300mm折流板数传热管长NB ,一、B折流板间距6000/小、1 1 19（块）300折流板圆缺面水平装配。4.5.7接管壳程流体进出口接管：取接管内流速为u 1.0m/s,则接管内径为4 48350 3600 815,、0.1449（ m）3.14 1.0取标准管径为150mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1m/s,则接管内径4V 4 36900 3600 715/、d .0.135（m）3.14 1.0取标准管径为150mm4.6换热器核算4.6.1

20、热量核算4.6.1.1 壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式0.1420.551 322 0.36Re2 Pr dew当量直径，由正方形排列得de224 t d24d24 0.0322 0.785 0.02523.14 0.0250.027(m)壳程流通截面积So BD 1 %0.3 0.6 1 00250.040(m)t0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为0.47(m/s)33.45 1051.5648350 3600 815U20.035 -0.027 0.47 815Re。 33 10普兰特准数33c 2.20 103 10Pr 0.1280.14粘度校正一 1.05w2 0

21、.36 0128 (3.45 103)0.55 51.5613 1.05 588.7W/m2 C 0.0274.6.1.2管程对流传热系数10.023 Re0.8 Pr0.3d1管程流通截面积2 1842S10.785 0.02 0.014(m )4管程流体流速及其雷诺数分别为36900/(3600 715)0.0141.024Re0.020 1.024 7150.00064 42.29 10普兰特准数Pr2.48 103 0.64 100.13311.91 0.023 0133 (2.29 104)0.811.90.3 988.7W/m20.024.6.1.3传热系数K1d2d2 bd21R

22、d1 Rd2一1d1d1dm20.025988.7 0.0200.0001720.0250.0200.0025 0.02545 0.02250.0001721588.7293.1W/ m2 C4.6.1.4传热面积S271.0m2S Q1.182 106K tm293.1 56.8该换热器的实际传热面积SpSp d?LN nc3.14 0.025 6 184 15_ _279.60(m )该换热器的面积裕度为H T 100%79 100%12.1%传热面积裕度大，该换热器能够完成生产任务4.6.2换热器内流体的流动阻力4.6.2.1 管程流动阻力PiPiP2 FtNsNpNs 1Np 4 ,F

23、t1.4Pil u21d 2P2由Re 2.29 104,传热管相对粗糙度0.010.00520,查图一一摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得1 0.033W/mC ,流速3U1 1.024m/s,715kg/m ,所以P1 0.033 1024715 3711.2Pa 0.0222_ 2c u c 715 1.013 P23 1124.6Pa22PP1P2 FtNsNp_ _5_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P2P1P2 FtNsNs 1Ft1.15流体流经管束的阻力2uoP1Ff2nc

24、Nb 1 -o2F 0.4f25 3450 0.2280.7805nc15Nb19, uo 0.47Pi0.4 0,7805 15 19 1一一 一 _ 2815 O478431 Pa流体流过折流板缺口的阻力P2Nb 3.52B u2B 0.3m,0.6m一，P2 193.52 0.38150.472 4275.79Pa0.6总阻力P25 一(8431 4275.79) 1,15 14612.81Pa 0.3 10 Pa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冷热流体物性数据表称MPd国】Fk/wW/(ni-K) |kj/kdKg mmPa/s柴油0.03175

25、/128.510.0001720.1332. 487150.00064原油0.0370/1100.0001720.1282.208150.00300表2工艺设备尺寸表换热器换热管子规格管数管长管间距排列折流间切口壳体内径型式面积LIJHmm方式板型距高度mm/ m式mtn浮头式79.6025 X2.5|184600032三角上下300150600式形表3管口表aDN150柴油入口凹凸面bDN150柴油出口凹凸面cDN150原油入口凹凸面dDN150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)资料个人收集整理，勿做商业用途qm 热容量流率比资料个人收

26、集整理，勿做商业用途d 管径，mW个人收集整理，勿做商业用途D 换热器壳径，mm个人收集整理，勿做商业用途f 摩擦因数资料个人收集整理，勿做商业用途F 系数2g 重力加速度，m/s 资料个人收集整理，勿做商业用途B 挡板间品巨，m料个人收集整理，勿做商业用途K 总传热系数，W/(m2C)1 长度，mi料个人收集整理，勿做商业用途L 长度，mm个人收集整理，勿做商业用途n 管数 资料个人收集整理，勿做商业用途N 程数 资料个人收集整理，勿做商业用途p 压强， Pa资料个人收集整理，勿做商业用途q 热通量，W/m2资料个人收集整理，勿做商业用途Q 传热速率或热负荷，W资料个人收集整理，勿做商业用途

27、r 汽化热或冷凝热，kJ/kg资料个人收集整理，勿做商业用途R 热阻，m2 - C/W资料个人收集整理，勿做商业用途S 传热面积，m2资料个人收集整理，勿做商业用途t 流体温度，资料个人收集整理，勿做商业用途T 流体温度，资料个人收集整理，勿做商业用途u 流速,m/s资料个人收集整理，勿做商业用途希腊字母0t 对流传热系数，W/(m2 - C )入 导热系数，w/(m C)资料个人收集整理，勿做商业用途& 传热系数资料个人收集整理，勿做商业用途区 黍占度，Pa . s资料个人收集整理，勿做商业用途p 密度，kg/m3资料个人收集整理，勿做商业用途0 校正系数 资料个人收集整理，勿做商业用途下标

28、2 管外资料个人收集整理，勿做商业用途e 当量资料个人收集整理，勿做商业用途1 管内资料个人收集整理，勿做商业用途s 污垢资料个人收集整理，勿做商业用途t 传热资料个人收集整理，勿做商业用途m 平均资料个人收集整理，勿做商业用途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。资料个人收集整理，勿做商业用途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。资料个人收

29、集整理，勿做商业用途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。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