年处理量8.4×104吨煤油冷却器的设计

1、食品工程原理课程设计任务书 设计题目：年处理量8.4×104吨煤油冷却器的设计一、操作条件1. 煤油：入口温度156 出口温度50 2. 冷却介质：循环水入口28，出口温度403. 允许压力降：不大于30kPa4. 年开工天数：300天；每天24h连续生产5. 定性温度下煤油的物性数据：密度=825kgm-3，黏度=7.15×10-4Pas，比热=2.22kJ（kg·）-1，热导率=0.14W（m·）二、设计任务1.处 理 量：84×103t/年 2. 设备形式：列管式换热器3. 选择事宜的列管换热器并进行核算4. 绘制工艺流程图和设备结构图5

2、. 输送机械的设计：循环水泵三、设计要求使用统一课程设计格式（详见许昌学院课程设计编写要求）。主要项目及编排顺序为： 设计说明书封面 (使用统一模板)；任务书；摘要；目录；设计方案简介；工艺过程计算及设备工艺尺寸的计算；辅助设备的计算及选型；附录：工艺流程图及设备结构图；参考文献设计评述；指导教师：孙国富 徐静莉 完成日期：2012年12月17日12月 28 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水泵的型号选择。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。设计的后半部分是关于水泵的

3、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水泵的型号。关键词：浮头式换热器 传热系数 水泵目 录1引言11.1热换器的类型11.2热换器的选择11.2浮头式热换器特点22正文22.1确定设计方案22.1.1.选择换热器的类型22.1.2确定流体通入的空间32.2确定物性数据32.2.1确定定性温度32.2.2确定物性数据32.3估算传热面积32.3.1计算传热热负荷Q32.3.2计算平均传热温差32.3.3初选总传热面积42.3.4初选管径42.3.5初选换热器型号52.4热换器的核算52.5传热系数的校核62.5.1管程的对流传热系数62.5.2壳程的对流传热系数62.5.3确定

4、污垢热阻72.5.4计算总传热系数K72.5.5计算热传热面积72.6热换器压力降的核算72.6.1管程阻力损失72.6.2壳程阻力损失82.7水泵的选择92.7.1流量的计算92.7.3选择水泵的型号93设计小结113.1主要结构尺寸和计算结果113.2设计评述12参考文献1318年处理量8.4×104吨煤油冷却器的设计1引言1.1热换器的类型热换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，在化工中热换器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。热换器的类型很多，性能各异，根据冷、热流体换热方式的不同可将换热器分为混合式换热器、蓄热式换热器和间壁式

5、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。按热换器传热面形状和结构的特点，间壁式换热器又可分为管壁式换热器、板式换热器和特殊型式换热器三类。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管壳式热换器、蛇管式换热器、套管式换热器、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平板式换热器、螺旋式换热器、热板式换热器及板翅式换热器等几种；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。如回旋式换热器、热管换热器、同流式换热器等。其中管壳式换热器又称为列管式换热器，是一种通用的标准热换设备。它因结构简单、坚固耐用、造价低

6、廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等有点而在换热设备中占据主导地位。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形管换热器。1.2热换器的选择1.类型的选择热换器的种类很多，选择时应根据操作温度、压力、热换器的热负荷、管程与壳程的温度差、热换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4在列管式换热器设计中，哪种流体走管程，哪种流体走壳程，需要合理安排。选择原则：传热效果好、结构简单、检修与清洗方便。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

7、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出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.流体流速的选择提高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沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增加，所需传热面积减少，设备费用降低。但是流速增加，流体阻力将增大，操作费用增加。因此，选择适宜的流速十分重要，适宜的流速应通过经济核算来确定。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

8、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.材质的选择在进行热换器设计时，热换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1.2浮头式热换器特点本设计采用浮头式设计，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，可完全消除热应力。此种换热器的优点是换热管与壳体与壳体不会产生温差应；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

9、生内漏，造成两种介质的混合。但因其使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,以此在工业中广泛应用。 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较大，初步确定用浮头式换热器2.1.2确定流体通入的空间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，又因两流体温差较大，故选浮头式换热器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2-1水和煤油的物性数据5流体类别温度/密度/(m-3)黏度/Pas比热容Cp/kJ()-1

10、热导率/w(·)-1水34994.37.42×10-44.1740.62358煤油1038257.15×10-42.220.142.3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 (2-1)2.3.2计算平均传热温差当热换器中两流体无相变时，应尽可能从结构上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1。所以选为逆流 热流体（煤油） 15650冷流体（循环水） 4028 T 116 22两流体的对数平均传热温差1 (2-2)选热换器为单壳程、偶管程1， (2-3) (2-4)由P和R得温差校正系数3 (2-5) =0.92因0.82，可行

11、两流体的平均温差2226 (2-6)2.3.3初选总传热面积初选K=350W·(·) -1按煤油所需的热量计算Wh=8.4×103t/年=3.241·s-1W则估算总传热面积 (2-7)2.3.4初选管径 选用25mm×2.5mm碳钢传热管32.3.5初选换热器型号根据传热面积初选热换气型号1表2-2浮头式换热器主要性能参数项目参数项目参数外壳直径D/mm600管子尺寸/mm25×2.5公称压强/MPa1.6管长L/m3公称面积/50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

12、热换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 (2-8)雷诺数 (2-9)壳程流通截面积 (2-10)当管子按正方形排列时3 (2-11)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 (2-12)雷诺数 由以上核算看出，所选用的热换器，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热换器型号是否适用，还要核算K值和传热面积A才能确定2.5.1管程的对流传热系数>104 流体在圆形管道内作强制湍流1 (2-13)流体被加热时n=0.4,l流体被冷却时n=0.32 (2-14

13、) W·(·) -12.5.2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 (2-15)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=0.95.2。 W·(·) -12.5.3确定污垢热阻查食品工程原理附表得1，自来水的Rsi=1.72×10-4 W·(·) -1 煤油 Rso

14、=1.72×10-4 W·(·) -12.5.4计算总传热系数K 以外表面为基准1由化工原理第二册附录可取 W·(·) -1 (2-16)2.5.5计算热传热面积 实际传热面积2.6热换器压力降的核算2.6.1管程阻力损失因进出口阻力较小，可忽略不计2 (2-17)式中 直管阻力损失，Pa； 回弯的阻力损失，Pa； Ft 结垢校正系数； Ns 串联的壳程数因 (2-18) (2-19) (2-20)对于的管=1.422.6.2壳程阻力损失 (2-21) (2-22)式中： F 管子排列方式对压强降得校正系数 壳程流体摩擦系数 Ft 壳程压力降的

15、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因 (2-23)选管列为正方形45°错列，取F=0.42挡板数 (2-24)则 (2-25)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流量的计算水的体积流量 m3·h-1 (2-26)2.7.2扬程的计算将水泵与换热器以及储水槽看作一个系统。以两个储水槽为两个截面，列柏努力方程，储水槽为广口，则在这个系统中压强差为零，前后的流速都可以近似看作是零。1m (2-27)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

16、得1泵的型号为IS10050125 表2-3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60414503.0710.921.542485×280×340 3设计小结3.1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)15.2333.241进口温度/28156出口温度/4050物性定性温度/34103密度/(Kgm-3)994.3825定压比热容/kJ (kg·)-14.1742.22黏度/Pas7.42×10-4

17、7.15×10-4热导率/W (m·)-10.623580.14普朗特数4.9711.34设备结构参数形式浮头式壳程数1外壳直径/mm600公称面积/50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14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）0.940.175表面传热系数/W(m2·)-14519.45452.5污垢热阻/(m2·) W-11.72×10-41.72×10-4阻力/KPa16.6061.905热流量/kW762.67传热温差/52.02传热系数/W(m2·)-1340.6裕度/%13.73.2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。壳程流体流速=0.94m/s，流体雷诺数=25193。管程流体流速=0.175m/s，流体雷诺数Rei =5452>4000。管程流体流动为湍流，能够较好的达到换热的要求。每程内都采用排45正方形列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。正方形排列便于机械清洗。该换热器的面积裕度H=13.7在10-30之间，则所设计换热器能够完成生产任务。管程、壳程流动阻力为16.606KPa，1.6996 K