煤油冷却器设计

1、16生物工程课程设计说明书淮 阴 工 学 院课程设计说明书作 者： 学 号： 系 ： 生命科学与化学工程学院 专 业： 生物工程 题 目： 煤油冷却器的设计 指导者： (姓 名) (专业技术职务) 20xx年 05月 淮 安换热器设计任务班级 姓名 学号 指导教师 一、设计题目煤油冷却器的设计二、设计任务及操作条件1、处理能力19.8×104t/a煤油2、设备型式列管式换热器3、操作条件（1）煤油：入口温度140，出口温度40。（2）冷却介质：循环水，入口温度27，出口温度40。（3）允许压降：不大于0.4MPa。（4）煤油定性温度下的物性数据：c825Kg/m3c7.15×

2、;104PaScpc2.22KJ/(Kg. )0.14W/(m. ) (5)每年按330天计，每天24小时连续运行。4、建厂地址江苏淮安三、完成设备图一张。（A3，CAD）目录1设计说明4（1）引言 4（2）设计任务6（3）确定设计方案6（4）确定物性数据6（5）计算总传热系数7（6）计算传热面积8（7）工艺结构尺寸8（8）换热器核算10（9）换热器主要结构尺寸和计算结果122设计小结143参考文献154 CAD工程制图1、 引言在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器中至少要有两种流体，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。在工程实践中有时也会

3、存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。列管式换热器的应用已有很悠久的历史。现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业中大量使用，尤其在化工、石油、能源、等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位，且它们是上叙这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。虽着我国工业的不断发展，对能源利，并开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计，制造，结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新的高效换热器相继问世。1.1 目的要求1、化工原理课程设计涉及本门课程的主要内容，通过课程设计学生不仅巩固和深化了有关化工过程及设备方面的知识，

4、而且可用它们去分析和解决化工设备在操作、安装、检修等方面的实际问题，以增强学生理论联系实际的观点。2、通过化工原理课程设计使学生建立工程观点和经济观点，使学生具有辨证的科学思维方法。3、通过查阅技术资料、选用公式、搜集数据、讨论工艺参数与结构尺寸间的相互影响等，培养学生分析问题和解决问题的能力。4、提高学生文字表达能力及掌握撰写技术文件的能力。1.2 列管式换热器的类型1.2.1 固定管板式换热器固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太

5、大而产生不头脑感的热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开，从而发生介质的泄露。为此常在外壳上焊一膨胀节，但它仅能减小而不能完全消除由于温差而产生的热应力，且在多程换热器中，这种方法不能照顾到管子的相对移动。由次可见，这种换热器比较适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。1.2.2 浮头式换热器浮头式换热器针对固定板式换热器的缺陷做了结构上的改进。两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则相对于壳体作某些移动，该端称之为浮头。次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。而且在清洗和检修时，紧需将管束从壳体中抽出即可，所以能适用于管壳壁间温差教大，或易

6、于腐蚀和易于结垢的场合。但该类换热器结构复杂、笨重，造价约为固定管板式高左右，材料消耗量大，而且由于浮头的端盖在操作中无法检查，所以在制造和安装时要特别注意其密封，以免发生内漏，管束和壳体的间隙较大，在设计时要避免短路。至于壳程的压力也受滑动接触面的密封限制。1.2.3 U型管换热器U型管换热器仅有一个管板，管子两端菌固定于同一管板上。这类换热器的特点是：管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承受压力强；管束可以从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间部分管子难以更换，又因为最内层管

7、子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换管。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分必须用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜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。1.2.4 填料涵式换热器 此类换热器的管板也仅有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。它的管束也可以自由膨胀，所以管壳之间不会产生热应力，且管诚和壳程都能清洗，结构较浮头式简单，造价较低，加工制造方便，材料消耗较少。但由于填料密封处易于泄露，故壳程压力不能过高，也不宜用于易挥发、宜燃、易爆、有毒的场合

8、。1.3列管式换热器设计内容列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。其中以热力设计最为重要。不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于己生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足使用要求对，均需进行这方面的作。 热力设计指的是根据使用单位提出的起本要求，合理地选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。 流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备例如泵的选择做准备。当然，热力设计和流动设计两者是密切关联的，特别是进行热力计算时常需从流动设计中获取某些参数。 结构设计指的是根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸，例如管子的直径、长度、

9、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目、隔板的数目及布置以及连接管的尺寸，等等。 在某些情况下还需对换热器的主要零部件特别是受压部件做应人计算，并校核其强度。对于在高温高压下工作的换热器更不能忽视这方面的工作。这是保证安全生产的前提。在做强度计算时，应尽量采用国产的标准材料和部件，根据我国压力容器安全技术规定进行计算或校核(该部分内容属设备计算，此处从略) 列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：根据换热任务和有关要求确定设计方案；初步确定换热器的结构和尺寸；核算换热器的传热面积和流体阻力；确定换热器的工艺结构。2、 设计任务某生产过程中需将25000 kJ/h的油从140冷却至40，压力为0.

10、3MPa；冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水入口温度27，出口温度为40。试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。3、 确定设计方案3.1选择换热器类型两流体温度变化情况：热流体进口温度140，出口温度40；冷流体（循环水）进口温度27，出口温度40。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，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。3.2流动空间及流速的确定由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。4、确定物

11、性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。壳程混和气体的定性温度为 T= 管程流体的定性温度为t根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说，最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。煤油在90下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度 定压比热容 =2.22kJ/（kg·） 导热系数 =0.140W/（m·）粘度 =0.000715Pa·s循环水在33.5 下的物性数据： 密度=995/m3 定压比热容=4

12、.08kJ/(kg·) 导热系数 =0.623W/(m·)粘度 =0.000746Pa·s5、 计算总传热系数5.1热流量Qo=25000×2.22×(140-40)=5.55×106 kJ/h =1541.7kW5.2平均传热温差 先按照纯逆流计算，得 =5.3冷却水用量=/h5.4总传热系数K管程传热系数Re= =W/ (m2·)壳程传热系数假设壳程的传热系 = 380W/（m2·)污垢热阻 = 0.000344 m2·/W =0.000172 m2·/W管壁的导热系数 = 45W/(m&#

13、183;) K = = = 266.4W/（m2·)6、计算传热面积= = = 135.8 m2考虑15的面积裕度，S = 1.15×=1.15×135.8 = 156.2m27、工艺结构尺寸7.1 管径和管内流速 选用25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=0.8m/s。7.2 管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 Ns= 按单程管计算，所需的传热管长度为 L= (m)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，则该换热器的管程数为 Np= (管程)传热管总根数 N=187×2=374（

14、根）7.3平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数 R= P= 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，查同一图线，可得 平均传热温差 7.4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形排列,隔板两侧采用正方形排列。 取管心距t=1.25d0，则 t=1.25×25=31.2532横过管束中心线的管束 7.5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 D=1.05t mm圆整可取D=800mm7.6折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度

15、为 H=0.25×800=200mm，故可取h=200mm取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3×800=240mm，可取B为250mm。折流板数目NB= 折流板圆缺面水平装配。7.7接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u1=1.0m/s，则接管内径为取标准管径为100mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u2=1.5m/s，则接管内径为取标准管径为150mm8、 换热器核算8.1热流量核算8.1.1壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，用克恩法计算 当量直径，由正三角形排列得 =壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为(m/s) 普朗特数 粘度校正 8.1.2

16、管内对流传热系数 管程流体流通截面积管程流体流速 普朗特数 W/（m2·)8.1.3 传热系数依式 W/（m2·)8.1.4传热面积 该换热器的实际传热面积为Sp m2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。8.2换热器内流体的流动阻力8.2.1管程流体阻力 , , ,由Re=10963，传热管相对粗糙度，查莫狄图得，流速u=0.5m/s,所以， 管程流体阻力在允许范围之内。8.2.2壳程阻力 , , 流体流经管束的阻力 F=0.5 0.5×0.7368×23×(23+1)×=3105.2Pa流体流过折流板缺口

17、的阻力 , B=0.25m , D=0.80m1009.7Pa总阻力3105.2+1009.7=4115Pa < 10 Kpa由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。9、换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：换热器型式：固定管板式管口表换热器面积（m）164符号尺寸用途连接形式工艺参数a循环水入口平面名称管程壳程b循环水入口平面物料名称循环水油c油品出口凹凸面操作压力，MPa0403d油品出口凹凸面操作温度，27/40140/40e排气口凹凸面流量，10463825000f放净口凹凸面流体密度，995825图示见备注流速，0.50.1

18、924传热量，Kw1541.7总传热系数， 348.6对流传热系数，2698574污垢系数，00003440000172阻力降，MPa0.0052610.004115程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格管数：374管长：6m管间距，mm32排列方式正三角形折流板形式上下间距，mm250切口高度25%壳体内径，mm800保温层厚度，mm小 结进行本课程设计的目的是:培养学生综合运用所学知识，特别是本门课程的有关知识解决制药生产过程中的实际问题的能力，使学生学到进行制药生产设计的基本步骤和方法，得到一次进行工厂设备设计的初步训练，为今后从事设计工作打下基础。通过本次的课程设计，我们受到一次化工设计

19、专业技术方面的基本训练，从而了解和掌握化工计算的基本知识、基本方法，培养我们独立分析和解决化工技术问题的能力。作为整个学习体系的有机组成部分，它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，是把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作中，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。通过课程设计，培养了我们的能力：首先培养了我们查阅资料，选用公式和数据的能力，其次还可以从技术上的可行性与经济上的合理性两方面树立正确的设计思想，分析和解决工程实际问题的能力，最后熟练应用计算机绘图的能力以及用简洁文字，图表表达设计思想的能力。我们在设计时要遵守一定的原则，主要如下：1. 经济性：应符合能量充分合理利用和节能原则，符合经常生产费和设备投资费的综合核算经济的原则，符合有用物质高回收率，低损耗率原则。2. 先进性：应对目前工厂生产过程和设备上存在的