煤油卧式列管式冷却器的设计

1、西安交通大学毕业设计（论文） 题 目煤油卧式列管式冷却器的设计学生姓名李岩学 号314095173160009专 业化学工程与工艺指导教师韩小龙摘 要化工设备课程设计是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去完成某一设备设计任务的一次训练。本次的设计的内容是煤油卧式列管式冷却器的设计。这方面的知识虽然我们在大三上学期进行了理论课的学习，但是了解和掌握的东西仍然很有限。在这次的课程设计，通过热量衡算，工艺计算，结构设计和校核等一系列工作，我们基本上完成了设计任务，也让我明白了怎么应用所学的化工设备知识，结合我们所掌握的其他相关学科的知识、计算机技术、参照相关的书籍文献等去解决实际的设计

2、问题。并且通过在设计过程中，不断的发现问题解决问题，使我们能够更加熟练的运用这些知识与技能。这些经验的积累是对课堂学习的巩固和拓展，也是一次宝贵的经验积累。 当然在整个设计过程种，也离不开老师的悉心指导和同组各位组员的同心协力。在我们的实践过程中，通过小组各位组员的分工合作和相互配合，我们才能比较顺利的完成各个时段的工作，在遇到问题时，我们能够一起参与讨论，通过查阅资料、咨询老师等来解决。虽然在这个过程中，我们有发生过计算失误而重头开始计算，有过发现画图过程中的设计缺陷而重新设计等等问题，但这不但没有让我们知难而退，反而让我们更加深刻的认识到科学设计中所应该持有的严谨务实的态度的重要性。这些宝

3、贵经验的积累，对我们今后的学习工作也一定会有很大的帮助。关键词:结构设计,工艺计算目 录一、设计方案5 换热器的选择52流动空间及流速的确定5二、物性数据5三、计算总传热系数：61. 热流量62. 平均传热温差63. 冷却水用量64. 总传热系数K6四、计算换热面积7五、工艺结构尺寸71. 管径和管内流速72. 管程数和传热管数73. 平均传热温差校正及壳程数84. 传热管排列和分程方法85. 壳体内径86. 折流板87. 接管8六、换热器核算91. 热量核算92. 热量重新核算103. 换热器内流体的流动阻力114. 换热器主要结构尺寸和计算结果13七、设计的评述14八、参考文献14九、主要

4、符号说明15十、主体设备条件图及生产工艺流程图15一、设计方案 1 换热器类型的选择在本次设计任务中，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30，出口温度38。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式换热器。 2、流动空间及流速的确定 在固定管板式式换热器中，对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点： (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

5、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) 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(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。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

6、程，煤油走壳程。选用25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/。 二、确定物性数据两流体在定性温度下的物性数据如下表物性流体定性温度密度kg/m3粘度mPa·s比热容kJ/(kg·)导热系数W/(m·)煤油908250.7152.220.14冷却水359940.7284.1740.626三、计算总传热系数（一）计算热负荷（热流量）按管间煤油计算，即（二）冷却用水量忽略热损失，则水的用量为（三）计算逆流平均温度差逆流温差（四）总传热系数K1.管程给热系数，故采用下式计算2.壳程给热系数假设壳程给热系数3.污垢热阻4.管壁的导热系数碳钢的导热系数。5.

7、总传热系数四、估算传热面积考虑15%的面积裕度，五、工艺结构尺寸1.管径和管内流速选用的碳钢换热管，管内流速2.管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数（根）按单管程计算所需换热管的长度按单管程设计，传热管过长，现取传热管长，则该换热器的管程数为（管程）传热管的总根数（根）3.平均传热温差校正及壳程数按单壳程双管程结构，查单壳程图，因在图上难以读取，因而相应以代替R，PR代替P，查同一图线得。于是。单壳程双管程属于1-2折流，现用1-2折流的公式计算平均温度差现对上述查图方法进行说明。对于1-2折流有：令，则，。将R、P以代入上式得显然，用对作图应为同一图线。本设计取有效对数平均温

8、度差为。4.传热管排列和分程方法采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。取管心距，则横过管束中心线的管数（根）5.壳体内径采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径圆整取。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25%，则切去的圆缺高度为，取。取折流板间距为，则，取。折流板数（块）折流板圆缺水平面安装。7.接管壳程流体（煤油）进出口接管：取接管内煤油流速为1.0m/s，则接管内径取标准管径为100mm。管程流体（循环水）进出口接管，取接管内循环水的流速为1.5m/s，则接管内径（取标准管径为200mm）六、换热器核算（一）热量核算1.壳程对流给热系数对于圆缺

9、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壳程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为2.管程对流给热系数管程流通截面积管程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为3.传热系数K4.传热面积该换热器的实际换热面积面积裕度为换热面积裕度合适，能够满足设计要求。（二）换热器内流体的流动阻力1.管程流动阻力（Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）取换热管的管壁粗糙度为0.01mm，则，而，查图得对的管子有管程阻力在允许的范围之内。2.壳程流动阻力对壳程有折流挡板时，计算壳程阻力的方法有Bell法、Kern法和Esso法等。Bell法计算结果与实际数据的一致性较好，但计算比较麻烦，而且对换热器

10、的结构尺寸要求较详细。工程计算中常采用Esso法，该法的计算公式如下：（Fs为结垢校正系数，对液体Fs=1.15，Ns为壳程数）流体流经管束的阻力F为管子排列方式对压强降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形直列，正方形错列时，。为壳程流体的摩擦系数，当为横过管束中心线的管数，。折流板间距，折流板数流体流经折流板缺口的阻力该换热器的管程与壳程压降均满足要求，故所设计的换热器合适。换热器主要结构尺寸及计算结构换热器型式：带热补偿非标准的固定管板式管子规格25×2.5管数474根管长6m换热面积：208.9m2管间距,mm32排列方式正三角形工艺参数折流板型式上下间距，300mm切口

11、25%设备名称管程壳程壳体内径900mm保温层厚度无需保温物料名称循环水煤油接管表操作压力，MPa0.40.3序号尺寸用途连接型式操作温度，30/40140/401DN200循环水入口平面流量，kg/s36.936.9442DN200循环水出口平面密度，kg/m39948253DN100煤油入口凹凸面流速，m/s0.4990.1434DN100煤油出口凹凸面传热量，kW15405DN20排气口凹凸面总传热系数，W/m2K306.46DN50放净口凹凸面对流传热系数，W/m2K2750487.7附工艺条件图（略）污垢热阻，m2K/W0.000420.000172阻力降，Pa48862511程数2

12、1推荐使用材料碳钢碳钢七、设计的评价这次化工原理课程设计是以小组为单位，然后组员进行分工合作来确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。通过本次设计，我学会了根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，以及如何计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。通过课程设计可以巩固对主体设备图的了解，以及学习到工艺流程图的制法。对化工原理设计的有关步骤及相关内容有一定的了解。通过本次设计熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解。在设计

13、的过程培养了大胆假设，小心求证的学习态度。通过本次课程设计，我还认识到，组员之间一定要多沟通，多交流意见，要不然，一个人的能力再怎么强，在团体工作中也是不能够出色完成设计任务。但由于本课程设计属第一次设计，而且时间比较仓促，查阅文献有限，本课程设计还不够完善，不能够进行有效可靠的计算。最后，非常感谢我的同组人员，正是有他们在一起讨论，有了他们的帮助，才使我更快更顺利地在较短时间内完成本设计。八、主要符号说明P压力，Pa ; Q传热速率，W；R热阻，·/W； Re雷诺准数；S传热面积，； t冷流体温度，；T热流体温度，； u流速，m/s;m质量流速，/h; 对流传热系数W/(·); 导热系数，W/(m·) 校正系数;粘度，Pa·s; 密度，/m3;实际传热面积， Pr普郎特系数n板数，块 K总传热系数，V体积流