大豆油冷却器的设计说明

1、广西工学院化工原理课程设计设计题目：大豆油冷却器的设计雷春宇专业：食品科学与工程班级：食品092班学号:200900602067起止日期：2011-11-012011-12-10指导教师签名：设计成绩：日期目录设计题目第1页说明书编写要求第1页设计任务书第2页一、设计方案第3页 TOC o 1-5 h z .换热器的选择第3页.结构设计工艺流程第4页.流动空间及流速的确定第7页 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 二、确定物性数据第7页三、计算总传热系数第8页.热流量第8页.平均传热温差第8页.冷却水用量第8页.总传热系数K第8页四、计算换热面积

2、第9页五、工艺结构尺寸第9页.管径和管内流速第9页.管程数和传热管数第9页.平均传热温差校正及壳程数第10页 TOC o 1-5 h z .传热管排列和分程方法第10页.壳体内径第10页.接管第11页六、换热器核算第11页.热量核算第11页.换热器内流体的流动阻力第13页.换热器主要结构尺寸和计算结果第14页设备结构图附图第15页主要符号说明第15页七、设计评述第16页参考文献第18页评语第29页广西工学院化工原理课程设计说明书设计题目：大豆油换热器的设计说明书编写要求：化工原理课程设计由说明书和图纸两部分组成。设计说明书为打印稿,包括所有论述、原始数据、计算、表格等,设计说明书一般不少于30

3、00字,设计论文任务书装订于说明书的前页,其设计说明书具体书写格式及内容如下:1、标题页2、设计任务书3、目录4、设计方案简介5、工艺流程草图及说明6、工艺计算及主体设备设计7、辅助设备的计算及选型8、设计结果概要或设计一览表9、对本设计的评述10、附图带控制点的工艺流程简图、主体设备设计条件图11、参考文献12、主要符号说明化工原理课程设计任务书设计题目大豆油换热器的设计设计任务、处理量：13000kg/h大豆油、设备型式：列管式U型管换热器、操作条件：a.大豆油：入口温度133C,出口温度40Cb.冷却介质：循环水,入口温度30C,出口温度40Cc.允许压降：不大于105Pa三、设计要求设

4、计一个U型管换热器设计内容包括：a.热力设计b.流动设计c.结构设计d.强度设计3设计步骤：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四、设计原则：传热系数较小的一个,应流动空间较大,使传热面两侧的传热系数接近换热器减少热损失管、壳程的决定应做到便于除垢和修理,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应力.从这个角度来讲,顺流式就优于逆流式.对于有毒的介质或气相介质,必使其不泄露,应特别注意其密封性,密封不仅要可靠,而且应要求方便及简洁.应尽量避免采用贵金属,以降低成本五、课程要求:要求每组成员共同进行查阅资料

5、,在计算、绘图中进行分工合作要求在12月10日前完成说明书的编写和绘图过程要求每人上交一份说明书,每组一分图纸用A1图纸绘制装置图一张：一个设备大图,包含设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏一、设计方案方案简介：列管式换热器称管壳式换热器,是化工生产中应用最为广泛的一种换热设备,结构简单坚固,耐高压,可靠程度高、适应性强,制造材料范围广；单位体积所具有的传热面积大并传热效果好；而且种类多,型号全,制造工艺比较成熟。因此在石油、化工生产中尤其是高温高压等大型换热器的主要结构形式。因此,本次设计就对传热过程所用设备列管式换热器进行一次选型设计。列管式换热器抗结构可分为固定管板式,浮头

6、式、U形管式三种类型。选用时可根据应用条件的不同及各自的优缺点设计适宜的换热器。要设计一个较完善的换热器,除了能满足传热方面的要求外,还力求传热效率高,体积小、重量轻、消耗材料少,制造成本低,清洗维护方便和操作安全等。因此列管式换热器的设计,首先必须根据化工生产工艺条件的要求通过化工工艺计算,确定换热器的传热面积,同时选择管径、管长,决定管数,管程数和壳程数,然后进行机械选型设计。列管换热器选型设计过程已有成熟的资料,具体步骤如下：1根据流体的物性及生产工艺条件的要求,确定流体通入的空间。2确定流体在换热器两端的温度,选择列管换热器的型式。3计算流体的定性温度,确定流体的物性数据。根据传热任务

7、计算热负荷。依对流传热系数a2和a1,确定污垢热阻Rs2和Rsl。再计算总传热系数K计。据总传热系数的经验值范围,或按实际情况,选定总传热系数K选值。通过化工工艺计算，由总传热速率方程Q=KStm初步算出传热面积S,并确定换热器的基本尺寸按系列标准选择设备规格。计算管程、壳程计算初选设备的管、壳程流体的压强降,如超过工艺允许的范围,需调整流速,再确定管程数或折流板间距,或选择另一规格的换热器,重新计算压降直到压强降满足要求为止。以上设计过程还要牵涉到大量公式,其具体计算式子可以参考文献1。换热器的选择：两流体温度变化情况：热流体大豆油的入口温度133,出口温度40；冷流体进口温度30,出口温度

8、40。由于两流体的温度不同,所以使管束和壳体的温度也不一样,因此它们的热膨胀程度也有差别。列管式换热器中,由于冷热两流体温度不同,使壳体和管束的温度也不同。因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温度相差较大时,就可能由于应力而引起设备的变形,甚至弯曲和断裂,或管子从管板上松脱,因此必须采用适当的温差补偿措施,消除或减小热应力。根据采取热补偿方法的不同,列管换热器可分为以下几种主要型式：固定管板式。所谓固定管板式,即两端管板和壳体连接成一体的结构形式,因此它具有结构简单和造价低廉的优点,但壳程清洗困难,因此要求壳方流体应是较清洁且不容易结垢的物料。当两流体的温度差较大时,应考虑热补偿。而具有补

9、偿圈的固定管板式换热器,即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈,当外壳和管束膨胀不同时,补偿圈发生弹性变形,以适应外壳和管束的不同热膨胀。此法适用于两流体温度差小于120c壳程压力小于60Mpm勺场合。U形管换热器。U形管换热器每根管子都弯成U形，管子两端均固定在同一管板上,因此每根管子可以自由伸缩,从而解决补偿问题。这种型式换热器的结构也较简单质量轻,适用于高温和高压的情况。其主要缺点是管程清洗比较困难；且因管子需一定的弯曲半径,管板利用率较差。浮头式的换热器。浮头式换热器两端管板中有一端不与外壳固定连接,该端称为浮头,这样当管束和壳体因温度差较大而热膨胀不同时,管束连同浮头就可在壳体内自由伸缩,

10、而与外壳无关,从而解决热补偿问题。另外,由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接的,因此管束可以从壳体中抽出,便于清洗和检修。所以浮头式换热器应用较为普遍,但结构比较复杂。金属耗量多,造价较高。本设计所需要的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,当两流体的温度差较大时,可以选用U型管换热器。而且它具有结构简单和造价低廉的优点。故本次设计初步确定选用U型管换热器。一般换热器都用金属材料制成,其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外,奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制

11、造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外,有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器,如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。结构设计工艺流程列管式换热器的选用步骤：哪一种流体流经换热器的管程,哪一种流体流经壳程,下列各点可供选择时参考。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。5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。粘度大的

12、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Re100即可达到湍流,以提高对流传热系数。在选择流体流径时,首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求,然后再校核对流传热系数和压强降。本设计以油和循环冷却水作为传热媒介,水走管内,油走壳程,因为水的压强高、循环冷却水较易结垢、需要提高流速。为便于水垢清洗,应使循环水走管程,大豆油走壳程,综合考虑做此选择。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

13、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,还需考虑结构上的要求：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,单程变为多程使平均温度差下降。由于本换热器设计,总热负荷小,不需要太高的对流传热系数,油和水又是液体,再加之平均温度的下降影响了换热,所以在常见流速中选择了0.6m/s。流体两端温度的确定若换热器中冷热流体的温度都由工艺条件所规定,就不存在确定流体两端温度的问题。若其中一个流体仅已知进口温度,则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却某热流体,冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计,而换热器出口的冷水温度

14、,便需要根据经济衡算来决定。为了节省水量,可使水的出口温度提高些,但传热面积就需要加大；为了减小传热面积,则要增加水量。两者是相互矛盾的。本次化工原理课程设计任务书的操作条件给出换热器中冷热流体的温度,因此就不存在确定流体两端温度的问题。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25x2.5mm及19X2mmW种规格的管子。管子的选用可参照GB1511999,由于本设计要求大豆油为传热媒介黏度大,选择25X2.5mm管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清

15、洗,且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m,则合理的换热器管长应为1.5、2、2.5、3、4.5或6m系列标准中也采用这四种管长。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为46。本设计选用4.5m以配合管子的排列和管子数量能满足换热要求。如前所述,管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等。等边三角形排列的优点有：管板的强度高；流体走短路的机会少,且管外流体扰动较大,因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁,适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间,即对流传热系数可以适

16、当地提高。本设计选用等边三角行排列,水对管子的腐蚀程度不高,相对于气体,液体为媒介的换热器更重要的是传热系数高。管子在管板上排列的间距,随管子与管板的连接方法不同而异。通常,胀管法取t=do,且相邻两管外壁间距不应小于6mm即t。本设计采用焊接法连接,所以排列间距取t=32mm管间距。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

17、、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。考虑到选用管子直径小,为了不影响达到换热要求,本设计选用2程。外壳直径的确定换热器壳体的内径应等于或稍大于管板的直径。根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等,一般在初步设计时,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。待全部设计完成后,仍应用作图法画出管子排列图。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材料是很少的。常用的金属材料有碳钢、不锈钢,低合金钢、铜和

18、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。本设计壳体采用碳钢,管程采用碳素钢。碳钢优势在于价格便宜,本设计允许压降不大于105Pa,参照GB15什1999,碳钢完全可以承受。流动空间及流速的确定管径选用625X2.5的较高级冷拔传热管碳钢管，管内流速取U=0.6m/s二、确定物性数据1定性温度：可取流体进口温度的平均值。大豆油沸点150壳程大豆油的定性温度为：T=/2=86.5管程流体的定性温度为：t=/2=35根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据2大豆油在90c下的有关物性数据如下：密度：po=875.2kg/m

19、3定压比热容：cpo=2.052kJ/导热系数：入o=0.150W/粘度：ao=0.00665Pas3循环冷却水在35c下的物性数据：密度：pi=993.95kg/m3定压比热容：Cpi4.174kJ/导热系数：入i=0.626W/粘度：=0.0007225Pas三、计算总传热系数.热流量Q=mCpoAto=13000X2.052X=2.48x106kJ/h=689t1 - t2 tm=I-lnt2.平均传热温差:=(133-40)-(40-30)=37.2,133-40ln40-30.冷却水用量：Qo2480000W=59415Cpiti4.174(4030).总传热系数K:管程传热系数：R

20、e二外=0935=165090.0007225=4.82cPii4.1741037.225104Pri=0.626ai=0.023JReTPri0de0.6260.8=0.023 0.024.174 103 7.225 102=3196W/壳程传热系数：2假设壳程的传热系数：ao=290W/；污垢热阻：R=0.00034394m2-C/W,2Ro=0.00051590m-C/W管壁的导热系数入=45W/VR2C0.0250.025-0.00034394 3196 0.020.0210.0025 0.025 0.00059-J45 0.02290=206W/vmC四、计算传热面积cQo68900

21、0ccc2S=89.9Ktm20637.2假设考虑15%的面积裕度，则：S=1.15XS=1.15X89.9=103.4五、工艺结构尺寸.管径和管内流速：选用625X2.5传热管,20.7850.020.020.6diu4按单程管计算，所需的传热管长度为L=S=1034=15dons3.140.02588按U型管的设计方案，应该是二管程，所以有l=L/N=15/2=7.5mU型管弯管段的弯曲半径：U型管弯管段的弯曲半径R应不小于两倍的换热管外径，常用换热器的最小弯曲半径Rmin可按GB151-1999选取，当d=25mrm寸，取Rmin=50mm2换热管的材料根据国家标准选取，管子的选用参照G

22、B15-1999选择，查得管壁厚度为2mm传热管总根数：N=88X2=1764g.平均传热温差校正及壳程数：平均传热温差校正系数R噜琮=9.3C4030P=0.09713330按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10在点在图上难以读出因而相应以1/R代替RPR代替P,查同一图线,可得小At=0.97平均传热温差：Atm=)AtAtm=0.97X37.2=36.1.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。取管心距：t=1.25do则t=1.25X25=31.25=32横过管束中心线的管数：nc=1.1JN=1.17176=14/B.壳体内径：采用多管程结

23、构，取管板利用率“=0.7,则壳体内径为D=1.05tN/=1.0532.176/0.7=533圆整可取D=600mm.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=0.25X600=150故h取150mm!取折流板间距B=0.3D,则B=0.3X600=180mm，可取B为200mm传热管长折流板数NB =折流板间距70002001 = 34块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=0.5m/s,则接管内径为d=4V=413000/(3600875.2)=0.i67m,u.3.140.5则取标准管径为167mm管程流体进出

24、口接管：取接管内循环水流速u=2.0m/s,则接管内径为d=|亚=，459436/(3600993.95)=o103m,u,3.142取标准管径为103mm.六、换热器核算.热量核算：壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式o0.551/3Uo0.14ao=0.36ReoPrdeuw当量直径，由正三角形排列得4(坐一子封)4(./二N_60,0322-x0.0253)2314x0025-0.020壳程流通截面积:So=BD=0.10t0.50(10025)=0.01090.032壳程流体流速及其雷诺数分别为uo=13000/(3600875.2)=0.378m/s0.01090.020.

25、378875.2,Reo=9950.00665普兰特准数2.0521030.00665Pr=90.970.15粘度校正ao=0.360159955590.971/3=541W/0.02管程对流传热系数3522官程流通截面积S=0.7850.020.02=0.02764管程流体流速：59436/(3600993.95)U=()=0.602m/s0.0276Rei=16564 TOC o 1-5 h z 344、/庄兴/r44.174107.22510.昔二特准数Pr=4.820.626ai=0.02306260.80.4=3205W/0.02传热系数K0.0253205 0.020.000343

26、950.0250.020.0025 0.02545 0.020.00051591320=221W/传热面积:S=QK tm6890002=86.36221 36.1该换热器的实际传热面：2Sp=doL(Nne)=3.140.025=93.63该换热器的面积裕度为：H=S-S100%=/86.36=8.4%S传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务.2.换热器内流体的流动阻力管程流动阻力：EAP=FtNNpN=1,Np=4,Ft=1.4由Re=16564，传热管相对粗糙度0.01/20=0.005,根据公式Ai=0.1000.01/20+68/Re0.23=0.034W/,流速：u=0.602

27、m/s,p=993,95kg/m3,所以0.0344.50.020.6022 993.952=1461.4 PaP20.602 2 993.952=540.3Pa5-P(1461.4540.3)1.44=11209.5Pa10Pa管程流动阻力在允许范围之内。壳程阻力EAPo=FtNNs=l,Ft=l流体流经管束的阻力：RFfnc(NB2Uo1F=0.5 ;NB=88 ; uo=0.378fo59950.228=1.0363;nc14;ocAP/=0.51.036314X88+1875.250.3782/2=40370Pa105kPa壳程流动阻力也比较适宜03.换热器主要结构尺寸和计算结果换热器

28、主要结构尺寸和计算结果见表2-130对流传热系，W/m-K3205541污垢系数,m2K/W0.000343950.00051590阻力降，MPa0.0103410.005054程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格625X2.5管数：176管长,mm:7500管间距,mm32排列方式正三角形折流板型式上下间距,mm100切口高度：25%壳体内径,mm500保温层厚度,mm设备结构图附图主要符号说明英文字母B折流板间距，mC本数,无里纲，P-压降，Pa;Q热负荷,w；R-热阻，nfCW因数；Re雷诺准数；S传热回积,n；t冷流体温度，C；管心距，m；T-热流体温度，c;u流速,m/s；W质里流里

29、，Kg/sPr普朗特系数；b-板厚,mmK总彳t热系数，W/m2C；d-管径,m；D换热器外壳内径，”Wb-煤油处理量，kg/s;f摩擦系数；F一系数；h圆缺高度，m;L管长度，m;m程数；n指数；管数；程数；N管数;p压力，Pa;因数；q热通量，W/m2;Q-一传热速率，Wr半径,m;汽化潜热，KJ/Kg。希腊字母对流传热系数W/;有限差值;-粘度，Pa s;校正系数。热流体;平均； 污垢。导热系数,W/;密度，kg/m3;下标C-冷流体；hi管内；mo管外；s七、设计评述列管式换热器,具有结构简单、紧凑、布管多,管内便于清洗,更换、造价低的特点。适用于壳程介质清洁,不易结垢,管程需清洗以及

30、温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。本文提出的换热器的设计,在工艺设计上考虑了传热系数、管壳程压降等对换热器设计的影响,同时对管壳式大豆油冷却器的结构及相关的技术参数进行了设计和计算虽然所列公式繁多,但严格按照化工原理的公式计算,能满足设计要求,符合有关技术规范。根据换热器的特性,比较散热结构、材料确定了大豆油冷却器结构形式设计方案。计算大豆油冷却器传热部分如传热系数、平均温度等,以及校核相关设计参数。根据设计参数和传热计算数据确定了大豆油冷却器具体结构尺寸,如壳程数、壁厚、管束数、内径、管长、折流板数、折流板间距等。回顾本次设计的整个过程,以及我们的设计成果,现总结如下：首先,从设计的

31、过程和结果来看,我认为本次设计的工艺计算、选型过程是严谨的、合理的；所选换热器的型号、结构也能满足工艺的要求,基本上达到了设计任务的要求。其次，从校核的结果来看,管程的压力降为0.4MPa,是合理的,可用的。而壳程的压力降0.3MPa在经验值的范围内似乎略显大了些；究其原因,可能是由于壳程流体的流速选择偏大的缘故,但考虑到实际流速在可造经验值的范围内,所以也认为是可用的。最后,通过这次课程设计,培养了我们的独立思考、工作的能力,使我们初步了解和掌握了一些有关化工设计方面的基础知识,受到一次化工设计技能方面的基本训练。因此,从始至终,不论是查文献、计算、还是绘图,大家的积极性始终高涨,大家一致认

32、为,通过设计不仅学到了知识、技能,而且还充满了乐趣。这也是学院安排课程设计的目的所在。从设计结果可看出,冷却水出口温度不同,若要保持总传热系数,温度越大、换热管数越多,折流板数越多、壳径越大,这主要是因为水出口温度增高,总的传热温差下降,所以换热面积要增大，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本次设计所选的列管式换热器及工艺流程符合设计要求。设计过程中,我们除了考虑换热器的处理量和换热效果外,也考虑了生产成本。如在选择板材时,有多种材料可供选择,但我们考虑到碳钢来源方便,而且价格相对便宜,就选择了碳钢。我们明白实际生产中还要考虑很多因素,所以设计还存在一些缺陷。通过对列管式换热器的设计,我们懂得了工艺设计的基本方法。了解了如何根据设计要求确定工艺设备,并学会了如何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,主要设备及计算出主要设备及辅助设备的各项工艺参数及数据,经过计算核算是否满足设计要求。设计中,我们查阅了许多关于换热器的资料,不但