煤油换热器课程设计

1、PAGE PAGE 19煤油换热器设计任务书一、设计题目： 煤油 换热器设计二、设计任务及操作条件1、 设计任务：生产能力（进料量） 2.6928104 吨年操作周期 7920 小时年2、 操作条件煤油：入口温度 100 出口温度 40 冷却介质：自来水入口温度 30 出口温度 50 允许压强降： 不大于5105Pa 3、 设备型式 列管式换热器 4、 厂 址 信阳 三、设计内容：1、设计方案的选择及流程说明2、工艺计算3、主要设备工艺尺寸设计 （1）冷凝器和再沸器结构尺寸的确定 （2）传热面积、两侧流体压降校核 （3）接管尺寸的确定4、换热器机械设计计算5、设计结果汇总6、工艺流程图及换热器

2、装配图7、设计评述三、参考资料目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc335921648 一、前言 PAGEREF _Toc335921648 h 1 HYPERLINK l _Toc335921649 二、设计任务 PAGEREF _Toc335921649 h 4 HYPERLINK l _Toc335921650 三、设计条件 PAGEREF _Toc335921650 h 4 HYPERLINK l _Toc335921651 四、设计方案 PAGEREF _Toc335921651 h 4 HYPERLINK l _Toc335921652 1.流径的

3、选择 PAGEREF _Toc335921652 h 4 HYPERLINK l _Toc335921653 2.材质的选择 PAGEREF _Toc335921653 h 5 HYPERLINK l _Toc335921654 3.管程结构的选择 PAGEREF _Toc335921654 h 5 HYPERLINK l _Toc335921655 4.选择换热器的类型 PAGEREF _Toc335921655 h 6 HYPERLINK l _Toc335921656 5.流动空间及流速的确定 PAGEREF _Toc335921656 h 6 HYPERLINK l _Toc33592

4、1657 6.确定物性参数 PAGEREF _Toc335921657 h 6 HYPERLINK l _Toc335921658 五、工艺计算 PAGEREF _Toc335921658 h 6 HYPERLINK l _Toc335921659 1.估算换热面积 PAGEREF _Toc335921659 h 6 HYPERLINK l _Toc335921660 2.管径和管内流速 PAGEREF _Toc335921660 h 8 HYPERLINK l _Toc335921661 3.管程和传热管数 PAGEREF _Toc335921661 h 8 HYPERLINK l _Toc

5、335921662 4.平均传热温差校正及壳程数 PAGEREF _Toc335921662 h 8 HYPERLINK l _Toc335921663 5.传热管的排列和分程方法 PAGEREF _Toc335921663 h 8 HYPERLINK l _Toc335921664 6.壳体内径 PAGEREF _Toc335921664 h 8 HYPERLINK l _Toc335921665 7.折流板 PAGEREF _Toc335921665 h 9 HYPERLINK l _Toc335921666 8.接管 PAGEREF _Toc335921666 h 9 HYPERLINK

6、 l _Toc335921667 9.换热器核算 PAGEREF _Toc335921667 h 9 HYPERLINK l _Toc335921668 六、工艺计算一览表 PAGEREF _Toc335921668 h 12 HYPERLINK l _Toc335921669 七、换热器机械设计 PAGEREF _Toc335921669 h 13 HYPERLINK l _Toc335921670 1.换热器壁厚设计与液压试验 PAGEREF _Toc335921670 h 13 HYPERLINK l _Toc335921671 2.封头 PAGEREF _Toc335921671 h

7、14 HYPERLINK l _Toc335921672 3.管板 PAGEREF _Toc335921672 h 14 HYPERLINK l _Toc335921673 4.容器法兰 PAGEREF _Toc335921673 h 14 HYPERLINK l _Toc335921674 5.接管尺寸 PAGEREF _Toc335921674 h 14 HYPERLINK l _Toc335921675 6.接管法兰 PAGEREF _Toc335921675 h 15 HYPERLINK l _Toc335921676 7.管子拉脱力的计算 PAGEREF _Toc335921676

8、h 15 HYPERLINK l _Toc335921677 8.计算是否安装膨胀节 PAGEREF _Toc335921677 h 16 HYPERLINK l _Toc335921678 9.折流板 PAGEREF _Toc335921678 h 16 HYPERLINK l _Toc335921679 10.拉杆 PAGEREF _Toc335921679 h 17 HYPERLINK l _Toc335921680 11.离心泵的选取 PAGEREF _Toc335921680 h 17 HYPERLINK l _Toc335921681 12.结构设计一览表 PAGEREF _Toc

9、335921681 h 17 HYPERLINK l _Toc335921682 八、设计总结 PAGEREF _Toc335921682 h 18 HYPERLINK l _Toc335921683 九、参考文献 PAGEREF _Toc335921683 h 18 HYPERLINK l _Toc335921684 十、主要符号说明 PAGEREF _Toc335921684 h 19十一、附图一、前言换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、

10、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却

11、。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热

12、器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所

13、具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器

14、。1.固定管板式换热器这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，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大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。2.U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点

15、是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。 3.浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。 4.填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所

16、示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。二、设计任务（1）处理能力：2.6928104吨/年煤油（2）设备型式：列管式换热器三、设计条件 （1）煤油：入口温度：100 出口温度：40（2）冷却介质：自来水入口温度：30 出口温度：50（3）允许压降：不大于5105Pa （4）工作压力：1

17、.2106 Pa四、设计方案1.流径的选择 在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失；管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。参考标准：(1)不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。(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，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。(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。(

18、5)被冷却的流体宜走壳程，便于散热，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，宜走壳程，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。(8)若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。综合考虑以上标准，确定煤油应走壳程，水走管程。2.材质的选择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

19、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。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，但价格高且稀缺，因此选用碳钢和低合金钢。3.管程结构的选择换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。 (a) 正方形直列 （b）正方形错列 (c) 三角形直列 （d）三角形错列 （e）同心圆排列 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。 4.

20、选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体（煤油）进口温度100，出口温度40；冷流体（自来水）入口温度30，出口温度50。两流体的定性温度：煤油T=（100+40）/2=70自来水T=(30+50)/2=40流体温差T1-T2=70-40=3050选用列管式换热器，膨胀节按照后面机械计算的结果选取。5.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，应使水走管程，煤油走壳程的碳钢管，选用的碳钢管，管内流速取 6.确定物性参数 物性流体定性温度密度粘度Pas导热系数W/(m)比热容KJ/(Kg)煤油708250.0008660.1402.22自来水409920.0006940.63

21、44.17五、工艺计算1.估算换热面积1.1计算总传热系数 煤油的质量流量：热流量：平均传热温差：冷却水用量: 总传热系数K 其中, 管程对流传热系数：（其中被加热介质n=0.4) 自选壳程传热系数 ，碳钢的导热系数污垢热阻 1.2计算换热面积考虑15%的面积裕度2.管径和管内流速选用252.5mm的碳钢管，管内流速取u=0.5m/s3.管程和传热管数 按单程管计算，所需的传热管长度为 按单管程设计，传热管过长，现取管长为6m，则（管程）则传热管数总根数4.平均传热温差校正及壳程数平均温差校正系数计算如下： 按2壳程6管程，查表由得：平均传热温差由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体

22、流量较大，故取2壳程合适。5.传热管的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，隔板两侧采用正方形排列。取管心距=1.25d,则t=1.25 横过管束中心线的管数6.壳体内径计算的到的壳体直径应按换热器的系列标准进行圆整。可取D=400mm。7.折流板 采用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，故可取h=140mm。取折流板间距，则,取B为120mm折流板圆面缺水平安装。8.接管 壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为 ，接管内径为 ，圆整后可取管内径为40mm。管程流体进出口接管：取接管内流体流速为 ，则接管内径为，圆整后可取管内径为40mm。9.换热器核算9

23、.1校核传热面积9.1.1壳程对流传热系数管子按正三角形排列，传热当量直径为壳程流通截面积 壳体流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数黏度校正则壳程传热膜系数9.1.2管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速和雷诺数分别为普朗特数管程传热膜系数 9.1.3总传热系数K 9.1.4传热面积校核 实际传热面积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。9.2流动阻力校核9.2.1管程阻力由，传热管相对粗糙度0.005，参考图双对数坐标图得 ，流速 ， ，所以 管程流体阻力在允许范围之内。9.2.2壳程阻力按下式计算其中流体流经管束的阻力 ，折流板数，则流体流过折流板缺口的阻力,其中

24、 ，则 总阻力 该换热器的管程与壳程压降均满足要求，设计的换热器合适。六、工艺计算一览表附表1 换热器主要结构尺寸和计算结果壳体内径/mm400台数1管径/mm252.5管心距/mm32管长/mm6000管子排列正三角形管数目/根72折流板数/个49传热面积/m229折流板间距/mm120名称管程壳程物料名称自来水煤油操作温度30/50100/40流体密度992825流量Kg/h63433398对流传热系数2690402.9流速/（m/s）0.4710.109污垢热阻/(m2*/W）0.0003440.000172阻力/Pa221763340程数62热流量/KW146.94总传热系数/W/m2

25、*277使用材料碳钢七、换热器机械设计1.换热器壁厚设计与液压试验筒体选择热轧碳素钢Q235-B，则 =113MPa，pc =1.1pw=1.11.2=1.32 MPa用双面焊缝则 n=+C1+C2钢板厚度负偏差钢板厚度，mm22.22.52.8 QUOTE 3.03.2 QUOTE 3.53.8 QUOTE 4.04.5 QUOTE 5.5负偏差，mm0.180.190.20.220.250.30.5钢板厚度，mm6 QUOTE 78 QUOTE 2526 QUOTE 3032 QUOTE 3436 QUOTE 4042 QUOTE 5052 QUOTE 60负偏差，mm0.60.80.91

26、.01.11.21.3C1=0.22mm,C2=1mmn=+C1+C2=2.8+0.22+1=4.02 圆整后取n=5mm有效厚度e=nC1C2=510.22=3.78mm液压试验 常温下材料屈服强度为235MPa, 故校核成功。2.封头封头材料选用Q235-C采用标准椭圆形封头（a/b=2） K=1C1=0.22mm, C2=1mmn=+C1+C2=2.67+0.22+1=3.98 圆整后取 n=5mm封头总高 ( )根据JB/T4746-2002选择DN=4001mm，直边高度25mm，曲面高度100mm，厚度。 3.管板固定管板式，壳体与管板采用焊接型式,管板兼作法兰。管板材料为16Mn

27、，管板型号如下：PNDNDD1D2 D3D4d螺栓规格螺栓数量1.6MPa400mm530mm490mm455mm445mm442mm36mm23mmM20204.容器法兰选择甲型平焊法兰（JB/T4701-2000）PN=1.6MPa，DN=400mm t=36mm 法兰强度校核： 查甲型法兰最大允许工作压力表在温度小于200 时，16MnR的工作压力是1.6MPa，符合要求，故选择16MnR。采用耐油石棉橡胶垫板，JB/T5395.接管尺寸5.1 壳程接管由工艺计算得：壳程接管内径Di=0.0388mm,取公称直径DN=40mm,公称压力PN=1.6Mpa,查JB/T4736-95,接管伸

28、出长度为100mm,接管尺寸为453.5。5.2管程接管由工艺计算得：壳程接管内径Di=0.0388mm,取公称直径DN=40mm,公称压力PN=1.6Mpa,查JB/T4736-95,接管伸出长度为100mm,接管尺寸为453.5。6.接管法兰 采用板式平焊法兰（HG20592），法兰选择如下：参数管程接管DN=40mm壳程接管DN=40mm法兰外径150mm150mm螺栓孔中心圆直径110mm110mm螺孔(18mm)M16M16法兰厚度C18mm18mm法兰内径 QUOTE 49.5mm49.5mm7.管子拉脱力的计算（1）在操作压力下，管子每平方米胀接周边所受到的力 其中， 胀接长度

29、（2）温差应力导致管子每平方米周边所受到的力 其中，壳壁横面截面积 换热管总横面截面积 则 由条件知， 与 的作用方向相同，都使管子受压，则拉托力故拉托力在许用范围。8.计算是否安装膨胀节管壳温差所产生的轴向力管子选用20钢， 胀接长度 压力作用在壳体上的轴向力其中， 则 压力作用在管子的轴向力 则 根据GB151-1999管壳式换热器 故不需安装膨胀节9.折流板用弓形折流板，取折流板间距120mm,折流板数为49,切口尺寸h为140mm,查表得折流板尺寸3973，材料选Q235-A钢。10.拉杆 拉杆选用10，共6根，材料选Q235-AF钢。11.离心泵的选取煤油的体积流量 自来水的体积流量

30、查表选取IS50-32-125型离心泵。12.结构设计一览表附表2 换热器主要结构设计一览表壳体厚度mm材料5Q235-B封头厚度mm材料型式5Q235-B标准椭圆形封头管板厚度mm材料型式3616Mn兼作法兰法兰厚度mm材料3616MnR接管管程接管内径mm尺寸mm40453.5壳程接管内径mm尺寸mm40453.5接管法兰管式平焊法兰折流板材料尺寸mmQ235-A2393拉杆尺寸mm数量材料106Q235-AF离心泵IS50-32-125型八、设计总结回想在过去两周的设计过程中，我们收获了许多。这次化工原理课程设计是我们在大学三年学习中第一次真正意义上的工程性设计实习，我们要在规定时间内完成老师给定的生产任务，与以往学习所不同的是这次任务考虑的更多的是生产实用性，工程可行性以及性能最大化。本次设计任务是完成规定产量的列管式换热器，从前期计算到其他