《材料工程基础》课程设计列管式换热器-煤油处理能力20×104吨年换热器设计

南京工业大学《材料工程基础》课程设计设计题目：列管式换热器—煤油处理能力20×104吨/年专业：高分子材料班级：姓名：学号：日期：2011/06/20-2011/07/01指导教师：设计成绩：列管式换热器设计任务书（一）设计题目列管式换热器设计——煤油处理能力20×103吨/年（二）设计任务及操作条件1、处理能力列管式换热器设计——煤油处理能力吨20×103/年2、设备型式列管式换热器3、操作条件（1）釜残液：煤油，入口温度102℃，出口温度40℃（2）冷却介质：井水，入口温度18℃，出口温度32℃（3）换热器的管程和壳程压强降：不大于105Pa（4）煤油平均温度下的物性参数：名称（kg/m3）Cp(kJ/㎏.℃)）(W/m.℃)煤油9864.19×10-3表1—1（5）每年按300天计算，每天24h连续运行（三）设计要求及内容（1）根据换热任务和有关要求确认设计方案（2）初步确认换热器的结构和尺寸（3）核算换热器的传热面积和管,壳程流体阻力（4）确认换热器的工艺结构（5）绘制列管式换热器的工艺流程图及主体设备工艺图目录一.设计方案简介………………………....41.2列管式换热器二.热量设计…………………72.1.初选换热器的类型三.、的校核………………………..………….…..8四.壁温核算………………...11五．压降差的校核…………………………12六．工艺结构设计…………………………146.3.其他附件七.辅助设备的计算择…………………...167.1．接管计算7.2．泵的选择．八.设计结果表汇…………………….…….18九．主要符号说明…………………….……19十．小结…………………………20十一．工艺流程图与设备图…………….……….………21十二.参考文献..………………….…..…….22注：（工艺流程图和设备图见附图）一设计方案简介1.1．换热器的概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。换热器广泛应用于机械、动力、运输、空调、制冷、低温、热量回收、替代燃料和制造领域中，其性能的每一点提高都意味巨大的经济与社会效益。换热器设计是一个复杂而艰辛的过程，它不仅仅是确定一个或者多个可行的解决方案，还要求确定最可能的或接近最优的设计方案。本书详细介绍和应用传热学、流体力学、热力学和微积分学基础课程的基本概念，以拓展换热器理论基础。介绍和应用换热器设计技术，以解决工业实践中遇到的换热器实际问题。本书可作为热工基础理论知识与工业热工设计实践之间的纽带，适用于在职工程师和在校大学生研究生学习及工程应用。换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛。间壁式换热器的类型也是多种多样的，从其结构上大致可以分为管式换热器和板式换热器。管式换热器主要包括蛇管、套管和列管式换热器；板式换热器主要包括型板式、螺旋板式和板壳式换热器。1.2．列管式换热器列管式换热器又称管壳式换热器，在化工生产中被广泛应用。它的结构简单、坚固、制造较容易，处理能力大，适应性能，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中使用更为普遍。U形管式每根管子都弯成U形，两端固定在同一个管板上，因此，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。这种结构较简单，质量轻，适用于高温高压条件。其缺点是管内不易清洗，并且因为管子要有一定的弯曲半径，其管板利用率较低。图1-1U形管式换热器的示意图浮头式浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通。图1-2浮头式换热器的示意图固定管板式固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性形变，以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简便，但不宜用于两流体温度差太大和壳方流体压强过高的场合。图1-3固定管板式换热器的示意图二热量衡算两流体的温度变化情况如下：（1）煤油：入口温度102℃，出口温度40℃；（2）冷却介质：自来水，入口温度18℃，出口温度32℃（自定）；该换热器用循环冷却自来水进行冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考略到这一因素，估计所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，需考虑热膨胀的影响，相应地进行热膨胀的补偿，故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器。2.2．确定物性参数定性温度：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。壳程流体（煤油）的定性温度为：管程流体（硬水）的定性温度为：根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。密度/（㎏/m3）比热容/（kJ/kg•℃）粘度/（Pa•s）导热系数/（W/m•℃）煤油986水(25℃)997(1).煤油的流量已知要求处理能力为吨煤油每年（每年按300天计，每天24小时连续运行），则煤油的流量为：----热流体的流量，kg/h；(2).热负荷由以上的计算结果以及题目已知，代入下面的式子，有：Q=Cph(T1-T2)=27750kg/h×℃×（102-40）℃=W(3).平均传热温差计算两流体的平均传热温差TC"平均传热温差"\fC，暂时按单壳程、多管程计算。逆流时，我们有 煤油：102℃→40℃ 水：30℃←20℃从而=℃此时P=R=由图4-25（参见化学工业出版社的《化工原理（第四版）》147页，可查得：﹥0.8，所以，故可选用单壳程的列管换热器。(4).冷却水用量 由以上的计算结果以及已知条件，很容易算得：Q==kg/h(5).总传热面积的估算初选传热系数的值范围是290~698,假设=530传热面积：三以及的校核项目数据项目数据壳径D(DN)800mm管尺寸φ25mm×2mm管程数Np（N）6管长（L）3000mm管数n322管排列方式三角形排列传热面积表3-1==m2===464W/m2•℃αi：====（）（）===Re1=Pr1=αi=2•kαo换热器中心附近管排列中流体流通截面积为：==煤油的流量为流速为：===0.1491m/s正三角形排列可知：当量直径：==Re2=Pr1=Re2在2000-1000000范围内，故用以下公式：=0.95（由于液体被冷却）6=1945W/m2•k污垢热阻：Rsi2℃/WRso=0.000172m2℃/W管壁的导热系数：=45m2℃/WW/m2•kW/m2•℃W/m2•k，故裕量为：H==24.4%表明该换热器负荷要求。四壁温核算核算壁温时，一般忽略管壁热阻，按以下公式计算：112=αi2•k，=2502W/m2•k===71-40=30与假设基本一致，符合条件，不需要热补偿装置。五压降差校核5.1．1管程流动阻力管程压力降的计算公式为：Re=20976>10000，为湍流，传热管相对粗糙度为查流速,,所以管程流动阻力在允许范围之内。5.1.2壳程流动阻力壳程压力降埃索法公式为：式中——流体横过管束的压力降，Pa；——流体通过折流挡板缺口的压力降，Pa；Fs——壳程压力降的垢层校正系数，对液体Ft=1.15；Ns——壳程数；其中，，，,F——管子排列方法对压力降的校正系数，对正三角形排列，F=0.5，对正方形斜转45o排列，F=0.4，正方形排列，F=0.3;fo——壳程流体的摩擦系数，当Re﹥500时，nc——横过管束中心线的管子数，对正三角形排列ncNB——折流挡板数代入数值得：其中,，D——壳径，mB——折流挡板间距，m代入数值得：经过以上的核算，我们发现，管程压力降和壳程压力降都符合要求。六工艺结构设计设置折流板的目的是为了提高流速，增加湍动，改善传热，在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常用的有弓形折流板和圆盘-圆环形折流板，弓形折流板又分为单弓形、双弓形、三重弓形等几种形式。单弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h为壳体公称直径Dg的15%～45%，最好是20%，见图1-22（a）；在卧式冷凝器中，折流板底部开一90°的缺口，见图1-22（b）。高度为15～20mm，供停工排除残液用；在某些冷凝器中需要保留一部分过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头，这时可采用堰的折流板。在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一部分液体停滞起来，形成对传热不利的“死区”。为了消除这种弊病，宜采用双弓形折流板或三弓形折流板。从传热的观点考虑，有些换热器（如冷凝器）不需要设置折流板。但为了增加换热器的刚度，防止管子振动，实际仍然需要设置一定数量的支承板，其形状与尺寸均按折流板一样来处理。折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离。由于换热器是功用不同，以及壳程介质的流量、粘度等不同，折流板间距也不同，其系列为：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。允许的最小折流板间距为壳体内径的20%或50mm，取其中较大值。允许的最大折流板间距与管径和壳体直径有关，当换热器内流体无相变时，其最大折流板间距不得大于壳体内径，否则流体流向就会与管子平行而不是垂直于管子，从而使传热膜系数降低。折流板外径与壳体之间的间隙越小，壳程流体介质由此泄漏的量越少，即减少了流体的短路，使传热系数提高，但间隙过小，给制造安装带来困难，增加设备成本，故此间隙要求适宜。折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，见表6.1-1所列数据。表6.1-1折流板厚度/mm壳体公称内径/mm相邻两折流板间距/mm≤300300～450450～600600～750＞750200～2503561010400～70056101012700～100068101216＞1000610121616支承板厚度一般不应小于表6.1-2(左)中所列数据。 支承板允许不支承的最大间距可参考表6.1-2（右）所列数据。壳体直径/mm＜400400～800900～1200管子外径/mm19253857支承板厚度/mm6810最大间距/mm1500180025003400根据D=800mm，可以查的折流板厚度为8mm支撑板厚度为8mm折流板数为—1=9块在保证大于或等于所给的总截面积的前提下，拉杆的直径和数量可以变动，但其直径不得小于10mm，数量不得小于4根。根据=25mm，所以拉杆直径为16mm；拉杆数量拉杆直径公称直径mm<400>400

《700104612441644根据公称直径D=700mm，取6根拉杆，定距管依拉杆定。第七章辅助设备的计算和选择7.1.1.井水接管（设计工作压力为0.5MPa）==1.68m/s取(1.2-1.4)U===162mm查化工原理书可得，取的普通无缝钢管，经校核满足要求。7.1.2.煤油接管（设计工作压力为0.3MPa）==0.2m/s取(1.2-1.4)U===223mm同理可得的普通无缝钢管，经校核满足要求。7.1.3.补水管道（设计工作压力为0.4MPa）U=1m/s==99mm取DN=100mm取，均采用离心泵7.2.1..输水泵，水的实际流量/s（/s出口流速u==扬程H=雷诺数Re==取，查莫迪图知W/m.℃伸长管为5m，底阀全开，，2个90度弯头，计算阻力损失为：=总的扬程故采用离心泵的型号为IS80-65-160.，,u=1m/s扬程H=取压头损失总的扬程采用离心泵的型号为IS80-50-200；7.2.3.输油泵流速扬程H=雷诺数Re==取，查莫迪图知W/m.℃伸长管为5m，底阀全开，，2个90度弯头，计算阻力损失为：=总的扬程采用离心泵的型号为IS80-50-200.八设计结果表汇换热器主要结构尺寸和计算结果表参数管程壳程进、出口温度，℃18/32102/40压力，Pa17487993流量，kg/s物性物性温度，℃2571密度，kg/m3997986定压比热容，kJ/（kg•℃）粘度，Pa•s热导率，W/m•℃结构参数形式管板式换热器壳程数1壳体内径，mm450台数1管径，mmφ25×2管心距，mm32管长，mm3000管子排列△管数，根430折流板数，个9传热面积，m2折流板间距，mm300管程数6材质碳钢主要计算结果管程壳程流速，m/s污垢热阻，m2℃/W热流量，KW1102传热温差，℃31传热系数，W/(m2K)567面积裕度/%24.4%九主要符号说明主要参数见下表：十小结为期10天的课程设计将要结束了。在这两周的学习中，我学到了很多，也找到了自己身上的不足。感受良多，获益匪浅。

在短短的两周里，从一开始什么都很模糊，到后来与同学的讨论，再进行整个流程的计算，其中经过了反复的修改与订正，再到对工业材料上的选取论证以及后期的设计报告及流程图的绘制，我深深的