管式换热器(煤油冷却器)的设计

课程设计课程名称化工原理课程设计题目名称煤油冷却器的设计专业班级09级生物工程（2）班学生姓名学号指导教师孙兰萍二O一一年十二月二十日-1-1设计任务书1.1设计题目煤油冷却器的设计1.2设计任务及操作条件（1）处理能力:M104t/Y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30℃，出口温度40℃。③允许压降：不大于105Pa。④煤油定性温度下的物性数据：3/825mkgC；sPaC41015.7；pCc＝2.22kJ/(kg.℃)；C＝0.14W/(m.℃)⑤每年按330天计，每天24小时连续运行。（4）建厂地址天津地区1.3设计要求试设计一台适宜的列管式换热器完成该生产任务。1.4工作计划1、领取设计任务书，查阅相关资料（1天）；2、确定设计方案，进行相关的设计计算（2天）；-2-3、校核验算，获取最终的设计结果（1天）；4、编写课程设计说明书（论文），绘制草图等（1天）。1.5设计成果要求1、通过查阅资料、设计计算等最终提供课程设计说明书（论文）电子稿及打印稿1份，并附简单的设备草图。2、课程设计结束时，将按以下顺序装订的设计成果材料装订后交给指导教师：（1）封面（具体格式见附件1）（2）目录（3）课程设计任务书（4）课程设计说明书（论文）（具体格式见附件2）（5）参考文献（6）课程设计图纸（程序）1.6几点说明1、本设计任务适用班级：09生物工程（本）2班（其中：学号1-15号，M=15；学号16-30号，M=25；学号31-46号，M=40）；2、课程设计说明书（论文）格式也可参阅《蚌埠学院本科生毕业设计（论文）成果撰写规范》中的相关内容。指导教师：教研室主任：系主任：-3-2确定设计方案2.1选择换热器的类型两流体的温度变化情况：热流体即煤油的进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体即循环水进口温度30℃，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，因此初步确定选用列管式换热器。2.2流动空间及流速的确定在管内空间得到较高的流速并不困难，而流速高，悬浮物不易沉积，且管内空间也便于清洗。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Ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=1.5m/s。3确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取进出口温度平均值。故壳程油的定性温度为)(90240140CT管程流体的定性温度为Ct3524030根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。油在90℃下的有关物性数据如下：密度3/825mkgc粘度sPac41015.7定压比热容)/(22.2CkgkJCpc-4-导热系数)/(14.0CmWc循环冷却水再35℃下的物性数据如下：密度3/994mkgi定压比热容)/(08.4CkgkJCpi导热系数)/(626.0CmWi粘度sPai000725.04计算总传热系数4.1热流量hkgYt/05.50505/10404)(1.3111/1012.1)40140(22.205.505057kWhkJtcmQcpcc4.2平均传热温差先按纯逆流计算（一般逆流优于并流，在工程上若无特殊需要，均按逆流考虑）Ctttttm39304040140ln)3040()40140(ln'21214.3冷却用水量)/(274509)3040(08.411200000hkgtCQipiCi-5-5估算传热面积由于壳程气体压力较高，故选取较大的K值。假设K估=315W/(m2.K)，则估算的传热面积为：)(2.2533931510001.31112'mtKQSm考虑到25%的面积裕度，)(8.3032.25320.1')20.01(2mSS6工艺结构尺寸6.1管径和管内流速选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速smui/5.1。我国国标换热器中常见的换热管规格有以及流速的选择应使流体处于稳定的湍流状态，即雷诺数大于10000。对于传热热阻较大的流体或易结垢的流体选取较大流速，以利于增加表面传热系数，降低结垢程度与速度。并要考虑合适的流速下，换热器有适当的管长和管程数。mmmm219mmmm5.225-6-6.2管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数)(1639.1625.102.0785.0)3600994(274509422根udVnis按单程管计算，所需的传热管长度为)(7.23163025.014.38.303mndSLsc按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标准设计，现取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为)(377.23管程lLNp传热管总根数)(4893163根N6.3平均传热温差校正及壳程数平局传热温差校正系数091.030140304010304040140PR按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关突图表。但10R的点在图上难以读出，因而相应以R1代替R，PPR代替，查同一图线，可得82.0t-7-平均传热温差)(323982.0'Cttmtm由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。6.4传热管排列和分程方法对于多管程换热器，常采用组合排列方式。各程内采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方法。故拟采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧用正方形排列取管心距cdt25.1，则)(3225.312525.1mmt横过管束中心线的管数)(2748919.119.1根Nnc）（mm2262ts-8-各程相邻管的管心距为44mm。6.5壳体内径采用多管程结构，壳体内径可由下式估算。取管板利用率7.0。（正三角形排列，2管程，=0.7-0.85，4管程以上，=0.6-0.8），则壳体内径为：)(1.8887.04893205.105.1mmNtD按卷制壳体的进级档，圆整可取mmD900。6.6折流板（作用说明：列管式换热器壳程流体流通面积比管程流通截面积大，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需设置折流板。对于多壳程换热器不仅需要设置横向折流板，而且需要设置纵向折流板将换热器分为多壳程结构。对于多壳程换热器，设置纵向折流板的目的不仅在于提高壳程流体的流速，而且是为了实现多壳程结构，减少多壳程结构造成的温度损失。）采用弓形折流板，可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：mmhmmh230),(22590025.0故可取取折流板间距DB3.0,则)(2709003.0mmB，可取B为mm300折流板数并且折流板圆缺面水平装配。6.7接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速smu/0.21，则接管内径为)(104.00.214.3)8253600(05.505054411muVD-9-取标准管径为mm100。管程流体进出口接管：取接管内液体流速smu/0.32，则接管内径为：)(180.0314.3)9943600(2745094422muVD，取标准管径为mm180。7换热器核算7.1热流量核算7.1.1壳程对流传热系数对圆缺型折流板，可采用克恩公式14.03155.0)(PrRe36.0woceccd（适用条件：Re0=2×(103-106)，弓形折流板圆缺高度为直径的25%。）换热管呈三角形排列时，当量直径为：)(020.0025.014.3)025.0785.0032.023(4)423(4222mdddcec壳程流体流通截面积：)(05906.0)032.0025.01(3.09.0)1(2mtdBDScc壳程流体流速及其雷诺数分别为：-10-66461015.7825288.0020.0R)/(288.005906.0)8253600/(05.5050536004ecccecccccudsmSqu普兰特准数：34.11140.01015.71022.243ccpcrCP粘度校正：1)(14.0w)/(71134.11664602.0140.036.023155.0CmWc7.1.2管程对流传热系数4.08.0PrRe023.0iiid管程流体流通截面积：)(0768.0248902.0785.022mSi-11-管程流体流速：)/(999.00768.0)9943600/(274509smui2739310725.0994999.002.0Re3普兰特准数：73.4626.010725.01008.4Pr33)/(475773.42739302.0626.0023.024.08.0CmWi7.1.3污垢热阻和管壁热阻：管外侧污垢热阻WCmRsi/00034.02管内侧污垢热阻WCmRsc/000172.02依表，碳钢在该条件下的热导率为50W/(m·K),管壁热阻：)/(00005.0500025.02WCmbRww7.1.4传热系数cK所以系数cK-12-)/(4417111000172.0020.050025.000005.0020.0025.0000344.0020.04757025.01112CmWRddRddRddKcscicwicsiiicc7.1.4传热面积S)(0.2193244210001.31112mS该换热器的实际传热面积为：)(9.253)27489(7025.014.3)(2mnNldSccp该换热器的面积裕度为：%16%100219219254%100SSSHp为了保证换热器操作的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于15%-20%。本换热器传热面积裕度16%，满足生产要求，故能够完成生产任务。7.2换热器内流体的流动阻力7.2.1管程流动阻力-13-2,25.1,2,1)(222121uPudlPFNNNNFPPPitpspsti由,27393Re传热管相对粗糙度，查莫狄图得CmWi/037.0，流速smui/999.0，3/994mkg，所以005.02001.0)(3.64232994999.002.07037.021PaP)(1.14882999.099432222PauPPaPaPi510)(2.2373425.1)1.14883.6423(故管程流体阻力在允许范围之内。7.2.2壳程阻力1,1)(21tSStoFNNFPPP-14-流体流经管束的阻力为：)(43572228.0825)123(276271.05.0228.0,23276721.0664655.02)1(2'1228.02'1PaPuNnfFuNnFfPCBcoCBco管子成正三角形，故流体流过折流板缺口的阻力：,2)25.3(2'2CBuDBNP)(13972228.0825)9.03.025.3(239.0,3.02'2PaPmDmB总阻力为：PaPaPC510)(575413974357壳程流体的阻力也比较适宜。7.2.3换热器的主要结构尺寸和计算结果见表换热器主要结构尺