煤油冷却器的设计化工原理换热器设计说明

《化工原理》课程设计说明书题目：煤油冷却器的设计学院：化工学院专业：化学工程与工艺姓名：学号：指导老师：同组人员完成时间：目录1.前言32.设计题目（任务书）53.流程示意图54.流程和方案的说明和论证75.设计结果概要（主要设备尺寸、各种物料量和状态、能耗指标、设计时规定的主要操作参数以及附属设备的规格、型号及数量）86.设计计算与说明97.对设计的评述与体会心得288.参考文献目录30一.前言换热器简单说是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置。根据管壳式换热器的结构特点，常将其分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式、滑动管板式、双管式等。本次课程设计设计的是固定管板式换热器。固定管板式换热器，管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏或堵塞时易于更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体与管束将会产生较大的热应力。这种换热器适用于壳测介质清洁且不易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳测压力不高的场合管壳式换热器结构：管壳式换热器的主要零部件有壳体、接管、封头、管板、换热管、折流板元件等，对于温差较大的固定管板式换热器，还应包括膨胀节。管壳式换热器的结构应该保证冷、热两种流体分走管程和壳程，同时还要承受一定温度和压力的能力(1)管板：管板是换热器的重要元件，主要是用来连接换热器，同时将管程和壳程分隔，避免冷热流体相混合。当介质无腐蚀或有轻微腐蚀时，一般采用碳素钢、低合金钢板或其锻件制造。(2)管子与管板的连接：管子与管板的连接必须牢固，不泄漏。既要满足其密封性能，又要有足够的抗拉强度。其连接形式主要有强度胀接、强度焊接、胀焊结合等。(3)管箱：其作用是把管道中来的流体均匀分布到各换热管中，将换热管内流体汇集在一起送出换热器。(4)折流板和支承板：壳程内侧装设折流板或支承板，折流板的作用是组建壳间流道，使流体以适当的流速冲刷管束，提高传热系数，改善传热效果，以达到一定的传热强度。常用的折流板有弓形和圆环形两种，弓形折流板又分为单弓形、双弓形和三弓形。(5)拉杆和定距管：折流板的安装一般是用拉杆和定距管组合并与管板固定在一起。拉杆与管板连接的一端可用焊接或螺纹连接，另一端也用焊接或螺纹固定。一般拉杆的直径不得小于10mm、数量不得小于4根。(6)管板与壳体的连接：其连接型式可分为不可拆式和可拆式。二、设计题目：根据条件设计合适的换热器（煤油冷却器的设计）设计任务及操作条件：1.煤油：入口温度150℃，出口温度50℃；运行表压1bar。煤油流量17T/h。2.冷却介质：凉水塔中处理过的补给水，入口温度30℃，出口温度50℃；运行表压3bar。三、流程示意图(计算流程图)确定流体通入空间确定定性温度,物性数据对数平均温差的计算查PR计算管内给热系数a1值图Ψ0.8是否单壳程两壳程或以上计算热负荷Q，估计换热器效率估计K值，查换热器基本参数表选适当的管长和壳径计算管内给热系数ai值,管程压降否工艺流程图iK，压降小于允许假定壁温计算壳乘压降和给热系0是0与压降符合是查得垢层热阻R1，R2,计算总传热系数0KA1/A2=1.10-1.25'001.11.2KK否否是校核，tw、压降、壁厚，强度等完成设计四.流程和方案的说明和论证1.传热过程易采用逆流传热方式，因为逆流平均推动力大于并流；选用单壳程四管程固定式列管换热器；2.流体空间的选择：两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。3.结构与结构参数的选择a)直径小的换热器不仅便宜，而且可以获得较好的传热膜系数与阻力系数的比值。但管径愈小则换热器的压降愈大，在满足允许压力的前提下，一般推荐用外径为19mm，对于易结垢的流体，为方便清洗，采用外径为25mm的管子.b)管长无相变的换热器时，管子较长则传热系数也增大，在相同的传热面积的情况下，采用长管流动截面积小，流速大，管程数小，从而减小了回弯次数，因而压降也较小；但是管子过长会带来制造的麻烦，因此一般选用4—6米，最终选用6米c)管子的排列和管心距三角形的有利于壳程流体达到湍流。正方形有利于壳程的清洗。因此产生了转过一定角度的正方形排列和留有清洗通道的三角形排列。五.设计结果概要参数管程(水)壳程（煤油）流率/(kg/h)4140017000进/出口温度C30/50150/50压力/pa0.30.1物性参数定性温度C40100密度/kg/m3992766）（比热容CkgkJCp/4.1742.39物性参数smPa黏度0.5630.566）（导热系数CmW/0.6330.104普朗特数4.305912.87设备结形式固定板式台数1壳体内径/mm500壳程数1管径/mmφ25×2.5mm管心距/mm32构参数管长/mm6000管子排列正三角管数目140折流板书39传热面积/m253.47折流板间距/mm150管程数4材料16MnR主要计算结果管程壳程流速/m/s1.05560.3759表面传热系数2/()WmC5255.4667.54污垢热阻2/mCW43.441041.7410压力/Mpa0.079790.0231热流量/w0.96×106传热温差/C54.1传热系数2/()WmC427.37裕度/%18.4六.设计计算与说明（1）、定流体通入空间:两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流给热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。（2）、确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管式换热器的形式：被冷却物质为煤油，入口温度为T1=150℃,出口温度为T2=50℃冷却介质为自来水，入口温度为t1=30℃，出口温度为t2=50℃煤油的定性温度12()/2(15050)/2100mTTTC水的定性温度：12()/2(3050)/240mtttC两流体的温差：1004060mmTtC由于两流体温差大于50℃，故选用带补偿圈的固定管板式列管换热器。两流体在定性温度下的物性数据物性流体C温度3/mkg密度smPa黏度）（比热容CkgkJCp/）（导热系数CmW/煤油1007660.5602.390.104水409920.6534.1740.633（3）、计算两流体的平均温度差，初步确定流程形式逆流温差212211222111()()(15050)(5030)49.70715050lnlnln5030mttTtTttCtTttTt12121505055030TTRtt211150300.166715030ttPTt由R和P查图……得温度校正系数为，0.84t所以校正后的温度为'49.7070.8441.75mmtttC又因0.840.8t，故可选用单壳程的列管式换热器。(4)、计算热负荷Q，估计换热器效率按煤油计算,即123361710()2.3910(15050)1.13103600pssWQCTTW取η=0.85Q有效=ηQ=0.85×1.13×106=0.96×106W水的流量可由热量衡算求得,即63,21()0.961011.50/4.17410(5030)cpcQCttWkgs有效（5）、初步选择传热系数，与换热器规格根据管内为水，管外为煤油（有机液体），K值范围为340~9102/()WmC，假设K=4202/()WmC故由于26'75.5475.414201096.0mtKQAm有效150505030605022mmTtCC＞，因此需要考虑热补偿。换热器规格：1、管子规格与排列方法选用252.5mm规格的管子。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列，优点有：管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体湍动较大，因而对流传热系数较高；相同壳程内可排列更多的管子。所以选择正三角形排列。2、管程和壳程数的确定管程数NP可按下式计算，即PN'uu式中u——管程内流体的适宜速度，m/s；'u——单管程时管内流体的实际速度，m/s。取0.91.1/ums取1.0水的流量为cW=11.5/kgs，对于φ25×2.5mm的管子，2211.5'0.27/3.149920.0214044ciWumsdn求得1.003.70'0.27PumsNums所以选用4管程。由R和P查得温度校正系数为0.84t大于0.8，所以采用单壳程。设所需单管程数为n，传热管的内径为0.02m，管内体积流量3/11.50/9920.0116/VcWcms且2310.020140.01164CVnmSn=137.7取140按单程计算，所需传热管长度为L=53.4723.4()3.140.023siAmnd3、确定管长管长的选择是以清洗方便和合理使用为准,我国生产的钢管的钢管长多为6m、9m，故系列标准中管长有1.5m、2m、3m、4.5m、6m和9m六种，其中以3m和6m更为普通。因为管程4,若单程长23.4,所以管长23.4/4=5.85所以选择6米的管.4、壳体的内径计算初步设计中可用下式计算壳体的内径，即0(1)(23)cDtnd(取3)式中cDmtmn壳体内径，；管中心距，；横穿管束中心线上的管数；其中0.032,1.11.114013.02ctmnn则0.032(13.021)30.0250.460460;Dmmm按照此方法计算得到的壳内径应圆整，所以取D=500mm。5、折流板形式的确定折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向做错流流动，以加大壳程流体流速和湍动速度，致使壳程对流传热系数提高。选择水平圆缺形折流板，切去的弓形高度为外壳内径的25.0%（圆缺率的范围一般为20%~45%），即为：50015.0%125.0mm。折流板的间距，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50mm。折流板间距取h=150mm。折流板的最大无支撑间距如表所示：换热管外径（mm）141619253238最大无支撑间距(mm)110013001500185022002500故最大无支撑间距为1850mm.折流板的厚度可由下表得出：公称直径DN（mm）换热管无支撑跨距300300~600600~900900~12001200~15001500折流板的最小厚度(mm)40034581010400~700456101012700~900568101216900~15006810121616所以取值为12mm折流板数611390.15BLhN因此初选固定板式换热器规格尺寸如下：换热器直径D500mm管排方式:正三角形排列管长L6m管数：140管程数4管尺寸φ25×2.5mm中心距32mm公称面积S66.7m2换热器的实际传热面积2001403.140.025664.84AndLm采用此换热面积的换热器，则要求换热过程的总传热系数为：6'20'00.9610354.63/()64.8441.75mQKWmCAt有效估计壁面温度tw’=50C,允许压强为105Pa.（6）、计算管程给热系数i，估计壁面温度tw’=50C,允许压强为105Pa.因为管中水的质量流量为11.50/Wckgs，则水的体积流量为3/11.50/9920.0116/VcWcms内径id=0.02022