煤油冷却器的设计

1南京工业大学《材料工程原理B》课程设计设计题目：煤油冷却器的设计专业：高分子材料科学与工程班级：高材0801学号：1102080104姓名：夏亚云指导教师：周勇敏日期：2010/12/30设计成绩：2目录一.任务书……………………………………………………………………………………………………-3-1.1.设计题目1.2.设计任务及操作条件1.3.设计要求二.设计方案简介……………………………………………………………………………………….-3-2.1.换热器概述2.2列管式换热器2.3.设计方案的拟定2.4.工艺流程简图三.热量设计…………………………………………………………………………………………………-5-3.1.初选换热器的类型3.2.管程安排（流动空间的选择）及流速确定3.3.确定物性数据3.4.计算总传热系数3.5.计算传热面积四.工艺结构设计…………………………………………………………………………………………..-8-4.1.管径和管内流速4.2.管程数和传热管数4.3.平均传热温差校正及壳程数4.4.传热管排列和分程方法4.5.壳程内径及换热管选型汇总4.6.折流板4.7.接管五.换热器核算………………………………………………………………………………………….-13-5.1.热量核算5.2.压力降核算六.辅助设备的计算和选择……………………………………………………………………………176.1.水泵的选择6.2.油泵的选择七.设计结果表汇…………………………………………………………………………………….……-20-八.参考文献..………………………………………………………………………………….…..………-20-九.心得体会………………………………………………………………………………….……………21附图：（主体设备设计图，工艺流程简图）3§一．化工原理课程设计任务书1.1设计题目煤油冷却换热器设计1.2设计任务及操作条件1、处理能力15.8×104t/y2、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：工业硬水，入口温度20℃，出口温度40℃（3）油侧与水侧允许压强降：不大于105Pa（4）每年按330天计，每天24小时连续运行（5）煤油定性温度下的物性参数：1.3设计要求选择合适的列管式换热器并进行核算1.4绘制换热器装配图（见A4纸另附）§二．设计方案简介2.1换热器概述换热器是化工，炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%~20%，在炼油厂约占总费用35%~40%。换热器在其他部门，如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的意义。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。其中间壁式换热器名称（kg/m3）Cp(kJ/㎏.℃)（Pa.s）(W/m.℃)油8252.227.15×10-40.144应用最广泛。2.2列管式换热器因设计需要,下面简单介绍下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。2.2.1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。1-挡板2-补偿圈3-放气嘴图2.2.1.固定管板式换热器的示意图2.2.2浮头式这种换热器有一段管板不与壳体相连，可沿轴向自由伸缩。这种结构不但可完全消除热应力，而且在清洗和检修时，整个管束可以从壳体中抽出。因此，尽管其架构较复杂，造价较高，但应用仍较普遍。52.2.3U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。2.3设计方案的拟定根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器的固定管板式换热器；再根据冷热流体的性质，判断其是否容易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。本设计中选择使循环工业硬水走管程，煤油走壳程。从资料中查得冷热流体的物性数据，如比热容，密度，粘度，导热系数等。计算出总传热系数，再计算传热面积。根据管径，管内流速确定传热管数，算出传热管程，传热管总根数等。然后校正传热温差及壳程数，确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等；接着再对换热器的热量，官称对流传热系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度，最后，对流体的流动阻力进行计算。2.4工艺流程简图（见附图）§三．工艺计算和主体设备设计3.1初选换热器类型6两流体的温度变化情况如下：（1）煤油：入口温度140℃，出口温度40℃；（2）冷却介质：自来水，入口温度30℃，出口温度40℃；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。3.2管程安排及流速确定已知两流体允许压强降不大于100kPa；两流体分别为煤油和自来水。与煤油相比，水的对流传热系数一般较大。由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应使循环自来水走管程，而使煤油走壳程。选用Φ25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。表3-2.列管式换热器内的适宜流速范围流体种类流速/（m/s）管程壳程一般液体0.5~30.5~1.5易结垢液体10.5气体5~303~15表3-3.不同粘度液体的流速（以普通钢壁为例）液体粘度/mPa．s＞15001500～500500～100100～3535～1＜1最大流速/（m/s）0.60.751.11.51.82.43.3确定物性数据定性温度：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：℃90240140T管程流体（硬水）的定性温度为：℃3024020t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8252.227.15×10-40.14水(30℃)9964.1748.007×10-40.61763.4计算总传热系数(1).煤油的流量已知要求处理能力为15.8万吨煤油每年（每年按330天计，每天24小时连续运行），则煤油的流量为：hKgtWh/5.19949)24330/(158000Wh----热流体的流量，kg/h；7(2).热流量由以上的计算结果以及题目已知，代入下面的式子，有：Q=WhCph(T1-T2)=19949.5Kg/h×2.22kJ/kg.℃×（140-40）℃=4428789KJ/h=1230219W(3).平均传热温差计算两流体的平均传热温差，暂时按单壳程、多管程计算。逆流时，我们有煤油：140℃→40℃水：40℃←20℃从而'mt=7.49204040140)2040()40140(In℃此时P=1112tTtt17.0201402040R=1221ttTT5204040140式子中：21,TT——热流体（煤油）的进出口温度，K或℃；21tt，——冷流体（自来水）的进出口温度，K或℃；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：t=0.83﹥0.8，所以，修正后的传热温度差为：mt='mtt3.4183.07.49℃(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：Wc=)(12ttCQpc=53052)2040(174.44428789kg/h(5).总传热系数K选择时，除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。1.管程传热系数：Re1=124390008007.09965.002.0iiiiudPr1=41.56176.00008007.04174iipcαi=0.0234.08.0)()(iipiiiiiicudd8=0.0234.08.04.018.01e41.51243902.06176.0023.0)(Pr)(Riid=2633W/m2•℃2.壳程传热系数：假设壳程的传热系数是：o=700W/m2•℃污垢热阻：Rsi=0.000344m2℃/WRso=0.000172m2℃/W管壁的导热系数：=45m2℃/W管壁厚度：b=0.0025内外平均厚度：dm=0.0225在下面的公式中，代入以上数据，可得osoioiosiiioRdbdddRddK11℃）2/(392mW(6).计算传热面积由以上的计算数据，代入下面的公式，计算传热面积：20.763.413921230219'mtKQSm考虑15%的面积裕度，则：24.87'15.1mSS§四.工艺结构设计4.1.管径和管内流速选用Φ25×2.5的碳钢管，管长6m，管内流速取ui=0.5m/s。4.2.管程数和传热管数根据传热管的内径和流速，可以确定单程管子根数：ns=)(952.945.002.0785.0)9963600/(53052422根iiiudV按单程计算，所需传热管的长度是：mndSLso7.1195025.014.34.87若按单程管计算，传热管过长，宜采用多管程结构，可见取传热管长l=6m，则该传热管程数为：9（管程）267.11lLNp则传热管的总根数为：)(190952根sPnNN4.3.平均传热温差校正及壳程数'mt=7.49204040140)2040()40140(In℃此时：P=1112tTtt17.0201402040R=1221ttTT5204040140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：t=0.83﹥0.8，所以，修正后的传热温度差为：mt='mtt3.4183.07.49℃于是，校正后的平均传热温差是41.3℃，壳程数为单程，管程数为2。4.4.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，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25d0，则)(3225.312525.1mmt横过管束中心线的管数根）(174.1619019.119.1Nnc4.5.壳程内径和换热管的选型汇总(1)采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径为mmNtD5547.01903205.105.1圆整可取D=600mm10(2)换热管的选型汇总根据以上的计算可以得到如下的计算结果：DN,mm600管程数2壳程数1管子规格25*2.5管子根数190中心排管数17管程流通面积，m20.0298换热面积，m280.7换热器长度，mm6000通过查表，可以发现下面的结构尺寸的换热器和所需的比较接近，故而选择该种换热器：DN,mm600管程数2壳程数1管子规格25*2.5管子根数232中心排管