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1、煤油冷却器设计化工原理课程设计 设 计: 煤油冷却装置的设计 姓 名： 班 级： 学 号： 时 间： 指导老师： 设计成绩 日 期： 、设计任务书 1.1、设计题目：煤油冷却装置的设计 1.2、设计任务及操作条件： 处理能力：吨/年煤油 设备形式：列管式换热器 操作条件： 煤油：入口温度140，出口温度40； 冷却介质:自来水，入口温度30，出口温度40； 允许压强降：不大于100kPa 煤油定性温度下的物性数据： 密度为825kg/m3,粘度为 7.15 104Pa.s, 比热容为2.22kj/(kg.)，导热系数为0.14W/(m.)。每年按330天计，每天24小时连续运行。 1.3、选择
2、适宜的列管式换热器并进行核算 1.4、绘制换热器装置图 2 目录 一、概述 . 4 1.1、换热器的分类. 4 1.2、流动空间的选择原则：. 4 二、设计方案简介 . 5 2.1、选择换热器的类型： . 5 2.2、流体空间及流速的确定： . 6 三、工艺流程草图及说明 . 6 四.列管式换热器的工艺计算 . 7 4.1确定物性参数： . 7 4.2计算总传热系数 . 7 4.2.1、热流量. 7 4.2.4、总传热系数K . 8 4.3、计算传热面积. 9 4.4、工艺结构尺寸. 9 4.4.1、管径和管内流速. 9 4.4.2、管程数和传热管数 . 9 4.4.3、平均传热温差校正及壳程
3、数 . 10 4.4.4、传热管排列和分程方程方法 . 10 4.4.5、壳体内径 . 10 4.4.6、折流板. 10 4.4.7、接管 .11 4.5、换热器核算 .11 4.5.1、热量核算：.11 4.5.3、传热系数K. 13 4.5.4、传热面积S . 13 4.5.5、换热器内流体的流动阻力. 13 4.5.6、壁温核算 . 15 五、补助设备的计算和选型 . 16 5.1对壳程流体煤油所需的泵进行计算选择， . 16 5.2对管程循环水所需的泵进行计算选择， . 16 六、设计结果一览表 . 18 七、设计评述. 19 八、参考资料. 19 九、主要符号说明 . 20 3 一、
4、概述 1.1、换热器的分类 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。 换热器的类型多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，在所以的换热器中占着主导的地位。 列管式换热器有以下几种： 固定管板式 固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定在管板上，在外壳上焊有膨胀节，当两流体的温度差较大时，管体和管束热膨胀不同，补偿圈发生缓慢的弹性形变来来补偿因温差引起的热膨胀。 特点：结构简单、在相同的壳体直径内，排管
5、最多、比较紧凑；造价低廉、壳程清洗和检修困难。 适用：比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。 浮头换热器 浮头式换热器的两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可相对于壳体做某些移动，该端称之为浮头。此类换热器的管束膨胀不受壳体的约束，所以壳体与管束之间不会由于膨胀量的不同而产生热应力。 特点：结构复杂、笨重，造价比较高，材料消耗量大，浮头的端盖在操作中无法检查，安装时要密封，管束和管壳的间隙较大。 适用：管壳壁间温差较大，易于腐蚀和易于结垢的场合。 U型换热器 U型管式换热器每根管子均弯成U型，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决
6、热补偿问题。 特点：结构简单、质量轻、管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。 适用：高温高压的场合 1.2、流动空间的选择原则： 尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。 4 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。 应减小管子和壳体因受热不同而产生的热效应。 对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄露，应注意密封。 应尽量避免使用贵金属，以降低成本。 宜于通入管内空间的流体： 不清洁的流体 管内流速高，悬浮物不易沉积，且管内空间便于清洗。 体积小的流体 管内空间的流动截面往往比管外空间的截面小，流体易于获得必要的理想流速，而且也便于做成程流动。
7、 有压力的流体 管子承压能力强，简化了壳体密封的要求。 腐蚀性强的流体 只有管子及管箱才需要耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的所有零件均可用普通材料制造，造价可以降低。 与外界温差大的流体 可以减少热量的散逸。 宜通于管间的流体： 两流体温差相差较大 可减少管壁于壳壁间的温度差，因而可减少了管束与壳体间的相对伸长。 两流体给热性能相差较大 饱和蒸汽 易于排出冷凝液 粘度大的流体 管间的流动截面和方向都在不断的变化，在低雷诺数下，管外给热系数比管内大 泄露后危险性大的流体可减少泄露机会 二、设计方案简介 确定初步方案： 2.1、选择换热器的类型： 两流体温度变化情况：热流体进口温度140 ,出口温
8、度40 ；冷流体进口温度30，出口温度40.由于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，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。 5 2.2、流体空间及流速的确定： 根据流体流径选择的基本原则，循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且循环冷却水的推荐流速应大于煤油的推荐流速，故选择循环冷却水为管城流体，煤油为壳程流体。根据流体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为252.5mm的碳钢管，取管内流速。 4.4.2、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 按单程管计算，所需的传热管长度为
9、 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m,则该换热管程数为 传热管总根数N=814=324(根） 9 4.4.3、平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一直线，可得 4.4.4、传热管排列和分程方程方法 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=1.25,则 t=1.2525=31.2532(mm) 横过管束中心线的管数 4.4.5、壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为 圆整可取D=
10、800mm 4.4.6、折流板 采用弓形折流板，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h=0.25800=200(mm) 10 故可取h=200(mm) 取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3800=240(mm),可取B为250mm。 折流板数折流板圆缺面水平装配。 4.4.7、接管 壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u=1.0m/s，则接管内径为 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s 则接管内径为 取标准管径为180mm。 4.5、换热器核算 4.5.1、热量核算： 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用克恩公式当量直径，由正三角形排列得 =壳
11、程流通截面积 =0.020 11 壳程流体及雷诺数为 普兰特准数 4.5.2、管程对流传热系数 管程流体流速 普兰特准数 12 4.5.3、传热系数K 查有关文献知 管外侧污垢热阻：管内侧污垢热阻： 管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为=45W/(m.K)。 4.5.4、传热面积S 该换热器的实际传热面积该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。 4.5.5、换热器内流体的流动阻力 管程流动阻力 13 管程流通面积： 传热面积为 管程流体速度摩擦系数 传热管相对粗糙度管程流动阻力 ，查莫狄图得管程流动阻力在允许的范围之内。 管壳流动阻力 取折流板间距B=0.2
12、5m 计算截面积 摩擦系数 14 壳程阻力 流体流过折流板的阻力 故总阻力为 综上所述，该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压强100kPa 均符合要求，故所设计的换热器符合条件。 4.5.6、壁温核算 因管壁较薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按以下公式计算。由于该换热器采用循环冷却水冷却，冬季操作时，循环水的操作温度会降低，为确保可靠，取循环冷却水的进口温度为18，出口温度为40，计算传热管壁温。壳体壁温，即可近似取壳程流体的平均温度，T=90 壳体壁温和传热管壁温之差为，t=90-31.9=58.150 15 该温差较大，故需设温度补偿设置。 五、补助设备的计算和选型 5.1对壳程流体煤油
13、所需的泵进行计算选择 对壳程流体煤油所需的泵进行计算选择：根据下表及计算结果，可选用ISWB80160(i)b型的泵，r=2900r/min,H=24m,(1.1m，可将换热器安装在高处），允许汽蚀余量为4.5m。 5.2对管程循环水所需的泵进行计算选择， 在IS型单级单吸离心泵性能表中选择 16 IS-125-100-200型离心泵，其性能参数如下： 泵型号 流量Q 扬程H 转数n 效率 轴功率 电机汽蚀功率 余量 L/s m r/min % kW kW m IS-125-100-200 120 33.3 57.5 200 55.6 50 240 66.7 45.5 67 28.0 36.6
14、 36.4 4.5 45 4.5 5.0 2900 81 80 根据泵的性能参数，采集数据，进行二项式拟合，得到泵的特性曲线，即QH关联式，及Q,Q,QNPSH的关联式，如图所示： 将工作点带人可得，H= 50.46r=4.6(m) 实际汽蚀余量NPSH=r+0.5=5.1(m) 由于该设计要求24小时连续不停的运转，所以应备用三台泵，一台运转，一台备用，一台维修。 17 六、设计结果一览表 名称 物料名称 操作压力，Pa 操作温度， 管程 循环水 82661.6 30/40 136274 35 ) 壳程 煤油 1410 140/40 25044 90 994 2.22 0.000715 0.
15、140 11.34 1 流量，Kg/h 定性温度/ 物性参数 密度、的能力。 树立了既考虑技术上的先进性和可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作过程中的方便性，劳动条件和环保性的正确设计思想，在这种思想的指导下去分析和解决实际问题的能力。 培养了迅速准确的进行工程计算的能力，首先必须根据产量和基本的物性数据计算出理论值，在根据国家标准来核算，从而选用合适的配件高效率的完成规定的生产任务。 学会用简洁的文字和清晰的图表来表述自己设计思想的能力。在画图中基本是根据基本数据来查阅资料逐一确定的，工作繁杂。 从设计结果可看出，若要保持传热系数，温度越大、换热管数越多、折流板数越多、壳径越大、这主要
16、是因为煤油的出口温度升高，总的传热温差下降，所以换热面积增大，才能保证Q和K。因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应的增大，通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要。由于本课程设计属于我的初次设计，而且时间上比较仓促，可查阅的文献有限，本次设计还有很多不完善的地方。 八、参考资料 19 1谭天恩、窦梅、周明华主编化工原理第三版北京：化工工业出版社，2009 2匡国柱、史启才主编化工单元过程及设备课程设计北京：化工工业出版社，2010 3黄璐、王保国主编化工设计北京：化工工业出版社，2002 4贾绍义、柴诚敬主编化工原理课程设计天津：天津大学出版社，20
17、02 5陈声宗主编化工设计北京：化工工业出版社，2001 6郑津洋、董其伍、桑芝富主编过程设备设计北京：化工工业出版社，2005 7刘巍主编冷换设备工艺计算手册北京：中国石化出版社，2003 8李克永主编化工机械手册天津：天津大学出版社，1991 9贺框图主编化工容器及设备简明设计手册北京：化学工业出版社，1989 10上海医药设计院化工工艺设计手册北京：化工工业出版社，1996 11郭庆丰、潘国昌主编化工设备设计手册北京：清华大学出版社，1998 12周大军主编化工工艺制图北京：化工工业出版社，2003 九、主要符号说明 英文字母 B折流板间距 H面积裕度， C系数，无量纲 希腊字母 d _管径，m 对流传热系数； D换热器外壳内径，m 有限差值； 摩擦系数； 导热系数，W/(m.); F系数； 粘度，Pa.s; h圆缺高度，m; 密度，kg/K总传热系数，； ; 校正系数； L管长，m; m管程； 下标 n指数； c冷流体； 管数； h热流体； 程数； i管内； N管数； m平均； 程数； o管外； 折流板数； s污垢。 20 努赛尔特准数； P压力，Pa; 因数； 普兰特准数； q热通量，； Q传热速率，W; r半径，m; R热阻，； 因数； Re雷诺准数； S传热面积，； t冷流体温度，； u流速，m/s; W质量流量，kg/s; r转数； 21
