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1、武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书论文题目： 煤油冷却器的设计 学 号： 学生姓名： 专业班级： 2011级过控03班 指导教师： 陶 梅 平 总评成绩： 2014年6月17日目 录摘 要IAbstractII第一章 概述11.1列管式换热器的种类21.2换热器的特点21.3换热器的发展趋势31.4换热器31.5流动空间的确定41.6设计标准5第二章 设计方案的确定62.1 选择换热器的类型62.2 流动空间及流速的确定6第三章 设计计算83.1确定物性参数83.2 计算总传热系数93.3计算传热面积103.4 工艺结构尺寸的确定103.5换热器核算14第四章 设计结果18第五章 小
2、结19致 谢21参考文献22附 录23附录一 字母和符号说明23附录二 列管式换热器装配图24摘 要本次煤油换热器课程设计的核心是计算换热器的传热面积，进而确定换热器的其他尺寸或选择换热器的型号。由总传热率方程可知，要计算换热面积，得确定总传热系数和平均温差。通过多次核算和比较，设计结果如下：带膨胀节的固定管板式 换热器，选用的碳钢管252.5mm，换热面积为22.414m2，且为双管程单壳程结果，传热管排列采用组合排列法，即没程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形。管数为48，管长23.794m，管间距为65，折流板形式采用上下结构，其间距为0.1m，切度高度为25%，壳体内径为325mm
3、，该换热器可满足生产需求。关键字：煤油；列管式换热器；固定管板式 AbstractThis design is the core of the calculation of heat exchanger heat transfer area, and then decide the other dimensions of the heat exchanger or choose the model of heat exchanger. The total heat transfer rate equation shows that to calculate heat transfer area
4、, to determine the total heat transfer coefficient and the mean temperature difference. Through calculation and comparison for many times, the design results are as follows: the fixed tube plate heat exchanger with expansion joint, selection of carbon steel pipe phi 25 x 2.5 mm, so the heat exchange
5、 area is 22.414, and for the shell side of the double sides are single as a result, the pipe arrangement method, namely didnt ride in all according to the regular triangle arrangement, diaphragm use square on both sides. Pipe number of 48, length of 23.794 m, tube spacing is 65, baffle plate form th
6、e top and bottom structure, the spacing of 0.1 m, QieDu height was 25%, the shell inside diameter is 325 mm, the heat exchanger can meet the production requirements.Key words: kerosene; Shell and tube heat exchanger; Fixed tube-sheet第一章 概述在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各换热器，且它们是这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不
7、断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器大的机构尺寸。列管式换热器的应用已有很悠久的历史。在化工、石油、能源设备等部门，列管式换热器仍是主要的换热设备。列管换热器的设计资料已较为完善，已有系列化标准。目前我国列管换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式（即列管式）换热器”（GB151）标
8、准执行1。工程设计是工程建设的灵魂，又是科研成果转化为现实生产力的桥梁和纽带，它决定了工业现代化水平。设计是一项政策性很强的工作，它涉及政治、经济、技术、环保、法规等诸多方面，而且还会涉及多专业、多学科的交叉、综合和相互协调，是集体性的劳动。先进的设计思想、科学的设计方法和优秀的设计作品是工程设计人员应坚持的设计方向和追求的目标。而化工原理课程设计，是将所学的化工原理理论知识联系实际生产的重要环节。一方面，它要求综合运用物理，化学，化工原理，工程制图的理论知识，确定生产工艺流程和计算设备的尺寸；另一方面，又要求根据设计对象的具体特征，凭借设计者的经验（或借鉴前人的经验），灵活运用设计的诀窍，对
9、所选设备，工艺过程以及各种参数进行合理的筛选，校正和优化，达到经济合理的生产要求2。1.1列管式换热器的种类 固定管板式换热器管板式换热器 浮头式换热器填料涵式换热器 U型管换热器1.2换热器的特点列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：（1）固定管板式换热器固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补
10、偿方法适用于两流体温差小于70且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。（2）浮头式换热器浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高3。（3）填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。（4）U型管换热器 U型管换热器的管子两端固定在同一管板上，管子两端可以自由伸缩，与其他管子机壳体无关。这种换热器结构比较简单，重量轻，适用
11、于高温高压场合，但管内清洗比较困难且管板利用率较差4。1.3换热器的发展趋势70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技
12、术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)5、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。近年来，随着制造技术的进步，强化传热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与换热工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，并已在化工、炼油、石油化工、制冷、空分及制药各行业得到应用与推广，取得了较大的经济效益6。1.4换热器（1）选型在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性7。一般为了满足设备的操作
13、压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。碳钢：价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。不锈钢：奥氏体系不锈钢以1Cr18Ni9Ti为代表，它是标准的188奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能
14、8。正三角形排列结构紧凑，正方形排列便于机械清洗，同心圆排列用于小壳径换热器、外圆管布管均匀、结构更为紧凑。我国换热器系列中，浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。（2）管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过 350的场合。（3）封头和管箱 封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰
15、或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路9。1.5流动空间的确定换热器内冷热流体通道的选择：a.不洁或易结垢的物料应走易于清洗
16、的一侧，如冷却水走管内；b. 需提高流速以增大传热膜系数的流体应走管内，因管程比壳程易增加流速；c.有腐蚀性或高压流体多走管内，以减少设备腐蚀或降低壳体受压；d.饱和蒸汽一般走壳程，因蒸汽较清洁，且冷凝液排出方便；e.被冷却流体一般选壳程，便于散热；f.若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将传热膜系数大的流体通入壳程，以减少温差应力；g.流量小而温差大的液体一般走壳程为宜，因在壳程Re100即可达到湍流。但这并不是绝对，若流动阻力允许，将该种流体通入管内并采用多管程结构，反而能得到更高的传热膜系数；煤油没有腐蚀性，碳钢的价格低，强度较高所以换热器的材料选择碳钢。由于水的对流传热系数一般比
17、较大，且易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程10。1.6设计标准（1）JB1145-73列管式固定管板热交换器（2）JB1146-73立式热虹吸式重沸器（3）中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布，1989（4）钢制石油化工压力容器设计规定（5）JBT4715-1992固定管板式换热器型式与基本参数（6）HGT20701.8-2000容器、换热器专业设备简图设计规定（7）HG20519-92全套化工工艺设计施工图内容和深度统一规定（8）中华人民共和国国家标准 JB4732-95 钢制压力容器分析设计标准（9）中华人民共和国国家标准 JB4710-
18、92 钢制塔式容器 （10）中华人民共和国国家标准 GB16749-1997 压力容器波形膨胀节 第二章 设计方案的确定2.1 选择换热器的类型本次生产设计要求中，两流体温度变化情况：热流体进口温度100，出口温度40；冷流体（循环水）进口温度20，出口温度40。该换热器用循环冷却水冷却，循环冷却水的压力为0.4MPa,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，加之其冷、热两流体的温度、压力不高，温差不大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。2.2 流动空间及流速的确定由于循环冷却水较易结垢，为便与水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用25
19、2.5mm的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。增加流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上的沉积的可能，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流动阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济核算才能确定。此外，在选择流速时，还需要考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，但管子度有一定的标准；单程变为多程使平均温度下降。这些也是选择流速时应考虑的问题。下表列出了常用的流速适用范围，供设计时参考。所选流速，应尽可能避免处于层流状态。列管换热器
20、内常用的流速范围如下表2-1。表2-1列管换热器内常用的流速范围流体种类一般液体易结垢液体气体流速/（m/s）管程0.531530壳程0.21.50.5315不同黏度液体在列管换热器中的流速如下表2-2。表2-2不同黏度液体在列管换热器中的流速液体粘度/mpas15001500500500100100353511最大流速0.60.751.11.51.82.4第三章 设计计算3.1确定物性参数定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程油的定性温度为 管程流体的定性温度为 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。油在70下的有关物性数据如下(内差法求得)： 密度： 定压比热容： 导热系数
21、： 粘度：循环冷却水在30下的物性数据： 密度： 定压比热容： 导热系数： 粘度：3.2 计算总传热系数3.2.1热流量3.2.2平均传热温差 3.2.3 冷却水用量 3.2.4总传热系数K管程传热系数 由于管程中的流体为水，其在30下的黏度小于2倍的常温水的黏度，属于低粘度流体，其传热系数应用迪克斯-贝尔特关联式，即： 壳程传热系数假设壳程的传热系数：污垢热阻 管壁导热系数=45 W（m2）管壁的导热系数 =218.258 3.3计算传热面积 考虑15%的面积裕度（安全系数和初估性质）：3.4 工艺结构尺寸的确定3.4.1 管径和管内流速选用252.5mm传热管，取管内流速。3.4.2 管程
22、数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数根按单程管计算，所需的传热管长度为 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，则该换热管管程数为 （管程）传热管总根数 （根）3.4.3 平均传热温差校正及壳程数已知 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页图4-25（a） 平均传热温差 3.4.4 传热管排列和分程方法对于固体式换热器而言，换热器的壳体内径应等于或稍大于官办的直径。根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可作图法确定壳体的内径。一般在初步设计中，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需要的管程和壳程的流通截面积
23、，于系列标准中查出外壳的直径。待全部设计完后，仍应用作图法画出管子排列图。为了使管子排列均匀，防止流体走“短流”，可适当增减一些管子。另外，初步设计也可以用下式计算壳体内径，即式中 壳体内径，； 管中心距，： 横穿过管束中心线的管数； 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，一般取（11.5）d0，m。值可由下面公式估算，即管子正三角形排列1.1管子按正方形排列 1.19 式中n为换热器的总管数。 按上述方法计算得到的壳内径应圆整，标准尺寸见下表壳体外径/mm325400，500，600，700800，900，10001100，1200最小壁厚/mm8101214采用组合排列法，即每程内均
24、按正三角形排列隔板两侧采用正方形排列。取管心距，则 横过管束中心线的管数 （根）3.4.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为 圆整可取：3.4.6 折流板安装折流挡板的目的，是为了增加壳程流体的速度，使湍流程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的是圆缺形挡板，切去的弓形高度为外侨内径的1040，一般取2025，过高或过低度不利于传热。两相邻挡板的距离（板间距）h为外内径的0.21倍。系列标准中采用的h值为：固定管板式的有150、300、600三种；浮头室的有150、200、300、480和600五种。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过
25、管束，使对流传热系数下降。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 ，故可取h=80(mm)取折流板间距B=0.3D，则，可取B=100mm折流板数 =传热管长/折流板间距1=（根）折流板圆缺面水平装配。3.4.7 接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为 1m/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为1.5m/s，则接管内径为 3.5换热器核算3.5.1 热量核算（1）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 壳程流通截面积 壳程流体流速及雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正: (由于壁温未知且用试差法比
26、较繁琐，故液体冷却时用近似值) （2）管程对流传热系数 管程流通截面积 管程流体流速 普兰特数 （3）热系数K （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。3.5.2 换热器内流体的流动阻力（1） 管程流动阻力 由，传热管相对粗糙度0.01/20=0.0005.查莫狄图得: ，流速 所以 管程流动阻力在允许范围内。（2） 壳程阻力 流体流经管束的阻力 m/s, 流体流过折流板缺口的阻力 B=0.1m，D=0.20m 总阻力 因此，壳程流动阻力也比较适宜。第四章 设计结果换热器设计结果如下表4-1所示。表4-1 设计结果换热器类型：
27、固体列管式换热器换热面积（M2）：18.4 工艺参数名称管程壳程物料名称循环水煤油操作压力，Mpa操作温度，30/40140/40流量，kg/h6679 4040 流体密度，kg/m3995.7 810.0 流速，m/s0.496 0.219 传热量，kW154.882 总传热系数，W/(m2*K)329.9 对流传热系数，W/(m2*K)2609.9 529.4 污垢系数，m2*K/W0.0003440.000172阻力降，pa3.86E+038.68E+03程数4 1使用材料碳钢碳钢管子规格25*2.5管数48 管长，m6 管间距，mm32 排列方式正三角形折流板型式上下间距，mm135切
28、口高度25%壳体内径，mm301 保温层厚度，mm第五章 小 结通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关换热器方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定
29、要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可。课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了固定管板式换热器的识别和测试；通过查询资料，也了解了换热器原理。我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力
30、上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只
31、有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 设计过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。致 谢经过两个星期的忙碌和工作，本次课程设计已经接近尾声，作为一个本科生的课程设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要
32、感谢我的导师陶梅平老师。陶老师平日里工作繁多，但在我做课程设计的每个阶段过程中都给予了我们悉心的指导。我的设计较多错误，但是陶老师还是细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩陶老师的专业水平外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我们永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。其次要感谢和我一起作课程设计的组员们，他们在本次设计中勤劳工作，克服了许多困难来完成此次课程设计，并承担了大部分的工作量。如果没有他们的努力工作，此次设计的完成将变得非常困难。然后还要感谢所有大学里的老师，为我打下专业知识的基础，同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次课程设计才会顺利完成。参考文献1柴诚敬，
33、张国亮，化工流体流动与传热。北京：化学工业出版社，20002余国琮等，化工容器及设备。北京：化学工业出版社，19803中华人民共和国国家标准，GB151-89钢制管壳式换热器。国家技术监督局发布，19894匡国柱，史启才，化工单元过程及设备课程设计。北京：化学工业出版社，20025化工设备设计全书编委会，换热器设计。上海：上海科学技术 出版社，19826卓震主，化工容器及设备。北京：中国石化出版社，19987徐中全译，尾花英郎著，热交换器设计手册。北京：石油工业出版社，19828潘继红等，管壳式换热器的分析与计算。北京：科学出版社， 19969大连理工大学，化工原理（上册）。大连：大连理工大学
34、出版社，199310余国琮等，化工容器及设备。北京：化学工业出版社，198011兰州石油机械研究所，换热器（上册）。北京：中国石化出版社，1992附 录附录一 字母和符号说明英文字母 B折流板间距，m; R热阻，;C系数，无量纲； 因数；d管径，m; Re雷诺准数；D换热器外壳内径，m; S传热面积，；f摩擦系数； t冷流体温度，；F系数； 管心距，m；h圆缺高度，m； T热流体温度，；K总传热系数，； 流速，m/s；L管长，m; W质量流量，kg/s。m程数； 希腊字母n指数； 对流传热系数，； 管数； 有限差值； 程数； 导热系数，；N管数； 黏度，； 程数； 密度，kg/; 折流板数； 校正系数。 努塞尔特准数； 下标 P压力，Pa； c冷流体； 因数； h热流体； Pr普兰特准数； i管内； q热通量，W/； m平均； Q传热速率，W； o管外； r半径，m； s污垢。附录二 列管式换热器装配图
