1、 河 西 学 院Hexi University化 工 原 理 课 程 设 计题 目: 煤油冷却器的设计 学 院: 化学化工学院 专 业: 化学工程与工艺 学 号: 2014210043 姓 名: 朱振宇 指导教师: 王兴鹏 2016 年 11 月 20 日河西学院化学化工学院课程设计设计任务书一、设计题目煤油冷却器的设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力（进料量） 23000 吨/年操作周期 7200 小时/年2.操作条件煤油入口温度 120 ，出口温度 40 冷却介质 自来水 ，入口温度 20 ，出口温度 40 允许压降 105Pa 冷却水温度 20 饱和水蒸汽压力 0.25Mpa(
2、表压) 3.设备型式 列管式换热器 4.厂址 自选（压力：1atm ） 三、设计内容1.设计方案的选择及流程说明2.换热器的工艺计算3.换热器的主要尺寸设计4.辅助设备选型5.设计结果汇总6.绘制换热器总装配图：主视图、俯 视图、剖面 图、两个局部放大图7.设计评述河西学院化学化工学院课程设计目 录1 概述 11.1 换热器的分类 11.2 流动空间的选择原则 22 设计方案简介 32.1 选择换热器的类型 32.2 流体空间及流速的确定 33 工艺流程草图及说明 34 厂址的选择 45 列管式换热器的工艺计算 45.1 确定物性参数 45.2 计算总传热系数 55.2.1 热流量 .55.2
3、.2 平均传热温差 .55.2.3 冷却水用量 .55.2.4 总传热系数 K .55.3 计算传热面积 65.4 工艺结构尺寸 65.4.1 管径和管内流速 .65.4.2 管程数和传热管数 .65.4.3 平均传热温差校正及壳程数 .65.4.4 传热管排列和分程方程方法 .75.4.5 壳体内径 .75.4.6 折流板 .75.4.7 接管 .85.5 换热器核算 85.5.1 热量核算： .85.5.2 管程对流传热系数 .9河西学院化学化工学院课程设计5.5.3 传热系数 K .95.5.4 传热面积 S 105.5.5 换热器内流体的流动阻力 106 设计结果一览表 .117 设计
4、评述 .128 主要符号说明 .13参考资料 .14致谢词 .15河西学院化学化工学院课程设计0煤油冷却器的设计朱振宇摘要：本文主要介绍了如何设计一台换热性能优良的管壳式换热器,涉及内容较多,包括初始条件确立、换热管尺寸、壳体类型、换热器的选型等信息来确定。通过换热器核算来校正换热器的尺寸、壳体类型等，分析了流体的流动和换热机理等。关键词：煤油冷却器、设计、管壳式、换热管、折流板1 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
5、， 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 ，
6、 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 最 多 、 比 较 紧 凑 ； 造 价 低 廉 、壳 程 清 洗 和 检 修 困 难 （ 壳 程 宜 用 于 不 易 结 垢 和 清 洗 的 流 体 ） 。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
7、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
8、 间 温 差 较 大 ， 易 于 腐 蚀 和 易 于 结 垢 的 场 合 。河西学院化学化工学院课程设计1 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 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
9、 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 。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
10、 ， 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 。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
11、 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 会河西学院化学化工学院课程设计22
12、 设计方案简介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 120 ,出 口 温 度 40 ； 冷 流 体（ 循 环 水 ） 进 口 温 度 20， 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 。2.2 流体空间及流速的确定根 据 流 体 流 径 选 择 的 基 本 原
13、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 ， 用 的 碳 钢 管 （ 换 热 管m/s0.1iu2.5m标 准 ： GB8163)。3 工艺流程草图及说明图1 工艺流程图河西学院化学化工学院课程设计3说 明 ： 由 于 循 环 冷 却 水 较 易
14、结 垢 ， 为 便 了 水 垢 的 清 洗 ， 应 使 循 环 水 走 管 程 ，煤 油 走 壳 程 。 如 图 ： 煤 油 先 到 达 原 油 储 罐 ， 再 经 原 油 泵 抽 上 来 ， 经 粗 管道 进 入 换 热 器 壳 程 ， 冷 却 水 经 细 管 道 进 入 换 热 器 管 程 。 两 物 质 在 换 热 器 中进 行 换 热 ， 煤 油 从 120冷 却 至 40后 再 由 粗 管 道 流 进 产 品 储 罐 经 产 品 泵流 出 ； 循 环 冷 却 水 则 从 20加 热 至 40后 ， 再 由 细 管 道 流 出 。4 厂址的选择珠海5 列管式换热器的工艺计算5.1 确定
15、物性参数定 性 温 度 ： 可 取 流 体 进 口 温 度 的 平 均 温 度 值 。壳 程 油 的 定 性 温 度 为80241T管 程 流 体 的 定 性 温 度 为3=0t定 性 温 度 ， 分 别 查 取 壳 程 和 管 程 流 体 的 有 关 物 性 数 据 。根 据 油 在 80下 的 有 关 物 性 数 据 如 下 ：密 度 ： 3mkg71定 压 比 热 容 ： )KJ/(kg.28.0pC导 热 系 数 ： 4W粘 度 ： .s.6Pa0循 环 冷 却 水 在 30下 的 物 性 数 据 ：密 度 ： kg/m7.95i定 压 比 热 容 ： )KJ/(kg.14.pic导
16、热 系 数 ： 0.68W.i粘 度 ： Pas7i河西学院化学化工学院课程设计45.2 计算总传热系数5.2.1 热流量=（ 23000 ） /7200=3194.4kg/hom31kwKJtQop 94.16/08358.49c 55.2.2 平均传热温差 28.430ln6lt21tm5.2.3 冷却水用量hkgtCQopi 6.71420174.835w55.2.4 总传热系数 K管 程 传 热 系 数 )(268PrRe023. 408.51.0774.Pr 23.95.22.8.3e mwdCudiiiiipoii壳 程 传 热 系 数假 设 壳 程 的 传 热 系 数 402o污
17、 垢 热 阻 wmRso0172.34i 管 壁 的 导 热 系 数 .5W/=河西学院化学化工学院课程设计5283 40172.025.402.53.0.651d1 mwRdbKosioisio 5.3 计算传热面积 23 .18.420916mtKQSmo考 虑 15%的 面 积 裕 度 ： 2 15.8m=3.S.5=5.4 工艺结构尺寸5.4.1 管径和管内流速选 用 252.5传 热 管 （ 碳 钢 ） ， 取 管 内 流 速 s0.5ui5.4.2 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（ 根 ）137.250.78.036914n2
18、2 udvis按 单 程 管 计 算 ， 所 需 的 传 热 管 长 度 为mnSLso 8.143025.143d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=4.5m,则 该 换 热 管 程 数 为管 程43081lNp传 热 管 总 根 数 (根 ）52=5.4.3 平均传热温差校正及壳程数平 均 传 热 温 差 校 正 系 数河西学院化学化工学院课程设计62.014PR按 单 壳 程 ， 双 管 程 结 构 ， 温 差 校 正 系 数 应 查 有 关 图 表 。 查 同 一 直 线 ， 可 得.83t平 均 传 热 温
19、 差 92.358.4.0tmt5.4.4 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 ,则025.1dt3(m)=.t横 过 管 束 中 心 线 的 管 数（ 根 )958.219 Nnc5.4.5 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maD62897.530.105.1圆 整 可 取 =300mm5.4.6 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
20、的 25%， 则 切 去 的 圆缺 高 度 为 h75302.故 可 取 m75取 折 流 板 间 距 ， 则DB.,可 取 为 。B903.m10折 流 板 数 块折 流 板 间 距传 热 管 长 4-5-b N折 流 板 圆 缺 面 水 平 装 配 。河西学院化学化工学院课程设计75.4.7 接管壳 程 流 体 进 出 口 接 管 ： 取 接 管 内 油 品 流 速 为 ， 则 接 管 内 径 为smu0.1uvd0381437694取 标 准 管 径 为 m5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 d041.5.
21、1437.960.7取 标 准 管 径 为 m5.5 换热器核算5.5.1 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14.0315.00PrRe.36wd当 量 直 径 ， 由 正 三 角 形 排 列 得mdaoe 02.025.143.242 22 壳 程 流 通 截 面 积 2o .603210aBDSo 壳 程 流 体 及 雷 诺 数 为sm.760.83419uo 406172eR普 兰 特 准 数河西学院化学化工学院课程设计8539.47.104602.136.74.104.06128.r 25.ow3 mwPo黏 度
22、校 正 ：5.5.2 管程对流传热系数 4.08.PrRe3.iid管 程 流 通 截 面 积 22i 0816.5.7. mS管 程 流 体 流 速5.608087924Re241367uii s普 兰 特 准 数 1480.5.6082.103. 4.r 203 mwPii5.5.3 传热系数 K查有关文献知管外侧污垢热阻： wRs0172.管内侧污垢热阻： msi 34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)=000 11soiisi RdbdKw340.8 539.410.72.254.25.0321.5 m河西学院化学化工学院课程设计95.5.4 传热面积
23、 S 23.19.540816mtKQSm该换热器的实际传热面积 pS204.1592413lNdSop 该换热器的面积裕度为 000 .33.215SHp传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.5.5 换热器内流体的流动阻力管程流动阻力由 传热管相对粗糙度 ，查莫狄5.608Re0.52.1038.i管程流动阻力 PSspi NF21.5sFsppa1026.91.58.92534ppa0.73.4a.2954 5i 221 管程流动阻力在允许的范围之内。管壳流动阻力壳程阻力 sNFp210sN5.s06765f-.28o0.5=9nc4BNpa127.81491.1 P河西学院化学
24、化工学院课程设计10流体流过折流板的阻力取折流板间距 mB1.0D0.3pa10.54275p 4257.pa.78.2-.9u-3. 5o2o2 N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。6 设计结果一览表名称 管程 壳程物料名称 循环水 煤油操作压力/Pa 82661.6 1410操作温度/ 20/40 120/40流量/(Kg/h) 7144.6 3194.4定性温度/ 30 80密度（ )3mkg995.7 781定压比热容/KJ/kg.K4.174 2.28粘度/Pa.s 0.0008007 0.000664物性参数普朗特数
25、 5.4 10.74形式 列管式换热器 台数 1壳体内径/mm 300 壳程数 1管径/mm 252.5 管间距/mm 32管长/mm 4500 排列方式 正三角形管数 52 折流板数 44设备结构参数传热面积/ 2m15.04 折流板间距/mm100河西学院化学化工学院课程设计11表 2 设计结果一览图7 设计评述本次化工原理课程设计，加深了我对化工原理课本知识的理解，同时使我学会了很多实用的东西，提高了我动手的能力和灵活运用知识的能力，让我受益匪浅。在这次化工原理课程设计中，我的理论运用于实践的能力得到了很到的提升，主要有以下的几个方面：初步掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据（已发表的文献
26、）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
27、 和 K。因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应的增管程数 4 材质 碳钢主要计算结果 管程 管壳流速/(m.s) 0.244 0.1926传热系数/ 2mw1480 695.89污垢热阻/ 0.000344 0.000172阻力/Pa 1026.96 10130热流量/kw 161.94传热温差/ 35.92传热系数/ mw388.5裕度/% 13.94河西学院化学化工学院课程设计12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。8 主要符号说明英文字
28、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, ;3mkgK总传热系数， ； 校正系数；mwL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。B努赛尔特准数；uP压力，Pa;因数；普兰特准数； q热通量， ；r 2mwQ传热速率，W; r半径，m;R热阻， ； Re雷诺准数；wm2河西学院化学化工学院课程设计13S传热面积， ； t冷流体温度，；2mu流
29、速，m/s; W质量流量，kg/s;r转数；参考资料1夏清, 贾绍义. 化工原理第二版 M. 天津: 天津大学出版社, 2015.2马江权, 冷一欣. 化工原理课程设M. 北京: 中国石化出版社, 2011.3潘红良. 过程设备机械基础M. 上海: 华东理工大学出版社, 2013.4刘巍. 冷换设备工艺计算手册M. 北京: 中国石化出版社, 2003. 5匡国柱, 史启才. 化工单元过程及设备课程设计M. 北京: 化工工业出版社, 2010. 河西学院化学化工学院课程设计14致 谢在 这 次 课 程 设 计 中 ， 我 得 到 了 许 多 人 的 帮 助 。 首 先 我 要 感 谢 我 的 老
30、 师 在课 程 设 计 上 给 予 我 的 指 导 、 提 供 给 我 的 支 持 和 帮 助 ， 这 是 我 能 顺 利 完 成 这 次设 计 的 主 要 原 因 ， 更 重 要 的 是 老 师 帮 我 解 决 了 许 多 技 术 上 的 难 题 ， 让 我 能 把系 统 做 得 更 加 完 善 。 在 此 期 间 ， 我 不 仅 学 到 了 许 多 新 的 知 识 ， 而 且 也 开 阔 了视 野 ， 提 高 了 自 己 的 设 计 能 力 。 其 次 ， 我 要 感 谢 帮 助 过 我 的 同 学 ， 他 们 也 为我 解 决 了 不 少 我 不 太 明 白 的 设 计 上 的 难 题 。河西学院化学化工学院课程设计15答 辩 记 录 与 综 合 成 绩 评 定 表答辩记录：记录人：年 月 日成绩评定：学号 姓名 说明书成绩 30% 图纸成绩 30% 答辩成绩 40% 总评成绩2014210043 朱振宇指导教师：年 月 日
