專業課程設計任務書設計題目：換熱器設計系列——30×104噸/年煤油冷卻器的設計學號：姓名：專業：指導教師：系主任：一、主要內容及基本要求（一）設計原始資料1、設備類型：自選2、操作條件：⑴煤油：入口溫度140℃，出口溫度40℃；⑵冷卻介質：自來水，入口溫度20~25℃，水壓為0.3MPa；⑶允許壓強降：不大于100kPa；⑷換熱器損失的熱負荷：以總傳熱量的3%計；⑸生產地區為湖南岳陽，每年按330天計算，每天24小時連續運行。（二）設計任務及要求1、設計方案的選擇及流程說明根據設計任務書的要求，確定設計方案和工藝流程。2、工藝設計計算選擇適宜的換熱器并進行核算。主要包括：物料衡算和熱量衡算、熱負荷及傳熱面積的確定、換熱器概略尺寸的確定、總傳熱系數的校核等。（注明公式及數據來源）3、結構設計計算選擇適宜的結構方案，進行必要的結構設計計算。主要包括管程和殼程分程、換熱管尺寸確定、換熱管的布置、管板形式及連接方式、管板與殼體的連接、折流板的設置、封頭與殼程接管、殼體直徑及厚度等。（注明公式及數據來源）4、輔助設備的選型與計算流體阻力的計算及其輸送機械的選擇5、繪制工藝流程圖、換熱器的裝配圖繪制工藝流程圖一張、換熱器轉配圖一張（一主視圖、一俯視圖、一剖面圖及兩個局部放大圖；設備技術要求、主要參數、接管表、部件明細表、標題欄）。圖紙手工或CAD繪制均可，圖號大小視具體情況而定。6、編寫設計說明書設計說明書的撰寫應符合規范與要求。二、進度安排序號各階段完成的內容完成時間1設計動員、搜集閱讀資料、擬定設計方案10月23日-10月31日2設計計算、繪制設計圖紙11月1日-11月15日3撰寫設計說明書11月16日-11月23日4設計小結及答辯11月24日三、應收集的資料及主要參考文獻⑴上海醫藥設計院.化工工藝設計手冊（上、下）(M).北京：化學工業出版社，1989.⑵劉福華，林慧珠.工程制圖(M).北京：石油工業出版社，2009.⑶柴誠敬.化工原理(M).北京：高等教育出版社，2009.⑷陳敏恒，叢德茲，方圖南等.化工原理（第三版）(M).北京：化學工業出版社，2006⑸賈紹義，柴誠敬.化工原理課程設計（化工傳遞與單元操作課程設計）(M).天津：天津大學出版社，2002.⑹申迎華，郝曉剛.化工原理課程設計(M).北京：化學工業出版社，2006.⑺時鈞，汪家鼎，余國琮等.化學工程手冊(M).北京：北京工業出版社，1996.⑻錢頌文.熱交換設計手冊(M).北京：化學工業出版社，2002.⑼盧煥章等.石油化工基礎數據手冊(M).北京：化學工業出版社，1982.⑽《化工設備圖冊》編輯委員會.化工設備圖冊(M).化學工業部設備設計技術中心站，1988.一、設計方案的說明1.1換熱器簡介在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。隨著我國工業的不斷發展，對能源利用、開發和節約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計、制造、結構改進及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。在化工生產中，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，應用廣泛。換熱器的類型很多，性能各異，根據冷、熱流體熱量交換的原理不同可將換熱器分為間壁式換熱器、直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器和中間載體式換熱器四大類。以上四種換熱器中以間壁式換熱器應用最為廣泛，型式也最為多樣。按換熱器的傳熱面積形狀和結構分類，可分為管式換熱器、板式換熱器和特殊形式換熱器三類。管式換熱器通過管子壁面進行傳熱，按傳熱管的結構形式可分為管殼式熱換器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、翅片管式換熱器等幾種；板式換熱器通過板面進行傳熱，按傳熱板的結構形式可分為平板式換熱器、螺旋式換熱器、熱板式換熱器、板殼式換熱器及板翅式換熱器等幾種；而特殊型式換熱器是指根據工藝特殊要求而設計的，具有特殊結構的換熱器。如回旋式換熱器、熱管換熱器、同流式換熱器等。其中管殼式換熱器，又稱為列管式換熱器，是一種通用的標準熱換設備。它具有結構簡單、堅固耐用、造價低廉、用材廣泛、清洗方便、適應性強等優點，應用最為廣泛，而在換熱設備中占據主導地位。根據其結構特點又可分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管換熱器。隨著換熱器在工業生產中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優缺點，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結構尺寸。1.2換熱器的設計與選型原則1、合理地實現所規定的工藝條件傳熱量、流體的熱力學參數（溫度、壓力、流量、相態等）與物理化學性質（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過程所規定的條件。設計者應根據這些條件進行熱力學和流體力學的計算，經過反復比較，使所設計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內傳遞盡可能多的熱量。其具體做法如下。①增大傳熱系數：在綜合考慮流體阻力及不發生流體誘發振動的前提下，盡量選擇高的流速。②提高平均溫差：對于無相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因為這樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結構中的溫差應力。在允許的條件時，可提高熱流體的進口溫度或降低冷流體的進口溫度。③妥善布置傳熱面：例如在管殼式換熱器中，采用合適的管間距或排列方式，不僅可以加大單位空間內的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。錯列管束的傳熱方式比并列管束的好。如果換熱器中的一側有相變，另一側流體為氣相，可在氣相一側的傳熱面上加翅片以增大傳熱面積，更有利于熱量的傳遞。2、安全可靠換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應力以及疲勞壽命計算時，應遵照我國《鋼制石油化工壓力容器設計規定》與《鋼制管殼式換熱器設計規定》等有關規定與標準。這對保證設備的安全可靠起著重要的作用。3、有利于安裝、操作與維修直立設備的安裝費往往低于水平或傾斜的設備。設備與部件應便于運輸與裝拆，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設保溫層。4、經濟合理評價換熱器的最終指標是：在一定的時間內（通常為1年）固定費用（設備的購置費、安裝費等）與操作費（動力費、清洗費、維修費等）的總和為最小。在設計或選型時，如果有幾種換熱器都能完成生產任務的需要，這一指標尤為重要。動力消耗與流速的平方成正比，而流速的提高又有利于傳熱，因此存在一最適宜的流速。傳熱面上垢層的產生和增厚，使傳熱系數不斷降低，傳熱量隨之而減少，故有必要停止操作進行清洗。在清洗時不僅無法傳遞熱量，還要支付清洗費，這部分費用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補償，因此存在一最適宜的運行周期。嚴格地講，如果孤立地僅從換熱器本身來進行經濟核算以確定適宜的操作條件與適宜的尺寸是不夠全面的，應以整個系統中全部設備為對象進行經濟核算或設備的優化。但要解決這樣的問題難度很大，當影響換熱器的各項因素改變后對整個系統的效益關系影響不大時，按照上述觀點單獨地對換熱器進行經濟核算仍然是可行的。1.3換熱器的選型1、類型的選擇一般要根據物流的性質、流量、腐蝕性、允許壓降、操作溫度與壓力、結垢情況和檢修清洗等要素決定選用列管換熱器的型式。從經濟角度看，只要工藝條件允許，應該優先選用固定管板式換熱器。但遇到以下兩種情況時，應選用浮頭式換熱器。①殼壁與管壁的溫差超過70℃；壁溫相差50-70℃。②而殼程流體壓力大于0.6MPa。在本項目中，兩流體溫度變化情況：熱流體（煤油）進口溫度140℃，出口溫度40℃。冷流體（自來水）進口溫度為20~25℃。可知，該換熱器傳熱量較大，因此選擇管式換熱器。而殼壁與管壁的溫差超過70℃，不宜采用有波形膨脹節的固定管板式換熱器，因此初步確定選用浮頭式換熱器。2、流體通道的選擇在列管式換熱器設計中，哪種流體走管程，哪種流體走殼程，需要合理安排。選擇原則：傳熱效果好、結構簡單、檢修與清洗方便。因煤油為混合物，易結垢應走易清洗的一側，且為增加散熱需使熱流體走殼程，冷卻水走管程。3、流體出口溫度的確定在換熱器的設計中，被處理物料的進出口溫度為工藝要求所規定，加熱劑或冷卻劑的進出口溫度一般有來源而定，但它的出口溫度應由設計者根據經濟核算來確定。在本項目中，冷卻水出口溫度未知，但是由于在實際生產過程中，一般冷卻水兩端的溫差控制在5~10℃，因此初步假定出口冷卻水溫度為35℃。4、流體流速的選擇提高流體在換熱器中的流速，將增大對流傳熱系數，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數增加，所需傳熱面積減少，設備費用降低。但是流速增加，流體阻力將增大，操作費用增加。因此，選擇適宜的流速十分重要，適宜的流速應通過經濟核算來確定。5、流體方式的選擇流向有逆流、并流、錯流和折流四種類型。在流體進出口溫度相同的情況下，逆流的平均溫度差大于其他流向的平均溫度差，因此，若無其他工藝要求，一般采用逆流操作。6、材質的選擇在進行熱換器設計時，熱換器各種零部件的材料應根據操作壓力、溫度和流體的腐蝕性以及對材料的制造工藝以及性能等的要求來選取。最后還要考慮材料的經濟合理性。綜上所述，本項目初步確定選用浮頭式換熱器，煤油走殼程，水走管程。二、化工工藝設計的計算2.1確定物性數據2.1.1確定定性溫度煤油（熱流體）自來水（冷流體）2.1.2查得物性數據表2-SEQ表2-\*ARABIC1物性數據流體溫度/℃密度ρ/(kg·m-3)黏度μ/Pa·s定壓比熱容Cp/[kJ·(kg·℃)-1]熱導率λ/[W·(m2·℃)-1]煤油908257.15×10-42.220.14水30995.78.01×10-44.1740.61762.2估算傳熱面積，初選換熱型號2.2.1計算傳熱熱負荷煤油的質量流量煤油所釋放的熱量損失的熱負荷（總傳熱量的3%）為水冷卻的熱量水的質量流量2.2.2計算平均傳熱溫差1、當熱換器中兩流體無相變時，應盡可能從結構上采用逆流或接近逆流的流向以得到較大的傳熱溫差，來強化傳熱。所以選擇逆流熱流體（煤油）溫度T140℃→40℃冷流體（水）溫度t35℃←25℃△t105℃15℃兩流體的對數平均傳熱溫差2、平均傳熱溫差校正選換熱器為單殼程，雙管程結構，但R=10的點在圖上難以讀出，因而采用下式計算由于溫差修正系數>0.8，故選用單殼程可行。兩流體的平均溫差2.2.3選K值，估算傳熱面積參考《化工流體與流動（第二版）》附錄二十六、管殼式換熱器總傳熱系數K的推薦值，取K=310W/(m2·℃)估算總傳熱面積取10%的安全系數，2.2.4初選換熱器型號根據換熱面積，初選換熱器型號F1000II-1.0-206.6，主要參數如下：表2-SEQ表2-\*ARABIC2所選換熱器參數項目參數項目參數外殼直徑D/mm1000管子尺寸/mmΦ25×2.5換熱面積/m2206.6管長L/m4.5管程數Np2管子根數n606中心排管數19管中心距t/mm32管子排列方式正方形管程流通面積/m20.09522.4換熱器的核算1、管程管內水的流速雷諾數2、殼程流通截面積因為管子為正方形排列，取折流擋板間距z=0.3m，折流擋板數則煤油流速因為管子為正方形排列，當量直徑為雷諾數由以上核算看出，所選用的換熱器，管程、殼程的流速和雷諾數都是合適的。2.5傳熱系數的校核2.5.1管程對流傳熱系數流體在圓形管道內作強制湍流因為煤油屬于低黏度（低于兩倍常溫下的水的黏度）流體，因此可用迪特斯和貝爾特關聯式，即流體被加熱時，n=0.4，流體被冷卻時，n=0.3。因為管內流體（水）被加熱，n取0.4，所以2.5.2殼程的對流傳熱系數對于殼體是圓筒，管束中各列的管子數目并不相同，而且大都裝有折流擋板，使得流體的流向和流速不斷變化，因而在Re>100時即可達到湍流。當換熱器內裝有圓缺形擋板（缺口面積約為25%的殼體內截面積）時，殼程流體的對流傳熱系數可用凱恩法求得，即式中，是考慮流體方向的校正系數，可用表示。流體被加熱時=1.05，流體被冷卻時=0.95，對氣體無論被加熱還是被冷卻，=1.0。2.5.3污垢熱阻查《化工流體與流動（第二版）》附錄二十、壁面污垢熱阻，得自來水煤油2.5.4總傳熱系數K查《化工流體與流動（第二版）》附錄十二、某些固體材料的導熱率，得碳鋼故所選擇的換熱器是合適的。2.6換熱器壓力降的核算2.6.1管程壓降對于多管程換熱器，其總阻力為各程直管阻力、回彎阻力及進、出口阻力之和。相比之下，進、出口阻力較小，一般可忽略不計。因此管程總阻力的計算公式為式中，——因直管摩擦阻力引起的壓降，Pa，可按一般摩擦阻力公式計算；——因回彎阻力引起的壓降，Pa，可由經驗公式計算；——管程結垢校正系數，量綱為一，對Φ25mm×2.5mm的管子=1.4；——串聯的殼程數，本項目中=1；——管程數，本項目中=2。上文已計算出，流體在圓形管道內作強制湍流，因此可用下式求，即對于碳鋼管，取管壁粗糙度=0.1mm則得則2.6.2殼程壓降用埃索計算公式其中，式中，——流體橫過管束的壓降，Pa；——流體通過折流擋板缺口的壓降，Pa；——殼程結垢校正系數，量綱為一，對液體=1.15；——串聯的殼程數，本項目中=1；——管子排列方式對壓降的校正系數，對正方形排列=0.3；——殼程流體的摩擦系數，當>500時，；——折流擋板數；——折流擋板間距，m；——按殼程流通截面積計算的流速，m/s，。上文已計算出：=14，=0.3m，=0.159m/s，=29.3，，則結果表明，管程和殼程的壓降均能滿足設計條件。三、換熱器結構的設計3.1管板結構及尺寸的確定3.1.1管板上管子的排列因為殼程流體——煤油，易結垢，因此為方便進行機械清洗，管板上的排列方式為正方形排列。3.1.2管子中心距的確定管子的中心距t稱為管間距，管間距小，有利于提高傳熱系數，且設備緊湊。但由于制造上的限制，一般t=1.25~1.5do，do為管的外徑。查《GB/T151-2014》第17頁，可得常用的do與t的關系，表3-SEQ表3-\*ARABIC1管殼式換熱器t與do的關系換熱管外徑do/mm1014192532384557換熱管中心距t/mm13~1419253240485772分程隔板槽兩側相鄰管中心距tn/mm28323842526068980因為本項目中所選擇換熱管尺寸為Φ25mm×2.5mm，因此管中心距t=32mm，分程隔板槽兩側相鄰管中心距tn=42mm。3.1.3管子在管板的固定方式因為1、設計壓力小于4.0MPa；2、設計溫度小于300℃；3、操作中午震動，午過大的溫度波動及無明顯的盈利腐蝕傾向。因此采用脹接法。3.1.4管板管孔因為本項目中使用的碳素鋼換熱管為高精度等級鋼管，因此按照I級管束標準表3-SEQ表3-\*ARABIC2I級管束管板孔徑換熱管外徑do/mm141519253032353845管孔直徑/mm14.2516.2519.2525.2530.3532.4035.4038.4545.50因為本項目中所選擇換熱管尺寸為Φ25mm×2.5mm，因此管束管板孔徑為25.25mm。3.1.5管板尺寸確定查《換熱器設計手冊》可知，1、未能被換熱管支撐的面積在布管區范圍內，因設置隔板槽和拉桿結構的需要，而未能被換熱管支撐的面積，當換熱管按正方形排列時，式中，——沿隔板槽一側的排管根數，==29.3；——換熱管中心距，本項目中=32mm；——隔板槽兩側相鄰管中心距，本項目中=42mm。則2、管板布管區面積對于多管程的浮頭式換熱器管板，換熱管按照正方形排列時，式中，——換熱管根數，本項目中=606。則管板布管當量直徑管板布管區開孔后的面積5、管束模數對浮頭式換熱器，可用下式求得，式中，——換熱管材料的彈性模量，查《化工設備機械基礎》附錄1，可得碳素鋼的彈性模量為194×103MPa；——一根換熱管管壁金屬的橫截面積，；——換熱管的長度，本項目中=4500mm。則6、管束無量綱剛度對于浮頭式換熱器管束無量綱剛度，可用下式求得，式中，——管板剛度削弱系數，一般可取值，一般可取0.4；