..XX石油化工學院化工原理課程設計說明書題目：柴油預熱原油的管殼式換熱器學生班級：學生姓名：學生學號：18指導教師：李燕化學化工學院年月日化工原理課程設計任務書設計題目：列管式換熱器設計二、設計任務及操作條件某煉油廠用柴油將原油預熱。柴油和原油的有關參數如下表,兩側的污垢熱阻均可取1.72×10-4m2.K/W,要求兩側的阻力損失均不超過0.5×10三、設計要求提交設計結果,完成設計說明書。設計說明書包括：封面、目錄、設計任務書、設計計算書、設計結果匯總表、參考文獻及設計自評表、換熱器裝配圖等。〔設計說明書及圖紙均須手工完成四、定性溫度下流體物性數據物料溫度℃質量流量kg/h比熱kJ/kg.℃密度kg/m3導熱系數W/m.℃粘度Pa.s入口出口柴油175T2342202.487150.1330.64×10-3原油70110443302.208150.1283.0×10-3推薦總K=45~280W/m.℃注：若采用錯流或折流流程,其平均傳熱溫度差校正系數應大于0.8五、參考書目:姚玉英.化工原理,上冊,1版.天津:天津大學出版社,1999柴誠敬.化工原理課程設計.1版.天津:天津大學出版社,19943、匡國柱.化工單元過程及設備課程設計.1版.北京:化學工業(yè)出版社,20024、李功祥.常用化工單元設備設計.1版.XX:華南理工大學出版社,2003..目錄1.設計任務書 12.概述 23.設計條件及物性參數表 24.方案設計和擬定 35.設計計算 66.熱量核算 11參考文獻 168.心得體會 17..1．設計任務書1.1設計題目用柴油預熱原油的管殼式換熱器1.2設計任務1.查閱文獻資料,了解換熱設備的相關知識,熟悉換熱器設計的方法和步驟；2.根據設計任務書給定的生產任務和操作條件,進行換熱器工藝設計及計算；3.根據換熱器工藝設計及計算的結果,進行換熱器結構設計；4.以換熱器工藝設計及計算為基礎,結合換熱器結構設計的結果,繪制換熱器裝配圖；5.編寫設計說明書對整個設計工作的進行書面總結,設計說明書應當用簡潔的文字和清晰的圖表表達設計思想、計算過程和設計結果。1.3操作條件物料溫度℃質量流量kg/h比熱kJ/kg.℃密度kg/m3導熱系數W/m.℃粘度Pa.s入口出口柴油170T2350802.487150.1330.64×10-3原油60105411042.208150.1283.0×10-3概述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,吸收熱量在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設備,并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產中的地位和作用不同,換熱器的類型也多種多樣,不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點,性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器,它在工業(yè)上的應用有著悠久的歷史,而且至今仍在所有換熱器中占據主導地位。3.設計條件及物性參數表3.1操作條件原油：入口溫度60℃出口溫度105℃質量流量：41104kg/h加熱介質柴油：入口溫度170℃出口溫度T2質量流量：<35080>kg/h允許壓降：不超過0.3×105Pa4.方案設計和擬訂根據任務書給定的冷熱流體的溫度,來選擇設計列管式換熱器中的浮頭式換熱器；再依據冷熱流體的性質,判斷其是否易結垢,來選擇管程走什么,殼程走什么。在這里,柴油走管程,原油走殼程。從手冊中查得冷熱流體的物性數據,如密度,比熱容,導熱系數,黏度。計算出總傳熱系數,再計算出傳熱面積。根據管徑管內流速,確定傳熱管數,標準傳熱管長為6m,算出傳熱管程,傳熱管總根數等等。再來就校正傳熱溫差以及殼程數。確定傳熱管排列方式和分程方法。根據設計步驟,計算出殼體內徑,選擇折流板,確定板間距,折流板數等,再設計殼程和管程的內徑。分別對換熱器的熱量,管程對流系數,傳熱系數,傳熱面積進行核算,再算出面積裕度。最后,對傳熱流體的流動阻力進行計算,如果在設計范圍內就能完成任務。4.1列管式換熱器種類選取根據固定管板式的特點：結構簡單,造價低廉,殼程清洗和檢修困難,殼程必須是潔凈不易結垢的物料。U形管式特點：結構簡單,質量輕,適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難,管程流體必須是潔凈和不易結垢的物料。浮頭式特點：結構復雜、造價高,便于清洗和檢修,完全消除溫差應力,應用普遍。我們設計的換熱器的流體是油,易結垢,再根據可以完全消除熱應力原則我們選用浮頭式換熱器。4.2管程與殼程的選取根據以下原則：不潔凈和易結垢的流體宜走管內,以便于清洗管子腐蝕性的流體宜走管內,以免殼體和管子同時受腐蝕,且管子也便于清洗和檢修3.壓強高的流體宜走管內,以免殼體受壓4.飽和蒸氣宜走管間,以便于及時排除冷凝液,且蒸氣較潔凈,冷凝傳熱系數與流速關系不大5.被冷卻的流體宜走管間,可利用外殼向外的散熱作用,以增強冷卻效果。6.需要提高流速以增大其對流傳熱系數的流體宜走管內,因管程流通面積常小于殼程,且可采用多管程以增大流速。7.粘度大的液體或流量較小的流體,宜走管間因流體在有折流擋板的殼程流動時,由于流速和流向的不斷改變,在低Re<Re>100>下即可達到湍流,以提高對流傳熱系數,我們選擇柴油走管程,原油走殼程。4.3流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速,將加大對流傳熱系數,減少污垢在管子表面上沉積的可能性,即降低了污垢熱阻,使總傳熱系數增大,從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加,又使流體阻力增大,動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經濟衡算才能定出。此外,在選擇流速時,還需考慮結構上的要求。例如,選擇高的流速,使管子的數目減少,對一定的傳熱面積,不得不采用較長的管子或增加程數。管子太長不易清洗,且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時應予考慮的問題。在本次設計中,根據表換熱器常用流速的范圍,取管內流速4.4管子的規(guī)格和排列方法選擇選擇管徑時,應盡可能使流速高些,但一般不應超過前面介紹的流速范圍。易結垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標準中僅有φ25×2.5mm及φ19×mm兩種規(guī)格的管子。在這里,選擇φ25×2.5mm管子。管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清洗,且易彎曲。一般出廠的標準鋼管長為6m,則合理的換熱器管長應為1.5、2、3或6m。此外,管長和殼徑應相適應,一般取L/D為4～6<對直徑小的換熱器可大些>。在這次設計中,管長選擇4m。

管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列等,等邊三角形排列的優(yōu)點有:管板的強度高；流體走短路的機會少,且管外流體擾動較大,因而對流傳熱系數較高；相同的殼徑內可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點是便于清洗列管的外壁,適用于殼程流體易產生污垢的場合；但其對流傳熱系數較正三角排列時為低。正方形錯列排列則介于上述兩者之間,即對流傳熱系數<較直列排列的>可以適當地提高。

管子在管板上排列的間距<指相鄰兩根管子的中心距>,隨管子與管板的連接方法不同而異。通常,脹管法取t=<1.3～1.5>d,且相鄰兩管外壁間距不應小于6mm,即t≥<d+6>。焊接法取t=1.25d4.5管程和管殼數的確定當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數很多時,有時會使管內流速較低,因而對流傳熱系數較小。為了提高管內流速,可采用多管程。但是程數過多,導致管程流體阻力加大,增加動力費用；同時多程會使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少,設計時應考慮這些問題。列管式換熱器的系列標準中管程數有1、2、4和6程等四種。采用多程時,通常應使每程的管子數大致相等。根據計算,管程為6程,殼程為單程。4.6折流擋板安裝折流擋板的目的,是為了加大殼程流體的速度,使湍動程度加劇,以提高殼程對流傳熱系數。最常用的為圓缺形擋板,切去的弓形高度約為外殼內徑的10～40％,一般取20～25％,過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離<板間距>B為外殼內徑D的<0.2～1>倍。系列標準中采用的B值為:固定管板式的有150、300和600mm三種,板間距過小,不便于制造和檢修,阻力也較大。板間距過大,流體就難于垂直地流過管束,使對流傳熱系數下降。這次設計選用圓缺形擋板。

換熱器殼體的內徑應等于或稍大于<對浮頭式換熱器而言>管板的直徑。初步設計時,可先分別選定兩流體的流速,然后計算所需的管程和殼程的流通截面積,于系列標準中查出外殼的直徑。5．設計計算5.1確定設計方案5.1.1選擇換熱器的類型因為,所以,=得到=123.2256兩流體溫度變化情況：熱流體〔柴油進口溫度170℃,出口溫度123.2256℃；冷流體〔原油進口溫度60℃,出口溫度105℃。該換熱器用柴油預熱原油,為易結垢的流體。該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大,因此初步確定選用浮頭式換熱器。5.1.2流動空間及流速的測定為減少熱損失和充分利用柴油的熱量,采用柴油走管程,原油走殼程。選用φ25×2.5mm的碳鋼管,根據表三—管內流速取ui=1.0m/s。.5.2確定物性數據根據定性溫度,分別查取殼程和管程流體的有關物性數據。柴油的有關物性數據如下：密度定壓比熱容導熱系數黏度原油的物性數據：密度定壓比熱容導熱系數黏度5.3計算總傳熱系數5.3.1熱流量5.3.2平均傳熱溫差5.3.3總傳熱系數K管程傳熱系數殼程傳熱系數假設殼程的傳熱系數污垢熱阻管壁的導熱系數5.4計算傳熱面積考慮15%的面積裕度,5.5工藝結構尺寸5.5.1管徑和管內流速選用傳熱管<碳鋼>,取管內流速5.5.2管程數和傳熱管數依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數按單程管計算,所需的傳熱管長度為按單程管設計,傳熱管過程,宜采用多管程結構?，F取傳熱管長,則該換熱器管程程數為傳熱管總根數平均傳熱溫差校正及殼程數平均傳熱溫差校正系數按單殼程,4管程結構,溫差校正系數應查附圖一——對數平均溫度校正系數。可得平均傳熱溫差5.5.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法,即每程內均按正三角排列,隔板兩惻采用正方形排列.取管心距,則橫過管束中心線的管數5.5.5殼體內徑采用多管程結構,取管板利用率,則殼體內徑為圓整可取5.5.6折流板采用弓形折流板,取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%,則切去的圓缺高度為取折流板間距,則可取B為200mm。折流板數折流板圓缺面水平裝配。5.5.7接管殼程流體進出口接管:取接管內流速為,則接管內徑為取標準管徑為150mm。管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速,則接管內徑為取標準管徑為150mm。5.6熱量核算5.6.1.1殼程對流傳熱系數對圓缺形折流板,可采用凱恩公式當量直徑,由正方形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數分別為普蘭特準數粘度校正5.6.1.2管程對流傳熱系數管程流通截面積管程流體流速及其雷諾數分別為普蘭特準數5.6.1.3傳熱系數K5.6.1.4傳熱面積S該換熱器的實際傳熱面積該換熱器的面積裕度為傳熱面積裕度大,該換熱器能夠完成生產任務5.6.2核算壓力降5.6.2.1管程壓力降,,,由,傳熱管相對粗糙度,查附圖二——摩擦系數與雷諾準數及相對粗糙度的關系得,流速,,所以管程壓降在