煤油冷卻器設計(2016—2017年度第一學期)一．任務書.主要內容二．設計方案簡介.換熱器概述列管式換熱器.設計方案的擬定三．工藝計算及主體設備設計熱量設計初選換熱器的類型管程安排（流動空間的選擇）及流速確定確定物性數據計算總傳熱系數計算傳熱面積工藝結構設計管徑和管內流速管程數和傳熱管數平均傳熱溫差校正及殼程數傳熱管排列和分程方法折流板殼程內徑及換熱管選型匯總換熱器核算熱量核算壓力降核算四．輔助設備的計算及選型封頭緩沖擋板放氣孔、排液管假管拉桿和定距管膨脹節接管五．設計結果一覽表六．心得體會七．參考文獻八．主體設備的工藝條件圖一．任務書1.要求學生能綜合運用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規定的時間內完成列管換熱器設計任務。2.使學生了解工程設計的基本內容，掌握化工設計的主要程序和方法，培養學生分析和解決工程實際問題的能力。3.熟悉和掌握查閱技術資料、國家技術標準，正確地選用公式和數主要內容設備型式：列管換熱器冷卻介質：自來水入口溫度：30℃出口溫度：40℃允許壓強降：不大于100kPa煤油定性溫度下的物性參數：密度825kg/m3粘度×10-4Pa·s比熱容kg·℃導熱系數m·℃水定性溫度下的物性參數：密度994kg/m3粘度×10-4Pa·s比熱容kg·℃導熱系數m·℃主體設備工藝條件圖。二．設計方案簡介.換熱器概述在化工、石油、能源、制冷、食品等行業中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業的通用設備,并占有十分重要的地位。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，不同類型的換熱器也各有優缺點，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。列管式換熱器列管式換熱器又稱管殼式換熱器，在化工生產中被廣泛應用。它的結構簡單、堅固、制造較容易，處理能力大，適應性能，操作彈性較大，尤其在高溫、高壓和大型裝置中使用更為普遍。結構簡單，在相同的殼體直徑內，排管最多，比較緊湊，使殼側清難。當管子與殼體壁溫相差大于50°C時，應在殼體上設置溫差補償--膨脹節，依靠膨脹節的彈性變形可以減少溫差應力。但是當殼體與管子的溫差大于60°C及殼程壓力超過6×105Pa時，由于補償圈過厚，難其結構特點是只有一個管板。換熱管為U形，管束可以自由伸縮，當殼體與U型換熱管有溫差時，不會產生溫差應力。密封面少，運行可靠，造價較低，管間清洗較方便。但是由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率低；管束最內層管間距較大，殼程易短路；內層管子壞了不能更換，因而報廢率較高。一般用于管、殼壁溫差較大或殼程介質易結垢而管程介質清潔以及高溫高壓、腐蝕性強的場合。當換熱管與殼體有溫差存在時，殼體與換熱管膨脹，互不約束，不會產生溫差應力，管內與管間的清洗均方便。但是由于結構復雜、笨重，造價較高，適用于殼體與管束間溫差較大，或殼程介質易結垢的場合。設計方案的擬定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的固定管程走什么，殼程走什么。本設計中選擇使循環工業硬水走管程，煤油走殼程。任務書中已知冷熱流體的物性數據，有比熱容，密度，粘度，導熱系數等。計算出總傳熱系數，再計算傳熱面積。根據管徑，管內流速確定傳熱管數，算出傳熱管程，傳熱管總根數等。然后校正傳熱溫差及殼程數，確定傳熱管排列方式和分程方法。根據設計步驟，計算出殼量，官稱對流傳熱系數，傳熱系數，傳熱面積進行核算，再算出面積裕度，最后，對流體的流動阻力進行計算三．工藝計算和主體設備設計熱量設計初選換熱器類型兩流體的溫度變化情況如下：（1）煤油：入口溫度140℃,出口溫度40℃;（2）冷卻介質：自來水，入口溫度30℃,出口溫度40℃;該換熱器用循環冷卻自來水進行冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計所需換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，需考慮熱膨脹的影響，相應地進行熱膨脹的補償，故而初步確定選用帶有膨脹節的管板式換熱器。管程安排及流速確定已知兩流體允許壓強降不大于100kPa；兩流體分別為煤油和自來水。與煤油相比，水的對流傳熱系數一般較大。由于循環冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，考慮到散熱降溫方面的因素，應使循環自來水走管程，而使煤油走殼程。選用Φ25×的碳鋼管，管內流速取u=s。i列管式換熱器內的適宜流速范圍流速/（m/s）流速/（m/s）>易結垢液體流體種類一般液體氣體確定物性數據定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進22根據定性溫度，可分別查取殼程和管程流體的有關物性數據,但任務計算總傳熱系數W=25000kg/hhh由以上的計算結果以及題目已知，代入下面的式子，有：Q=WC(T-T)=25000Kg/h×kg.℃×（140-40）℃=5550000KJ/h=計算兩流體的平均傳熱溫差，先按單殼程、多管程計算逆流時，我們有>，故可選用單殼程又因T-t=55℃>50℃,所以應選擇補償圈補償熱方式，在固定管板上由以上的計算結果以及已知條件，很容易算得：選擇時，除要考慮流體的物性和操作條件外，還應考慮換熱器的iiiiiiiiddi=m℃ob=在下面的公式中，代入以上數據，可得────iiiio由以上的計算數據，代入下面的公式，計算傳熱面積：工藝設計管徑和管內流速選用Φ25×的碳鋼管，管長6m，管內流速取ui=s。管程數和傳熱管數根據傳熱管的內徑和流速，可以確定單程管子根數：2 ii4按單程計算，所需傳熱管的長度是：若按單程管計算，傳熱管過長，宜采用多管程結構，可見取傳熱管pl6平均傳熱溫差校正及殼程數此時：平均傳熱溫差校正系數按單殼程，多管程結構，查有關溫差校正系數表，以1/R殼程的列管式換熱器。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形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距t=，則橫過管束中心線的管數殼程內徑和換熱管的選型匯總(1)采用多管程結構，取管板利用率η=，則殼體內徑為NηNη圓整可取D=800mm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h=×800=200mm故可取h=200mm，取折流板間距B=,則B=×800=240mm，可取折流板圓缺水平裝配。殼程內徑及換熱管選型匯總外殼直徑D外殼直徑D800mm公稱面積S管程數管尺寸管排方式—正三角形管程流通面積S4換熱器核算熱量核算（1）殼程對流傳熱系數對圓缺形的折流板，可采用克恩公式：計算殼程當量直徑，由正三角形排列可得：2-2由于管為三角形排列，則有由于管為三角形排列，則有（2）管程對流傳熱系數管程流通截面積:（3）傳熱系數K根據冷熱流體的性質及溫度，在(GB151-99P140-141)選取污垢熱阻：m在下面的公式中，代入以上數據，可得（4）傳熱面積S由K計算傳熱面積S'該換熱器的實際傳熱面積Sp傳熱面積裕度合適，該換熱器能完成生產任務。壓力降核算因為殼程和管程都有壓力降的要求，所以要對殼程和管程的壓力降（1）管程流動阻力管程壓力降的計算公式為：其中Ns=1,Np=4,Ft=Re=，為湍流，傳熱管相對粗糙度為202.3,所以管程流動阻力在允許范圍之內。（2）殼程流動阻力Ft——殼程壓力降的垢層校正系數，對液體Ft=；流體流經管束的阻力Bo,0n——橫過管束中心線的管子數，對正三角形排列nccNB——折流擋板數流體流經折流板缺口的阻力其中,,0經過以上的核算，我們發現，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。四.輔助設備的計算和選擇封頭封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小（一般小于400mm）的殼體，圓形用于大直徑的殼體。以上設計中，殼體直徑D=800mm，所以選緩沖擋板緩沖擋板可以防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束的振動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。放氣孔、排液管換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝結氣體和冷為減少管程分程所引起的中間穿流的影響，可設置假管。假管的表面形狀為兩端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面兩管板之間但不穿過管板，可與折流板焊接以便固定。假管通常是每隔3-4排換熱管安置拉桿和定距管為了使折流板能牢固的保持在一定的位置上，通常采用拉桿和定距管。所選擇的拉桿直徑為12mm，拉桿數量為4，定距管φ25×膨脹節膨脹節也叫補償圈，其彈性形變可減小溫差應力。換熱器的膨脹節一般分為帶襯筒的膨脹節和不帶襯筒的膨脹節。根據換熱器殼側介質的不同，使用的膨脹節就不同，通常為了減小膨脹節對介質的流動阻力，常用帶襯筒的膨脹節。襯筒應在順介質流動的方向側與殼焊接。對于臥室換熱器，膨脹節底部應采用帶螺塞結構，這樣便于排液。接管換熱器中流體進、出口的接管直徑按下式計算，即：s殼程流體進出口接管：取接管內油品流速為u=s,則接管內徑取管內徑為120mm管程流體進出口接管：取接管內冷卻水流速為u=s，則接管內徑取標準管內徑為180mm流量kg/h132966壓力MPa密度kg/m3994825kJ/kg·℃物性導熱系數W/m·℃普蘭特數設備結構參數設備結構參數4管程數帶有膨4管程數脹節的管板式換熱器殼體內徑mm800殼程數1管心距mm32管心距mm326000管子排列正三角管長6000管子排列正三角折流板數(個)折流板數(個)23主要計算結果管程殼程流速m/s對流傳熱系數W/㎡·℃6594590污垢熱阻㎡·℃/W阻力損失MPa熱負荷kW平均傳熱溫差℃W/㎡·℃總傳熱系數W/㎡·℃%裕度%五．設計結果一覽表換熱器主要結構尺寸和計算結果匯總表六．心得體會對設計結果的分析從設計結果可以看出，若要保持傳熱系數，溫度越大，換熱管數越多，折流板數越多，殼徑越大，這主要是因為煤油出口溫度升高，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積增大，才能保證Q和K。因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應的增大，通過這個設計，可以了解到，為提高傳熱效率，降低經濟投入，設計參數的選擇十分重要。在本設計中，換熱器的安全系數為%，相對來說有些偏高，所以，在面積和初選換熱系數上，還有提高的余地，可以選擇更加合理的換熱器參數，來提高換熱效率和運行的安全性。在設計過程中，可以看出，換熱器的換熱過程可以從以下三個方面考慮1）增大傳熱面積S，從設備的結構來考慮，提高其緊湊性，即單位面積提供較大的傳熱面積，改進傳熱面的結構；（2）增大平均溫差△t,可以提高傳熱速率，當換熱器兩側流體均變溫時，采用逆流操作可m得到較大的平均溫度差；