煤油冷却器的设计.docx

京工业大学材料工程原理B课程设计设计题目：煤油冷却器的设计专业：高分子材料科学与工程班级：高材0801学号：(M姓名：夏亚云指导教师：周勇敏日期：2010/12/30设计成绩：目录一.任务书一,设计题目.设计任务及探作条件.设计要求二.设计方案简介.捶热器概述列臂式换热器.设计力窠的拟定.工2流程简图三热ttit)B三1«.初选换热婚的类51."程安排（流动空间的选择）及i比速酹定.确定物件数掂.计算总传热系款.计算一热面积四.工艺结构校计.管凭和管内流速.笆程数和传热管数,，均传热出差校正反光程效.传热首排列和分积方法.亮程内径及控热荷选型汇总折流版,接管五换热暑核算.热殿核算.压力对核算六.Ht助设冬的计算和逸异(.-13-,水泵的选界.油泵的选杯七设计结果表汇.参考文献.-20-21附图：（主体设备设计图，工艺流程简图）§一.化工原理课程设计任务书设计题目煤油冷却换热器设计设正任务及操作条件1、处理能力X10,t）2、设备型式列管式换热器3,操作条件（1）煤油:入F1.温度MOiC,出口温度40匕（2）冷却介质：工业硬水,入口温度20匕，出口温度40C（3油侧与水侧允许点强降:不大于10'Pa（4）每年按330天计，每天24小时连续运行（5）燥油定性温度下的物性参数：名称P<kgm)Cp(kjkg.X?)（）(>/.-C)油825×10,设计要求选择合适的列管式换热器并进行核算绘制换热器装配图（见A4纸另附）§二.设计方案简介换热港概述换热器是化工，炼油工业中普遍应用的典型的工艺设在化工厂，换热器的粉用妁占总费用的10V20,在炼油厂约占总明用35%'40%换热器在其他部门，如动力、原子能、冶金、食出、交通、环保、家电等也有著广泛的应用.因此.设计和选择得到使用、商效的换热器时降低设备的造价和操作费用具有十分正要的意义，在不同温度的液体间传递热能的装置称为热交换器即简称换块洛是将热流体的部分热Si传递给冷流体的设备.换热器的类盘按传热方式的不同可分为：混合式、背热式和间壁式.其中间壁式换热器应用最广泛.列管式换热器因设计需要，下面荷单介绍下列管式换热器列管式换热器又称管壳式换热器,在化工生产中被广泛应用.它的结构简唯、坚固、制造较容易，处理能力大，适应性能，操作弹性较大，尤其在裔祖、裔压和大型装附中使用更为普遍.固定管板式固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构荷单造价低度的优点。值是由于光程不易检修和清洗.因此无方流体应是较为洁净且不易结垢的物料.当两流体的淑度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿陷（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位爆上一个补隹圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补快圈发生弹性形变，以适应外壳和管束的不同的热膨张程度.这种热补偿方法简便，但不宜用于两漉体温度差太大和壳方流体压强过诲的场合。I一挡板2-补偿圈3-放气唠图固定管板式换热器的示意图浮头式这种换热涔有一段管板不与壳体相连，可沿轴向自由伸缩,这种结构不但可完全消除热应力，而I1.在清洗和检修时，整个管束可以从壳体中抽出，因此,尽管其架构较发杂，造价较高,但应用仍较普通.形管式每根管子都穹成U形，两端固定在同一个管板上，因此，每根管子皆可自由部缩，从而解决热补偿问题.这种结构较简单，质后轻,适用于高温高压条件.其法点是管内不易清洗，并且因为管子要有一定的鳄曲半径，其管板利用率较低。i殳计方案的拟定根据任务书给过的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热潜的固定管板式换热器：再根据冷热流体的性坛，判断尤是否容易结垢，来选择管程走什么，克程走什么.本设计中选择使循环工业现水走管程，煤油走壳程。从资料中荏得冷热流体的物性数据，如比热容，密¢.枯度，导热系数等.计算出总传热系数，再计算传热面枳。根据管径.管内流速确定传热管数.算出传热管程，传热管总根数等.然后校正传热品茏及光程数，倘定传热管排列方式和分程方法,根据设计步题I,计算出光体内径,选择折流板,确定板间跑，折流板数等：接新再对换热海的热量.百称对流传热系数,传热系数.传热面积进行核算，再停出面积裕度，G后,财流体的流动阻力进行计豫，工艺流程简图（见附图）§三.工艺计算和主体设备设计初选换热器类型两流体的9度变化情况如下：(1)燃油：入口温度MOIC,出11墨度4Q-C：(2)冷却介侦；自来水，入口温度30C,出口温度40C；该换热器用循环冷却自来水进行冷却，冬季操作时,其进口温度会降低，考略到这一因索估计所需换热潺的管壁温度和光体淑度之差较大,需考虑热膨胀的影响,相应地进行热膨胀的补偿，故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器.管程安坤及流速确定己知两流体允许压强降不大于100kPa；的液体分别为煤油和自来水。与燃油相比，水的对流传热系数一般较大.由于循环冷却水技易结垢.若其流速太低,将会加快污垢增长速度，使换热器的效流盘下降.考虑到散热降温方面的因素，应使循环自来水走管程，而使煤油走光程,选用中25X的碳钢管，管内流速取u,=s.表3-2,列管式换热器内的适宜流速范困流体种类流速/(ms)管程克程一般液体'3易结垢液体>1>气体5'303*15表3-3.不同粘度液体的流速(以普通别堡为例)液体粘度/Pa.S>15001500-500500-100100-35357<1域大流速/(ms)确过物性数据定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体.其定性胆度可取流体进出U甜度的平均值.140.40光程流体(燃油)的定性温度为：T=-=90管程流体蚀水)的定性温度为：/=与丝=3°C根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的仃关物性数据,密度/(kg三3)比热容/(kJkgC)粘度/(Pas)导热系数(WmC)煤油825X10-4水(30C)996×10-4计算总传热系数(1).煤油的流效己知要求处理能力为万吨煤油储年(每年按330天计，每天24小时连续运行，则煤油的流量为：Jg=158000t/(33OX24)=19949.5必/hWh热流体的流业，kgh5(2).热漉J由以上的计算结果以及即目已知,代入下面的式子，有：(>W,C1.,(T1.-T.)=h×k,×(140-40)=4428789KJh=1230219*(3.平均传热温差计算两流体的平均传热温差，哲时按单壳程、多管程计算，逆流时，我们有煤油：IIO'C-IO'C水：-10C-20C从而&J(140-40)-(40-20),140-40In40-20此时/:-/140-20c,rP=0.17T1.-/I140-20CTx-Ti140-40UR=52-n40-20式子中：IZ热流体(煤油)的进出口温度，K或C%一冷流体(自来水)的进出口温度，K或c；由图4-25(参见化学J：业出版社的化J1.区理<第四版A147页，可查褥：WM所以，修正后的传热温度差为；w-wV,=49.7×0.83=41.3'C(4).冷却水用fit由以上的计算结果以及已知条件，很容易算得:=53052kg/h(5.总传热系数K选择时，除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。1.管程传热系数：Re-H=扭0.02×0.5×9960.0008712439ncfu,4174x0.0008007Pn=-=5.410.6176/(虫生严(乂1.产4M4=A(RCdYPrDE=0.023x12439。"×5.41.,ud.0.02=2633Ir,C2.光程传热系数：假设光程的传热系数是：,=700Itf,c污垢热用：R"=CU'RM=mX/W管壁的导热系数:管壁厚度：内外平均厚度：在下面的公式中,代入以上数据,可下=392Kz(C)(6).计口传热面枳由以上的计算数据.代入下面的公式,计算传热面枳:2=45mX/Ib=dm-=76.0m-5,Q1230219一KZIU_392x41.3考虑15$的面枳裕度,则:S=1.155,=87.4m2§四.工艺结构设计.管径和管内流速选用25X的搂钢管，管长6m,管内流速取ui=s.管程数和传热管数根据传热管的内径和流速.可以确定的程管子根数:=94.2N95(根)匕53052/(3600x996)；u,0.785×0.022×0.5按中程计算.所葡传热管的长度是：,S87.411.1.=11.7m矶*3.140.025×95若按单程笆计算，传热管过长,宜采用多管程结构,可见若传热管长1.=6m,则该传热管程数为：N,'=耳W2(管程)则传热管的总根数为：N=NrX”,=295=I90(根).平均传热温差校正及光程数r,(140-40)-(40-20)=497,140-40in40-20此时：=40-20=0117由图4-25参见化学工业出板社的，化工原理(第四版冲M7页，可查得：Wp=>,所以，修正后的传热温度差为：Jm-n,i=49.7×0.83=41.3TC于是,校正后的平均传热温差是C光程数为常程.管程数为2.传热管排列和分程方法采用俎合抒列法，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I=,则Z=1.25x25=31.2532(wjw)横过管束中心线的铃数n.=1.19W=1.191.90=16.417(根).光程内径和换热管的选型汇总(D采用多管程结构，取管板利用率n=,则壳体内径为即整可取DMOOrrm(2)换热管的选型汇总根据以上的计算可以得到如卜的计总结果:DN,am600管程数2光程数1管子规格25*管子根数190中心排管数17管程流通面积.=换热面积,一换热器长度.Uin6000通过在表，可以发现下面的结构尺寸的换热器和所需的比较接近，故而选择该种换热器：DN.Wn600管程数2光程数1管子规格25*笆子根数232中心排管数16管程流通面积,-2换热面积，'换热器长度，Mn6000.折流板设置折流板的目的是为了提高流速.增加湍动,改善传热，在卧式换热港中还起支撑管束的作用.常用的有弓形折流板(图120)和网盘回环形折波板(图121),弓形折流板又分为单弓形图1.-20(a>、双弓形图1-20(b)、三重弓形图1-20<c>等几种形式。(b)g88gg6884(8888888一一oggoo/(C)x*x*z图1-20弓形折流板图1-22单弓形折潦板单弓形折流板用得最多.弓形喊I的高度h为光体公称口径Dg的15%45%,最好是20.见图1.-22（八）s在卧式冷凝器中，折液板底部开一90°的法口，见图1-22<b).高度为1520111m,供停工排除残液用；在某些冷凝涔中需要保留一部分过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头，这时可采用攫的折流板，见图1-22<c>.ff1.1-21IH盘则环形折流板在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折漉板背后接近亮体处，会有一部分液体停满起来，形成时传热不利的“死区为了消除这种弊病，宜采用双弓形折流板或三弓形折流板，从传热的观点考虑,有些换热潺(如冷凝器)不需要设置折流板,但为增加换热潺的刚度，防止管了振动，实际仍然制要设设一定数E的支承板,其形状与尺寸均按折漉板样来处理，折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离，其结构形式可参见图卜23。图1-23折流板安装图由于换热器是动用不同，以及光程介质的流量、粘度等不同，折流板间柜也不同，其系列为：100m11.15011m.20011rn.3O011rn.450mm.60011m.8O011m.100011m.允许的最小折流板间定为克体内径的20%或5（am,取及中较大位,允许的城大折流板间距与西径和壳体口径有关，当换热器内流体无相变时，其最大折流板间距不得大于克体内径，否则流体流向就会与管子平行而不是垂口于管子，从而使传热膜系数降低.折流板外径与亮体之间的间解越小光程流体介质由此池混的址越少.即减少/流体的短路,使传热系数提高，但间隙过小，给制造安装带来困碓，增加设备成本.故此间瞭要求适宜。折流板厚度与壳体直径和折流板间跖有关，见表所列数据，发折流板厚度/11m壳体公称内相邻两折流板间距mm径/mW300300450450-600600750>750200250356101040070056101012700100068101216>1000610121616支承板厚度一般不应小于表左）中所列数据。支承板允许不支承的最大间距可参考表（右）所列数据。表支承板岸度以及支承板允许不支承的最大间扑克体直径11m<400100-«009001200管子外径mm19253857支承板厚度11m6810最大间距mm1500180025003400经选择,我们果用弓形折流板,取弓形折流圆!法高度为克体内径的25%,则切去的的缺高度为:h=X600=15Onin取折流板间距B=.则:B-×600-18011三可取B=20011m因而也表可得；折流板厚度为5mm,支承板厚度为8«m,支承板允许不支承最大间距为180Onnu折流板数”=4鬻余=黑-1=29(块)物流板间距200折流板圆跳面水平装配“.接管光程流体进出1时接管取接管内油品流速为U=S则接管内径为：因=j4x1.9949.5(3600×82=°喇VmV3.14x1.0所以，取标准件的内径为100m日。查表沟,PN的接管外伸长度为150wn.管程漉体进出门时的接管取接管内循环水流速U=S,则接管内径；d4qW600996)o1.1.2wV3.I4×1.5取标准管径为12O三n.杳表得，杳表得，PN的接管外伸长度为200mm。接管最小位置换热器设计之中，为了使换热而枳得以充分利用，克程流体进出U接管应尽技靠近两堆的管板，而管箱的进出口层量旅近誉箱法兰，从而减轻设备电量.所以，壳程和善程接管的垃小位置的计算就能得很必要了。1) .光程接管位置的最小尺寸所设计的为带补强圈的光程接管，则克程接管位置的最小尺寸1.1可用如下公式计兑：1.,-+(Z-4)+C式子中：DH一一补强圈的外版直径，Innb普板原座，miC一一补强圈外缘至管板与壳体焊健之间的距离，11三°而f1.C4Sf1.C32,S为壳体用度.羟计算易得，光程接管位置的城小尺寸为：12011三2) .管程接管位词的域小尺寸所设计的为带补强圈的管程接管，则管程接管位置的最小尺寸1.可用如下公式计算：小与+g-4)+C式子中；D11补强圈的外圈直径，伽b一一管板厚度.11mC一一补期圈外缘至管板与光体焊缝之间的距离，11m-而且.CM4SRCM32S为光体厚度。经计笄易得,港程接忏位置的最小尺寸为：140帼。其他附件本传热器传热笆外径为25m.故拉杆直径为4>16拉杆数为6个，克程入【I出应设置防冲挡板。§五.换热器核算热Bk核算竞程对流传热系数对即缺形的折流板，可采用克恩公式：a。=0.36人(任更严(丝)J(幺严</.p必计算光程当量口径，由正三角形排列可得：4(t2-d1.1.)4(-0.032i-0.785x0.0252)dr=-=,也)3.14x0.025光程流通散而积：S。=/?D(1-=0.18×0,6×(1.-°25)=0.024,H2f0.032光程流体流速为：=妃=99495(3600x825)=02M人SOpS“0.024田诺准数为：dIiiopii0.025×0.28×825o._Reo=-=80/7/00.000715普朗特准数；Ccap2220×0.000715,Pr=-=11.34o0.14粘座校正(旦)u'I小«o=0.364(5产“空产(旦Zd<p><=0.36××8077055×11.34''=798MT("J"C)0.02管程对流传热系数=0.023-RIV善程流通被面积：10()S.=0.785X0.022X=0.0298(m2)管程流体流速：.53。52/(36。，996)=0-0.029X击诺准数为:0.02x0.497x996Rf=123640.00080074174×0.0008007P<=3.41普朗特准数:0.61760.02a=0.023-RP,t=0.02312364tt,5.4104=262W"C)传热系数K根据冷热流体的性质及温度，在(GB151-99PM0H4I)选取污垢热阻:污垢热阻：R“=C"R,=-1CW还有，管壁的导热系数：2=45mt”管壁厚度：b=内外平均厚度：d,-在下面的公式中，代人以上数掘，可得0.0250.0250.0025×0.025+0.000344X+2621x0.0200.02045x0.0225+0.000172+798=428.8Hz(m2-C)所以.K的裕度为:人经8一当392传热面积S由K计算传热面枳s'Q23O2I92=：=69.5mKZe428.8×41.3该换热潺的实际传热而枳SpSf=叫1.(N-He=3.14X25×(6-0.06)×(190-17)=80.7(n2)该换热器的面枳裕度为：H=X100%=x0769r,×100%=16.1%S69.5传热面枳裕度合适，该换热器能完成生产任务。流动阻力的计算因为光程和管程都有压力降的要求,所以要对光程和管程的压力降分别进行核算.管程流动阻力管程压力降的计算公式为：ZApi=®+p,)N,Np其中Ns=I,Np=2,Ft=Re=1.23M,为潮流，传热管相对机低度为史=0.00520查-Rc关联图,可得摩擦因数：R=O037“("/工)流速u.=0.497m/.«.p=996Kg/,所以API=让Q=0.037×-×"6.0.497_27473(/>u)d20.022AQc(×z1996×0.4972Q、P:=3X=369.0(Pa)P.=(P+P2)F1N1Np=(2747.3+369.0)1.4×2=8725.6(P0)<IO5Pa苦程流动阻力在允许范围之内。光程流动阻力光程压力降埃泰法公式为：AM=(M=APJ)KM式中M'一流体横过管束的压力降,Pa:P?一一流体通过折流挡板跳口的压力降，Pa；Ft壳程压力降的垢层校正系数，对液体F1.=:Ns光程数：(I)流体流经管束的阻力尔=Ffn(NS+u号-其中F=0.5.fo=5(Re1.)128=0.643.，=17.M=29,u0=0.28/n/sF一管子排列方法对压力降的校正系数，对正三知形界列，F=,对正方形斜转45排列，F=,正方形排列，F=;f,光程流体的摩擦系数,当Rc>500时,b=5(Rej"申n.横过管束中心税的管子数，对正三角形抒列ncN.折流挡板数代入数值得：X2S02R2/VV=0.5X0.643×17×(29+1)，:=5302.6(Pa)(2)流体流经折流板缺U的阻力P%A%(3.5-等色-其中5=0.1，D=0.6?.U11=0.28m/sD壳径，mB折流挡板间距，代入数值得：AC，MCu2O.I8825x0.28?AP?=29×(3.5)X=2719.80.62(3)总咀力APO=(>'+')RNt=(5302.6+2719.8)×1.15×1=9226(P)<10-Pa经过以上的核算，我们发现，铃程压力降和壳程压力降都符合要求。§六.辅助设备的计算和选择水泵的选择流量(/=53O52Kgp=998.2w3<1.,=53052/998.2=53.bn5=1.005×IO,Pas选管内流速"=2.5ms,估算管内径d=I9"=J53.11=0.087m«600吟“V900x3.14x2.5选桃8.5“”x4”水煤气管.内径d=80.5“”，管路总长为15m,其中换热器截面高山蓄水池花面1O11.吸入管路长5m管内流速“=1=3600X-J2453.1900×3.)4×(0.0805)2=2.9011t/sdup0.0805×290998.21.005XIO-3=2.32X10s钢管绝对用糙度取£=0.35，”，”,相对粗糙度£/d=上上=0.004380.5查得摩擦系数2=0.028.限上阀(全开IfId=30().三个90'弯头/,rf=35×3=105管路的压头损失Yhi=0.028X(J'd2g0.0805由伯努利方程，得扬程0QO2+105+300)X=7.10,(水柱)2x9.81=Z+2”,=IO+7,1O=1.7,1.wt(水柱)根据已知流量q、=53.Im5Ih.扬程H=(水柱)可从离心泵规格表中选用型号IS8065125油泵的选择流从=19949.5Kgp=S25Kgmsq=19949.5/825=24.2""J=7.15×10-4P05选管内流速"=05ms估算管内径q、3600-w424.2一900x3.14x0.5选¢14Omm×4.5mm水燃气管.内径4=13Invn.管路总长为ISar两赧面间距离Z=Hm管内流速“=13600×-24.2900×3.14×(0.131)2-0.50""SRc=0.131x03x825=7156x|04钠管绝对粗糙度取£=0,35"”,相对粗糙度£/"=詈=0.002715科摩擦系数=0.03,截止阀（全开=300.两个90°弯头/,/"=35X2=70清路的次头损失150.1310S2+70+300)×=0.19,”(水柱)2X9.81由伯努利方程,得扬程，=Z+Z%=8+0.19=8.19H水柱)根据己知流量g,=24.2m'/联扬程H=（水柱）可从离心系规格表中选用型号IS80-65T60§七.设计结果表汇换热甥主要结构尺寸和计算结果衣参数管程克程进、出ui度.c20/40140/40压力，Pa9226流量,kg/h53052物性物性温度，-C3090密度.kgm3996825定压比热容.kJ/(kgTC)tt®.Pas热导率，.,C结构参数形式管板式换效涔光程数1光体内径.Inn600台数1管径，ma25×2.5管心第，Iim32管长，11三6000管子排列管数，根190折流板数，个29传热面积，m2折流板间距，m200管程数2材质硬制主要计算结果管程壳程流速，Ms污垢热阻，三2W热流at,kb传热温差.1C传热系数,W(m2K)面枳裕度/%§A.参考文献1天滓大学化工原理教研室编化工原理上、F册(第二版)国，夫津：天津科技出版社,19962柴诚敬等.化工原理课程设计M，.天津：天津科学技术出版社,200。3伟萍等褊.化工过程及设备设计刈,北京：化学工业出版社.2000.4潘国昌,化工设备设计M,北京:清华大学山版社.20015娄爱蝌,吴志泉,吴叙美编，化工设计，上海；华东理工大学出版社,20026黄璐主编.化工设计.M.北京：化学工业出版社.2000.(7化工设任全书一换热器M.北京：化学工业出版社,2003.§九.化工原理课程设计之心得体会两周的课程设计让我学到的很多东西，尤其在下面的几个方面得到了很好的培养和训练：(D查阅资料.选用公式和搜集数据的旎力.通常设计任务书给出后仃许多数据需要设计拧去搜集,有些物性参数要自取或估算，计算公式也由设计者自行选定.这就要求设计者运用各方面的知识，详细而全面的考虑后方可稔定.(2)正确使用设计参数，树立从技术上可行和经济上合理两方面考虑的工程观点.同时还儒考虑到换热器的维修和环境保护的要求.也即对于课程设计不仅要求计算正确,还要求从J：程的角度综合考虑各因素，从总体上达到烛佳结果.(3)正确、迅速的进行工程计算。设计计算是一个反复试算的过程，计算工作般很大，因此正确与迅速必须同时强调。")掌握化工设计的基本程序和方法,学会用筒洁的文字和适当的图表示自己的设计思1.课程设计综合性比较强，涉及的工艺计算和结构设计比较全面，从多方面考察了我们的知识。从工艺计算到结构设计，姆一个环节都集中考察了我们的综合性应用能力.在工艺计算方面，此次设计精度较而，设计比较严蹿，各项参数的选定经过了综合的考电并进行了认我的计算和校核.达到设计要求.在结构设计方面.各个结构的选材、尺寸的确定也经过了仔细的计算，并认真的做出了各部件的图,列出了邮件的选材和尺寸,使设计更加方便.通过此次设计，了解了设计的一般步骤，加深了对所学内容的了就和应用。由于是初学，上面的数据处理可能还存在着一线何烟,希里老师予以指正.