1、煤油冷卻器的設計一、 摘要 換熱器是將熱流體的局部熱量傳遞給冷流體的設備，以實現不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體那么溫度較低，吸收熱量。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業的通用設備，占有十分重要的地位。隨著我國工業的不斷開展，對能源利用、開發和節約的要求不斷提高，對換熱器的要求也日益增強。換熱器的設計制造結構改良以及傳熱機理的研究十分活潑，一些新型高效換熱器相繼問世。根據不同的目的，換熱器可以是熱交換器、加熱器、

2、冷卻器、蒸發器、冷凝器等。由于使用條件的不同，換熱器可以有各種各樣的形式和結構。在生產中，換熱器有時是一個單獨的設備，有時那么是某一工藝設備的組成局部。衡量一臺換熱器好的標準是傳熱效率高、流體阻力小、強度足夠、結構合理、平安可靠、節省材料、本錢低，制造、安裝、檢修方便、節省材料和空間、節省動力。二、 關鍵字煤油 換熱器 列管式換熱器 膨脹節 固定管板式 封頭 管板 目錄一、概述1二、 工藝流程草圖及設計標準1工藝流程草圖1設計標準2三、換熱器設計計算2確定設計方案2選擇換熱器的類型2流體流徑流速的選擇2確定物性參數3、估算傳熱面積3熱流量3平均傳熱溫差3傳熱面積3冷卻水用量4、工藝結構尺寸4管

3、徑和管內流速4管程數和傳熱管數4平均傳熱溫差校正及殼程數4傳熱管排列和分程方法5殼體內徑5折流板5接管53.5換熱器核算6熱流量核算6換熱器內流體的流動阻力8四、設計結果設計一覽表9五、設計自我評價10六、參考文獻11七、主要符號說明12一、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;另一種流體那么溫度較低,吸收熱量。在化工、石油、動力、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

4、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。列管式換熱器有以下幾種： 1、固定管板式 固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當位置上焊上一個補償圈，或膨脹節。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。 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。2、U形管式 U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側，封頭內用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。 特點：結構簡單，

5、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。3、浮頭式 換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。 特點：結構復雜、造價高，便于清洗和檢修，消除溫差應力，應用普遍。二、 工藝流程草圖及設計標準工藝流程草圖adbc泵2泵1 由于循環冷卻水易結垢，為便于水垢的清洗，選擇循環水做管程流體，煤油做殼程流體。管程與殼程流體的進出方向為上圖所示，并選擇逆流傳熱。圖中水由泵1經過管程沿所示方向流動，煤油由泵1經過殼程沿所示方向流動。冷卻循環水與煤油在設計的換熱器中進行熱交換，煤油由初溫140降溫至，4

6、0冷卻循環水由初溫升30溫至40。設計標準1JB1145-73?列管式固定管板熱交換器?2JB1146-73?立式熱虹吸式重沸器?3中華人民共和國國家標準.GB151-89?鋼制管殼式換熱器?.國家技術監督局發布，19894?鋼制石油化工壓力容器設計規定?5JBT4715-1992?固定管板式換熱器型式與根本參數?6?容器、換熱器專業設備簡圖設計規定?7HG20519-92?全套化工工藝設計施工圖內容和深度統一規定?8中華人民共和國國家標準 JB4732-95 ?鋼制壓力容器分析設計標準?9中華人民共和國國家標準 JB4710-92 ?鋼制塔式容器?10中華人民共和國國家標準 GB16749-

7、1997 ?壓力容器波形膨脹節?三、換熱器設計計算確定設計方案選擇換熱器的類型 本次設計為煤油冷卻器的工藝設計，工藝要求煤油熱流體的入口溫度140，出口溫度40。采用循環冷卻水作為冷卻劑降低熱的沒有溫度，冷卻水的入口溫度25，根據經驗結合選廠地址的水資源現狀況，選定冷卻水的出口溫度35。 根據間壁式換熱器的分類與特性表，結合上述工藝要求，最大使用溫差小于120,選用固定管板式換熱器，又因為管殼兩流體溫差大于60，故因選用帶膨脹節的固定管板式換熱器。3流體流徑流速的選擇 根據流體流徑選擇的根本原那么，循環冷卻水易結垢，而固定管板式換熱器的殼程不易清洗，且循環冷卻水的推薦流速大于煤油的推薦流速，應

8、選擇循環冷卻水為管程流體，煤油為殼程流體。根據流體在直管內常見適宜流速，管內循環冷卻水的流速初選為ui=/s,管子選用的較好級冷拔換熱管換熱管標準：GB8163。確定物性參數 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。 管程流體的定性溫度為：3023525=+=T煤油90下的物性數據：90240140=+=T ()根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據。 煤油在90下的有關物性數據循環冷卻水在35下的物性數據密度o=825 kg/m3密度i=994 kg/m3定壓比熱容Cph=2.22kJ/(kg·K)定壓比熱容Cpc=4.08kJ/(kg·K)導熱系數h=0.140

9、 W/(m·K)導熱系數c=0.626 W/(m·K)粘度h=0.000715 Pa·s粘度c=0.000725 Pa·s3.3、估算傳熱面積熱流量mh=kg/hQh=mhcphth=×2.22×(140-40)=7×106kJ/h=1712.9 kW平均傳熱溫差()傳熱面積 假設殼程傳熱系數：0=400 Wm2，管壁導熱系數=45 Wm2那么K=W/(m2·),那么估算面積為：S=Qh/(K×tm)=×106/(×39)=147.04 (m2) ×=(m2).4冷卻水用量k

10、g/h3.4、工藝結構尺寸管徑和管內流速較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內流速ui= /s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89根按單程管計算，所需的傳熱管長度為：=24m按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構，根據本設計實際情況，采用標準設計，現取傳熱管長為l=6m，那么該換熱器的管程數為：NP=L/l=24/6=4傳熱管總根數： NT=89×4=356根平均傳熱溫差校正及殼程數平均傳熱溫差校正系數：R=(140-40)/(35-25)=10;P按單殼程，4管程結構，溫差校正系數應查有關圖表可得t=0.85平均傳熱溫差tm=ttm×3由于平均傳熱溫

11、差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取単殼程適宜。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。dh，那么t=1.25×25=31.2532(mm) 橫過管束中心線的管數 殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率0.7，那么殼體內徑為D=757.7 (mm)按卷制殼體的進級擋，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，那么切去的圓缺高度為h0.25×800=200mm折流板間距B=0.3D,那么×800=240mm取250mm。折流板數 NB= -1=-1=23 (塊) 接管殼

12、程流體進出口接管：取接管內煤油流速為u/s，那么接管內徑為：D1=m，取管內徑為110mm。管程流體進出口接管：取接管內循環水流速 u1.5 m/s，那么接管內徑為mm圓整可取 =200mm 。換熱器核算熱流量核算.1殼程外表傳熱系數可采用克恩公式：當量直徑，由正三角排列得：de=m殼程流通截面積：=0.044m2殼程流體流速及其雷諾數分別為：u0=m/sRe0=4905普朗特準數 Pr=；粘度校正 h= W/(m2·K) .2管內外表傳熱系數c管程流體流通截面積：Sc×2×8m2管程流體流速及其雷諾數分別為：Uc=m/sRec=普朗特準數Pr=c×=

13、W/ (m2·).3污垢熱阻和管壁熱阻查有關文獻知可取：管外側污垢熱阻 Rh=0.000172 m2·K/W管內側污垢熱阻 Rc=2·K/W管壁熱阻 查有關文獻知碳鋼在該條件下的熱導率為=45 W/(m·)。.4計算傳熱系數K = W/m·計算傳熱面積S:S=1m2該換熱器的實際傳熱面積：S=××(6-0.06)×(356-23)=m2.5換熱器的面積裕度H=×100%=×100%=%傳熱面積裕度適宜，該換熱器能夠完成生產任務。換熱器內流體的流動阻力.1管程流體阻力 計算公式如下：Pi=P1+P

14、2NSNpFt; NS=1, Np=4，FS=1.4; P1=,P2=由Re=41103.6，傳熱管相對粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄圖得=0.034(W/ (m2·)，流速u=/s，=kg/m3，所以P1=9508.7Pa；P2=3356Pa Pt=11410.43+3356××1×Pa<100 KPa管程流體阻力在允許范圍之內。.2殼程阻力 P0=P1+P2FSNS FS=NS=1 P1= f0Fnc(NB+1) ; f0=5× nC=23 NB=23,uh=/s P1××23×23+1×

15、;825×Pa流體流過折流板缺口的阻力P2 =NB3.5-2B/D, B=; D=；故P2=23××0.25/0.8×825×6000Pa，那么總阻力：P0=3625+1202=23473Pa<100 KPa故殼程流體的阻力也適宜。四、設計結果設計一覽表換熱器型式：帶膨脹節的固定管板式換熱器管口表換熱面積：m2符號尺寸用途連接形式工藝參數a200×6冷卻循環水入口平面名稱管程殼程b200×6冷卻循環水出口平面物料循環水煤油c100×4煤油入口平面操作壓力，MPad100×4煤油出口平面操作溫度，25

16、/35140/40e排氣口平面流量，kg/h148701.97×106流體密度，kg/m399825附圖流速，m/s熱負荷，kW1總傳熱系數，W/(m2·)對流傳熱系數4734污垢熱阻，m2·/W壓降，MPa7223程數41推薦使用材料低碳鋼低碳鋼列管管子規格管數356管長，mm6000管間距，mm32排列方式正三角形折流板型式弓形水平間距，mm600切口高度25%殼體內徑，mm800五、設計自我評價作為化學工程與工藝專業的學生，我深知?化工原理?是一門非常重要的專業根底課程，進行適當的設計訓練對于加深我對課程的理解是非常重要和有意義的。這是第一次做化工原理課程設

17、計，通過本次設計，我認為自己已經初步掌握化工設計的一些根本知識了。本次設計的是煤油冷卻器，根據溫差和物性確定本設計的換熱器為帶膨脹節的固定管板式換熱器或浮頭式換熱器，而鑒于浮頭式換熱器的造價一般比固定管板式換熱器的造價高出二十多個百分點，以降低投資本錢為目的，選擇帶膨脹節的固定管板式換熱器。通過本次設計，我學會了如何根據工藝過程的條件查找相關資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據資料確定主要工藝流程，主要設備，及計算出主要設備及輔助設備的各項參數及數據。了解到了工藝設計計算過程中要進行工藝參數的計算。通過設計不但穩固了對主體設備圖的了解，還學習到了工藝流程圖的制法。通過本次設計不但熟悉了

18、化工原理課程設計的流程，加深了對冷卻器設備的了解，而且學會了更深入的利用圖書館及網上資源，對前面所學課程有了更深的了解。但由于時間較為倉促，查閱的文獻有限，本次設計還有很多不完善的地方。本次設計非常感謝齊濟老師和趙明舉老師的指導，同時也很感謝我的同學，正是有他們在一起討論，才使我較快及順利地在規定時間內完本錢設計。六、參考文獻1 賈紹義、柴誠敬主編化工原理課程設計天津：天津大學出版社，20022 柴誠敬、張國亮主編?化工流體流動與傳熱?北京：化學工業出版社，20213 中國石化集團上海工程?石油化工設備設計選用手冊換熱器?北京：化學工業出版社，20214 李國庭等編著?化工設計概論?北京：化學工業出版社，20215 楊世銘、陶文銓編著?傳熱學?北京：高等教育出版社，20066 上海醫藥設計院?化工工藝設計手冊?北京：化學工業出版社，19968 李國庭等編著?化工設計概論?北京：化學工業出版社，2021 9 刁玉瑋，王立業，喻健良.?化工設備機械根底?第六版M.大連：大連理工大學出版社，2006:1-232.10 柴誠敬.?化工原理?上冊M.北京：高等教育出版社，2005，26