煤油冷却换热器的设计.docx

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1、化工原理课程设计任务书学院：化学化工学院题目：煤油冷却器的设计专业班级：化工起止时间：10月8日至11月20日姓名：学号：指导老师：目录第1章课程设计任务基本情况与要求31.1 设计题目：31.2 任务及设计条件：31.3 设计要求及内容：3第2章设计方案简介42.1 设计目的42.2 工艺流程示意图42.3 设备的结构特点52.4 运用该设备的理由52.5 设计方案的确定52.5.1换热器的概念52.5.2换热器的类型62.5.3换热器设备的选择62.5.4冷热流体通道的选择62.5.5流体流速、流向的选择72.5.6管子的规格和排列方法72.5.7管程和壳程数的确定82.5.8折流挡板：8

2、2.5.9材料选用8第3章列管式换热器的设计计算83.1 设计流程图83.2 传热设计主要公式9第4章换热器设计104.1 确定设计方案104.1.1 选择换热器的类型Il4.1.2 流动空间及流速的确定Il4.2 确定物性参数Il4.3 计算总传热系数Il4.3.1热流量（忽略热损失）Il4.3.2循环冷却水的用量（忽略热损失）124.3.3平均传热温差：124.3.4总传热系数K124.3.5计算传热面积134.4 工艺结构尺寸144.4.1 管径与管内流速144.4.2 管程数与传热管数144.4.3 平均传热温差校正及壳程数14444传热管排列和分程方法144.4.5 壳体内径154.

3、4.6 折流挡板154.4.7 接管154.5 换热器核算164.5.1 热量核算16（1）壳程对流传热系数对圆缺形折流挡板，可采用克恩公式164.5.2 管程对流传热系数164.5.3 传热系数174.5.4 传热面积174.5.5 壁温核算174. 6换热器内流体的流动阻力184.1.1 管程流体阻力184.1.2 壳程阻力194.7换热器主要结构尺寸和计算结果表20第5章列管式换热器机械设计225.1 列管式换热器零、部件的工艺结构设计225.1.1 分程隔板一可提高管内外流体的给热系数225.1.2 折流板、支承板的作用及结构225.1.3 拉杆、定距管235.1.4 旁路挡板235.

4、1.5 接管231）壳程接管位置的最小距离232）管箱接管尺寸的最小位置245.2 列管式换热器机械结构设计255.2.1 传热管与管板的连接255.2.2 管板与管箱隔板的连接255.3 其他结构设计255.3.1 法兰的选用255.3.2 垫片265.3.3 支座265.4 设计计算265.4.1 筒体壁厚计算265.4.2 封头275.4.3 管子拉脱力的计算285.4.4 接管的计算285.5压力实验及强度校核29第7章致谢33主要符号说明34参考文献：36第1章课程设计任务基本情况与要求1.1 设计题目：煤油冷却器的设计1.2 任务及设计条件：1 .处理能力11300Kgh煤油2 .

5、设备型式：列管式换热器3 .操作条件：煤油由100C冷却到45冷却介质：循环水一入口温度30C,出口温度38C允许压降：不大于100KPa煤油定性温度下的物性参数：/=7.1510-4P50=825Kg/机32=0.14W(oC)CP=2.22KJ/(KgOC)4.每年按330天计，每天24小时连续工作1.3设计要求及内容：1、选择适宜的列管式换热器并进行核算2、要进行工艺计算3、要进行主体设备的设计（主要设备尺寸、衡算结果）4、编写设计任务书5、主要辅助设备选型6、绘制换热器总装配图第2章设计方案简介2.1 设计目的课程设计是化工原理教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，

6、是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过此次设计，要求学生能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。以及树立正确的设计思想，培养实事求是的工作作风。课程设计不同于通常的作业，在设计中需要学生自己作出决策，自己确定方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备计算，并要对自己的选择作出论证和核算,经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养和提高独立工作能力的有益实践。2.2 工艺流程示意图2.3 设备的结构特点该结构能够快速的降低物料的温度，工作时

7、热流体走壳程，冷流体走管程，使接触面积大大增加，加快了传热速度。同时，对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈（或称膨胀节），通过补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩）来适应外壳和管束不同的膨胀程度。2.4 运用该设备的理由此换热器的特点是壳体与管板直接焊接，结构简单，紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多，管式换热器有易于制造，成本较低，处理能力好，换热表面清洗方便，可供选用的材料广阔，适应性强等优点。由于两板之间有管子相互支撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价也低，故广泛使用。2.5 设计方案的确定2.5.1换热器的概念在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。

8、换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。2.5.2换热器的类型换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、直接接触式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。列管式换热器是最典型的间壁式换热器，它有固定档板式、浮头式、型管式和填料函式等类型，其形式主要根据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。列管式换热器结构简单，牢固，操作弹性大，应用材料广，至今人在所有换热器中占据主导地位。2.5.3换热器设备的选择根据给定的冷热流体的温度，以及列

9、管式换热器（确定好了的）四种类型的特点一固定档板式：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料,只能用在管壁温与壳体壁温之差低于60-70及壳程压力不超过0.7MPa的场合；U型管式：结构简单，质量轻，适用于温度和高压的场合。管程清洗困难，管程必须是洁净和不易结垢的物料；浮头式：结构复杂，造价高,便于检修和清洗，完全消除温差压力，应用普遍,能在较高的压力下工作，适用于壳体壁温与管壁温差较大或壳程流体易结垢的场合。我们初步确定选用固定挡板式换热器。2.5.4冷热流体通道的选择1）不洁净和易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便；2）腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到

10、腐蚀；3）压强高的流体宜走管内，以免壳体承受压力；4）饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较干净，给热系数与流速无关而且冷凝液容易排出；5）被冷却的流体宜走壳程，便于散热；6）流量小而黏度大的流体一般以壳程为宜；7）有毒的流体走管程，可减少泄露的机会。8）若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数达到流体通入壳程，以减少热应力；根据以上原则，我们选择循环冷却水为管程流体，煤油为壳程流体。2.5.5流体流速、流向的选择增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，

11、动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计中，根据表查询换热器常用流速的范围，对于管程循环水其流速范围为L0-2.0ms,故可取u=l.3mso流向的选择：当冷热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热量，所需的传热面积较小。此外，对于一定的热流体进口温度”，采用时，冷流体的最高极限出口温度为热流体的出口温度

12、T2。反之，如采用逆流，冷流体的最高极限出口温度为热流体的进口温度这样，如果换热的目的是回收热量，逆流操作回收的热量温位（即温度t2）可以较高，因而利用价值较大。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流，故煤油的冷却应采用逆流。2.5.6管子的规格和排列方法选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有25X2.5mm及19X2mm两种规格的管子。在这里，选择252.5mm管子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗,且易弯曲。我国生产的钢管长多为6m、9m,则合理的换热器管长

13、应为L5m,2m,3m,4.5m,6m和9m,其中以3m和6m更为普遍。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为46（对直径小的换热器可大些）。在这次设计中，管长选择6m。管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数（较直列排列的）可以适当地提高。在这里选择等边三角形排列。管子在管板上排列的间

14、距（指相邻两根管子的中心距）称为管心距，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=（L31.5）d,且相邻两管外壁间距不应小于6mm,即t（d+6）。焊接法取t=l.25d。2. 5.7管程和壳程数的确定当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。根据计算，管程为4程，壳程为单

15、程。3. 5.8折流挡板：安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的1040%,一般取2025%,过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离（板间距）B为外壳内径D的（0.21）倍。换热器壳体的内径应等于或稍大于（对浮头式换热器而言）管板的直径。初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。2.5.9材料选用列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。这里选