固定管板式换热器课设论文.docx

化工原理课程设计（论文） 煤油冷却器的设计学 院 专 业 年 级 学 号 学生姓名 指导教师 2011年 11月 目录一 任务书.4 1.1题目 1.2任务及操作条件 1.3列管式换热器的选择及设计要求二 概述.5 2.1换热器概述 2.2固定管板式换热器 2.3设计背景及设计要求三物料数据的确定.10 3.1试算并初选换热器规格 3.2计算总传热系数 3.3计算传热面积四工艺结构尺寸.13 4.1.管径和管内流速 4.2.管程数和传热管数 4.3传热管排列和分程方法 4.4壳体内径 4.5折流板 4.6接管 4.7拉杆和定距管 4.8管板厚度 4.9封头 4.10缓冲挡板 4.11放气孔、排液孔 4.12膨胀节 4.13胀接4.14密封垫圈五换热器核算.20 5.1壳程对流传热系数 5.2管程对流系数 5.3传热系数K 5.4传热面积 5.5计算压强降六工艺计算结果汇总表.25七后记.26 参考文献. 27 煤油冷却器的设计一化工原理课程设计任务书1.1设计题目： 煤油冷却器的设计1.2设计任务及操作条件1. 处理能力 19.6*104 吨/年 煤油2. 设备型式 列管式换热器3. 操作条件 a 煤油：入口温度145，出口温度 35 b 冷却介质：自来水，入口温度 30，出口温度 40 c 允许压强降：不大于105 pa d 煤油定性温度下的物性数据：密度为825kg/m3 ，粘度为7.15*10-4 pa*s，比热容为2.22kJ/（kg *），导热系数为0.14w/（m*） e 每年按330天计，每天24小时连续运行 1.3换热器的选择及设计要求 列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。由于两流体的温差大于50 ，故选用带补偿圈的固定管板式换热器。这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理壳方流体较清洁及不易结垢的物料。因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：（1） 根据任务要求，确定设计方案（2） 进行工艺计算（3） 选择适宜的结构方案，进行结构设计（4） 进行流体阻力核算（5） 绘制流程图及设备图纸，写说明书二概述2.1换热器概述 换热器是许多工业生产中常用的设备,尤其是石油、化工生产应用更为广泛。在化工厂中换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器的类型很多，性能各异，个具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。 换热器类型虽然很多，但计算传热面积所依据的传热基本原理相同，不同之处仅是在结构上需根据各自设备特点采用不同的计算方法而已。 本次设计的是煤油冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。列管式换热器有固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式等类型。这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理壳方流体较清洁及不易结垢的物料。2.2固定管板式换热器2.2.1工艺流程草图： 主要说明：由于循环冷却水较易结垢，为便于水沟清洁，应使循环水走管程，煤油走壳程。如图，煤油经泵抽上来，经加热器加热后，再经管道从接管C进入换热器壳程，冷却水则由泵抽上来，经管道从接管A进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，煤油从145被冷却至35之后，由接管D流出，循环冷却水则从30变成40，由接管B流出。2.2.2固定管板式换热器结构图：2.2.3板式换热器的比较2.3设计背景及设计要求 设计者应根据工艺过程所规定的条件，如传热量、流体的热力学参数（温度、压力、相态等）以及在该参数下的物性进行热力学和流体学的计算。经过优化，使设计的换热设备具有尽可能小的传热面积，在单位面积内尽可能传递更多的热量。 根据所学过的传热知识，设计计算时可采取如下做法： 流速的提高有利于传热，同时由于流体阻力一般与流速的平方成反比，在综合考虑阻力以及避免流体诱发振动的前提下，应尽量选择高的流速以增大平均传热温差。 对于无相变的流体，尽可能采取逆流传热方式以增大平均传热温差，同时有助于减小结构中的温差应力。 妥善布置传热面，不仅可以增加单位空间内的传热面积，还可以改善流动特征。 如果换热器的一侧流体有相变，另一侧流体为气体，可在气相一侧的传热面上加翅片，以增大传热面积，或在条件允许下采用两相流以减少热阻，这对于传热都是十分有利的。（1） 确保安全可靠换热器作为压力容器，工艺结构设计完成之后，应遵照相关规定和标准进行机械强度及刚度的计算和校核，以确保换热器设备安全可靠。（2） 安装、操作、及维修的方便设备与部件应便于运输和装拆，在厂房移动时不受楼梯、梁、柱等的妨碍，根据需要添加排气口和检查孔等。对于结垢流体，可考虑在流体中加入净化剂，以避免停工清洗，或将换热器设计成两部分，交替进行工作和清洗。（3） 经济、合理设计或选型时，往往好几种换热器都满足生产工艺需求，此时对换热器的经济核算就显得十分必要。应根据一定时间内设备费、操作费的总和最小来选择换热器，并确定适宜的操作条件。（4） 尽可能采取标准系列若由于标准系列的规格限制，不能满足工厂生产要求，此时必须进行换热器设备的结构设计，选用前要根据生产工艺需求进行必要的工艺计算，以确定需要的换热面积和设备结构，才能最终选用。三 物料数据的确定3.1试算并初选换热器规格暂时按单壳程、多管程计算壳程流体（煤油）定性温度：管程流体（水）的定性温度：两流体的温差： 50由于两流体温差大于50，因此需要考虑热补偿。故选用带补偿圈的固定管板式列管换热器。 根据定性温度分别查取壳程与管程流体有关数据 物性流体煤油908250.7152.220.14水359940.7254.080.6263.2计算总传热系数3.2.1热流量3.2.2.平均传热温差（先按逆流计算）平均传热温差校正：由P、R值，查温差校正系数图，可得=0.86所以，平均传热推动力tm =*tm1 =32.8*0.86=28.213. 2.3冷却水用量3.2.4总传热系数（1）管程传热系数（湍流）(2)壳程传热系数假设壳程传热系数=470 W/m2污垢热阻：Rs0=0.000172 m2 /wRs1=0.000344 m2 /w查阅文献知碳钢在该条件下热导率= 45W/m.k（此时管壁热阻Rs=0.0025/50=0.0005 m2 /w 可忽略不计）3.3计算传热面积考虑15%的面积裕度A=（1+0.15）*A=183.13m2传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。四 工艺结构尺寸4.1.管径和管内流速 列管式换热器内适宜流速的范围：选用25*2.5的碳钢传热管，取管内流速u=1.5m/s4.2.管程数和传热管数4.2.1依据传热管内径和流速确定单程传热管数 (根)4.2.2按单程管算，所需传热管长度为：4.2.3按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据设计实际情况，现取传热管长l=6m，则该换热器管程数为： 管程4.2.4总传热管根数NT = 92*4 = 368 根4.3传热管排列和分程方法 采用组合排列法，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t=1.25d0 则t=1.25*25=31.2532mm横过管束中心线的管数 按照此方法计算得到的壳外径应圆整，标准尺寸如下表：8101214 所以壁厚取12mm 4.5.1折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向做错流流动，以加大壳程流体流速和湍动速度，致使壳程对流传热系数提高。选择水平圆缺形折流板，切去的弓形高度为外壳内径的25.0%（圆缺率的范围一般为15%45%），即为：800*25%=200mm。 折流板的间距，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50mm。 折流板的最大无支撑间距如表所示：换热管外径（mm）141619253238最大无支撑间距(mm)1100130015001850220025004.5.4折流板的厚度可由下表得出：(参考文献：化工设备设计手册 朱有庭，曲文海主编)公称直径DN（mm）换热管无支撑跨距3003006006009009001200120015001500折流板的最小厚度(mm)4003458101040070045610101270090056810121690015006810121616所以取厚度为16mm4.6接管4.6.1壳程流体进出口接管：取接管内循环油品油速为u=1.5m/s 则接管内径为取标准管径为190mm4.7拉杆和定距管 为了使折流板能牢固地保持在一定的位置上，通常采用拉杆和定距管。根据查阅上表，应选择的拉杆直径为12mm，拉杆数量为8，定距管（参考文献化工设备手册）4.8管板厚度 管板在换热器制造成本中中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关，其计算过程较为复杂，而且从不同角度出发计算出的管板厚度往往相差很大。一般浮头式换热器受力较小，其厚度只要满足密封性即可。对于胀接的管板，考虑胀接刚度的要求，其最小厚度可按下表选用。考虑到腐蚀裕量，以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露以及引起振动等原因，建议最小厚度应大于20mm 。换热管外径为25mm，因而管板厚度取，取上述的最小厚度20mm 。4.9封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小（一般小于400mm）的壳体，圆形用于大直径的壳体。由公式得：则有效壁厚为根据JB/T4737-2002标准，标准椭圆形封头为DN10008,曲面高度h1=250mm,直边高度h2=25mm，如图1-1所示，材料选用20R钢。椭圆形封头直边高度h的选用封头材料碳素钢、普通低合金钢、复合钢板不锈钢、耐酸钢封头厚度4810182039101820直边高度h2540502540504.10缓冲挡板 它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。4.11放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。4.12膨胀节 膨胀节又称补偿圈。膨胀节的弹性变形可 减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体的温差低于70且壳方的流体压强不高于600KPa的情况。 本设计采取波形膨胀节：（通过查表得到如下数据）波形外径为：125mm波高h =35mm圆弧半径R=4mm厚度8mm长度L=4R+5S=76Dw=800+2S+2h=894mm4.13胀接胀接的最少长度为:管板的名义厚度减少3mm50mm两倍的换热管直径2*25=50mm所以胀接最少长度为50mm,且管板兼作法兰，便于清洗。4.14密封垫圈内径D1=420mm外径D2=250mm厚度T=1.5mm五换热器核算5.1壳程对流传热系数5.1.1对圆缺型折流板，可采用克恩公式（见化工原理课程设计第二版书45页）5.1.2当量直径d0可由正三角形排列得到：5.1.3壳程流体截面积S0 = B*D*（1- d0/t ）= 0.25*0.8*(1-0.025/0.032) = 0.044m25.1.4壳程流体流速及雷诺数分别为：普朗克常数 5.1.5粘度校正 5.2管程对流系数5.2.1（水被加热时n取0.4）管程流通截面积5.2.2管程流体流速及其雷诺数分别为：5.2.3普朗克常数5.3传热系数K5.4传热面积该换热器实际传热面积Ap该换热器面积裕度5.5计算压强降5.5.1管程流动阻力， 由，传热管相对粗糙度，查莫狄图 管程流动阻力在允许范围之内。5.5.2壳程阻力，流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力总阻力 壳程流动阻力也比较合适。从上面计算可知，该换热器管程与壳程的压强降均满足题设要求，故所选换热器合适。六工艺计算结果汇总表七 后记课程设计心得体会： 化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及相关课程的基本知识，去解决某一设计任务的一次训练，也是对我们每个人独立工作能力的挑战。 经过几周的奋战，终于完成了一个还算比较满意的“作品”，这些天过得很是充足，虽然临近期末，各种考试接踵而至，虽然手头上的事情多得简直会忘记呼吸，但是看见自己的劳动成果，心里的感觉难以言表。说实话，原本只是把它当做一门作业，随随便便敷衍了事就行，可是在完成的过程中，我发现开始逐渐对它产生兴趣，并且日渐浓厚。在这次完成设计的过程中 我严重的看见了自己的不足，自己有很多的知识漏洞，自己的实践经验还比较缺乏，理论联系实际的能力还需提高，同时书本上的知识也需要得到巩固，还有就是不懂得变通始终是不可行的，会多走很多弯路。 对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更叫人欣喜。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了要事实却是，不管什么知识还是得脚踏实地的去学习，谦虚谨慎是万万不可缺少的。 在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，使我认识到合作的重要性。遇到难的地方，就查找资料，询问老师或同学，团队的力量是无穷的，没有过不去的难关。同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法有助于我们更好的理解知识，所以在这里也非常感谢帮助我的同学。 与此同时，要十分的感谢我们的指导老师XX老师对我们悉心指导，您的耐心讲解，严谨、一丝不苟的精神一直鞭策着我们。虽然在完成这项课程的过程中经历了不少艰辛，但收获同样巨大，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。 虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是无价的财富，且受益终身。 最后再次感谢XX老师，谢谢！参考文