毕业设计-煤油冷却器的设计课程设计论文.doc

化工原理课程设计

题 目 煤油冷却器的设计
学院名称 化学化工学院

0

目录
第一章 2
第二章 管壳式换热器设计 2
(1) 选择换热器的类型 2
（2） 流动空间及流速的确定 3
第三章 管壳式换热器的设计计算 3
（1） 热流量 4
（2） 平均传热温差 4
（3） 冷却水用量 4
（4） 总传热系数K 4
(1 ) 管径和管内流速 5
(2) 管程数和传热管数 5
(3 ) 平均传热温差校正及壳程数 5
（4） 传热管排列和分程方法 6
（5 ） 壳体内径 6
（6） 折流板 6
（7） 接管 6
（1） 热量核算 7
（2 ） 换热器内流体的流动阻力 8
第四章 计算结果一览表 10

1
1

第一章

前言
。
固定管板式换热器是一种通用的标准换热设备。它因结构简单、耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点而在换热设备中占据主导地位
固定管板式换热器，管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体连接，与其他形式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程。制造成本低，由于不存在弯管部分，管内不易集聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。为减少温差应力，壳在壳体上安装膨胀节，利用膨胀节在外力作用下中产生较大的变形能力来降低管束与壳体中的温差应力。
第二章 管壳式换热器设计

1 选型
本次生产设计要求中，两流体温度变化情况：热固定管板式换热器温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，循环冷却水的压力不大于.100000MPa,冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，加之其冷、热两流体的温度、压力不高，温差不大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。

2 确定计算方案
(1) 选择换热器的类型
本次生产设计要求中，两流体温度变化情况：热流体进口温度130℃，出口温度40℃；冷流体（循环水）进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，循环冷却水的压力为0.4MPa,冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，加之其冷、热两流体的温度、压力不高，温差不大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
（2） 流动空间及流速的确定
由于循环冷却水较易结垢以及油品的黏度较大，为便于水垢清洗、减少流动流速取。
第三章 管壳式换热器的设计计算
1 确定物性数据
定性温度：可取流体进口温度的平均值。
煤油的定性温度为

水的定性温度为

根据定性温度，分别查取煤油和水的有关物性数据。
煤油在85℃下的有关物性数据如下：
密度：
定压比热容：
导热系数：
粘度; U=0.000715Pa.s
循环冷却水在35℃下的物性数据：
密度：
定压比热容：c =4.08KJ/(Kg.)
导热系数：
粘度：u=0.000725 pa.s
2 计算总传热系数
（1） 热流量
Q0=m0cpo(T1-T2)=×2.22×(120-40)=4260606KW
（2） 平均传热温差
△tm=33.7℃ ′
（3） 冷却水用量
Wi=
（4） 总传热系数K
①管程传热系数
Re=diuipi÷ui=0.02×994×0.05÷0.000725=13710
由于管程中的流体为水，其在35℃下的黏度小于2倍的常温水的黏度，属于低粘度流体，其传热系数应用迪克斯-贝尔特关联式，即：

=2733.2
②壳程传热系数
假设壳程的传热系数： ℃)
污垢热阻
Rsi=0.000344m2.℃/W
RSO=0.0002m2.℃/W
管壁的导热系数

=122

3 计算传热面积
S，=1184800÷122÷33.7=288m2=
考虑15%的面积裕度（安全系数和初估性质）：
S=1.5×S′=288×1.5=432.3m2+++

4 工艺结构尺寸
(1 ) 管径和管内流速
选用φ25×2.5mm传热管，取管内流速。
(2) 管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
ns=193根
按单程管计算，所需的传热管长度为
L==28.5m
按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m，则该换热管管程数为2,则
ns=432.5÷3.14÷0.025÷6=918根
每程管数为
918÷2=459根
管内流速为，ui=0.056m/s
(3 ) 平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
R=
P=
按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得
¢=0848
平均传热温差
△tm=0.848×33.7=28.6℃

（4） 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，则

横过管束中心线的管数
Nc=1.19√N=36（根）

（5 ） 壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为
D=1.05t√1217mm 圆整取D=1300mm

（6） 折流板
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的35%，则切去的圆缺高度为h=0.35×1300=455mm，
取折流板间距B=0.6D，则
B=0.6×1300=780mm，
折流板数
=传热管长/折流板间距－1=6000÷780-1=7块
折流板圆缺面水平装配。
（7） 接管
壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为 15m/s，则接管内径为
d=√m
取标准管径为157 mm。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为1.5m/s，则接管内径为
D2=0.39m
取标准管径为390mm。
5 换热器核算
（1） 热量核算
（1）壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用克恩公式

当量直径，由正三角形排列得

壳程流通截面积
SO=BD(1-do÷t)=0.698m
壳程流体流速及雷诺数分别为
Uo=190000000÷330÷24÷3600÷825÷0.131=0.06
.
Reo=1384.5
普兰特准数
Pr=2.22×103×2.1×10-5÷0.14=0.333
粘度校正: (由于壁温未知且用试差法比较繁琐，故液体冷却时用近似值)
&o=65.3W/(m2.℃)
（2）管程对流传热系数

管程流通截面积
Si=0.785×0.02×0.02×(m2
管程流体流速
UI=104426÷3600÷994÷0.507=0.057m/s
Re=1562.9
普兰特数
Pr=4.73
&=0.023×0.626÷0.02×1562.90.8×4.730.4=480.7W/(m2。℃)
（3）热系数K

=53.8W/(m2。℃)
（4）传热面积S
S=
该换热器的实际传热面积
S批=3.14×0.025×(918-36)×(6-1.384)=411
该换热器的面积裕度为
H=(489.4-411)÷411=19%
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。。

（2 ） 换热器内流体的流动阻力
（1） 管程流动阻力

由Re=1562.9，传热管相对粗糙度0.01/20=0.0005.
查莫狄图得:
yi=0.022 w/(m.℃)，流速 ui=0.057
所以
1=0.022×6÷0.02×0.02242×994÷2=164.6Pa
P2=3×994×0.2242÷2=74.8Pa
（74.8+164.8）×1.4×2=670﹤10kPa
管程流动阻力在允许范围内。
（2） 壳程阻力

Ns=1 Fs=1
流体流经管束的阻力

F=0.5 fo=0.96
Nc=36 Nb=7m/s,
p1’=205pa
流体流过折流板缺口的阻力

B=0.78m，D=1.3m
2=26.7pa
总阻力
26.7+205﹤10kPa
因此，壳程流动阻力也比较适宜
（3） 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见表

换热器型式：固定管板式
管口表
换热面积：411
符号
尺寸
用途
连接型式
工艺参数
a
Dn180
冷却循环水入口
平面
名称
管程
壳程
b
Dn180
冷却循环水出口
平面
物料名称
循环水
煤油
c
Dn100
煤油入口
凹凸面
操作压力，Mpa
0.5
0.4
d
Dn100
煤油出口
凹凸面
操作温度，
30/40
120/40
e
Dn20
排气口
凹凸面
流量，Kg/h
104426
4260606
f
Dn20
放净口
凹凸面
流体密度，
994
825

流速，m/s
0.500
0.1424
传热量，KW
1184.8
总传热系数，
122
对流传热系数，
2733.2
480.7
污垢系数，
0.00034
0.0002
阻力降，Mpa
0.003913
0.002429
程数
2
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
φ25×2.5mm
管数 918
管长，mm
6000
管间距，mm
32
排列方式
正三角形
折流板型式
上下
间距，mm
1834
切口高度35℅
壳体内径，mm
1300
保温层厚度
0.233
第四章 计算结果一览表

结束语；
本周顺利完成了我应用化学专业化工原理课程设计，总体来看本人的工艺计算、过程设计及绘图等专业能力得到了真正有效的提高，可以较好地把理论学习中的分散知识点和实际生产操作有机结合起来，得到较为合理的设计成果，达到了课程综合训练的目的，提高了我个人分析和解决化工实际问题的能力。同时，在设计过程中也存在者一些共性的问题，主要表现在：
（1）设计中存在的问题
1．设计过程缺乏工程意识。
身为学生的我在做课程设计时所设计的结果没有与生产实际需要作参考，只是为了纯粹计算为设计，缺乏对问题的工程概念的解决方法。
2. 学生对单元设备概念不强。
对化工制图、设备元件、材料与标准不熟悉，依葫芦画瓢的不在少数，没有达到课程设计与实际结合、强化“工程”概念的目的。绘图能力欠缺，如：带控制点工艺流程图图幅设置、比例及线型选取、文字编辑、尺寸标注以及设备、仪表、管件表示等绘制不规范。
3. 物性参数选择以及计算。
在化工原理课程设计工程中首要的问题就是物性参数选择以及计算，然而我们于开始并不清楚需要计算哪些物性参数以及如何计算。这对这些问题，指导老师应在开课之初给我们讲一下每个单元操作所需的物性参数，每个物性参数查取方法以及混合物系物性参数的计算方法，还有如何确定体系的定性温度。
（2）解决措施
1.加强工程意识。
设计过程中我们应多做深层次思考，综合考虑经济性、实用性、安全可靠性和先进性，强化自己的综合和创新能力的培养；积极查阅资料和复习有关教科书，学会正确使用标准和规范，强化自己的工程实践能力。为了增强我们的工程意识提出以下措施：一是在化工原理课程讲述过程中老师应加强对我们工程意识的培养，让我们明确什么是工程概念，比如：理论上的正确性，技术上的可行性，操作上的安全性，经济上的合理性，了解工程问题的计算方法。比如试差法、因此分析法等。二是查阅文献或深入生产实际，了解现代化工生产单元设备作用原理以及设计理念，增强对设备的感性认识。三是老师应让我们明白工程问题的解决方法有多个实施方案，最后应综合考虑操作费用和经济费用以及安全性等多个方面来确定最优方案。
2.强化工程制图本领。
为了提高我们工程制图能力，应强化计算机应用。在课程设计开设之前应开设AutoCAD课程，利用AutoCAD软件绘图，即精确又快速，也有利于适应今后实际工程设计的新要求。此外利用计算机应用程序也可代替试差方法繁琐的人工计算。
3.引导学生学会统筹兼顾，从工艺和设备全方位考虑设计问题。
化工原理课程设计是一个即繁琐又费时的过程，这要求老师和学生都要有耐性，要客观的对待每一个步骤，不能想当然更不能为了凑结果而修改数据。应科学地对待每一个数据，经得起深究和考验。
在以后的课程设计中，要精心准备更先进和工程化的设计任务，我们应多做适当讨论，必将在激发我们学习兴趣、全面培养我们的综合和创新的工程能力方面再走出重要的一步。
附录（1）煤油冷却器的设计任务书
1．设计题目 
煤油冷却器的设计。 

2．设计任务及操作条件 
（1）处理能力　190000煤油 
（2）设备型式　 固定式换热器 
（3）操作条件 
①煤油：入口温度120℃，出口温度40℃ 
②冷却介质：自来水，入口温度30℃，出口温度40℃ ，循环冷却水的压力为0.4MPa
（4）设计项目 
①设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。 
②换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。 
③换热器的主要结构尺寸设计。 
④主要辅助设备选型。 
⑤绘制换热器设备图。 

3．设计说明书的内容 
（1）目录； 
（2）设计题目及原始数据(任务书)； 
（3）论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择； 
（4）换热器加热过程有关计算(物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等)； 
（5）设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等)； 
（6）主体设备设计计算及说明； 
（7）参考文献； 
（8）后记及其它。
4．设计图要求
绘制换热器设备图一张(手绘，)： 

附录（二）符号说明

T—热流体温度，℃；
t—冷流体温度，℃；
Cp—比定压热容，Kg/（Kg.℃）；
λ—导热系数，W/（ｍ.℃）；
Q—传热速率，Kｗ；
qｍ,h_—热流体质量流量，Kg/h ；
qｍ,c—冷流体质量流量，Kg/h；
Δtm—平均传热温度，℃；
Re—雷诺数；
d—管径，mm ；
u—流速 ，m/s；
µ—黏度，Pa.s；
α—对流传热系数，W/(m2.℃)；
R—导热热阻，m2.℃/W；
K—总传热系数，W/(m2.℃)；
b—平壁厚度，mm；
S—传热面积，m2；
n—管数；
V—体积流量，m3/s；
L—传热管长度，m；
l—特性尺寸，m；
N—程数；
R,P—因数；
øΔt —平均温度校正系数，量纲为一；
t—管心距，mm；
D—壳体内径，mm；
η—利用率；
h—圆缺高度，mm；
B—折流板间距，mm；
NB—折流板数；
de—当量直径，mm；
Pr—普兰特准数；
H—面积裕度；
p—压力，Pa；
Ft—结垢校正系数；
Ns—串联壳程数；
ξ—局部阻力系数；
F—管子排列方式对压力降的校正系数；
f0—壳程流体摩擦系数；

下标
h—热流体的；
c—冷流体的；
e—当量的；
i—管内的；
o—管外的；
m—平均的；
s—污垢；
w—壁面；

14
1