煤油冷却器设计-毕业论文.doc

成绩

课程设计说明书

题 目： 列管式换热器

课程名称： 化工原理课程设计
学 院： 化学与环境工程学院
学生姓名： XXXX
学 号： 2011050100XX
专业班级： 化学工程与工艺 11-2
指导教师： 路有昌

2013年 11月24日

课 程 设 计 任 务
设计题目
煤油冷却器设计
学生姓名
吴明兴
所在学院
化学与环境工程学院
专业、年级、班
化学工程与工艺11-2
设计要求：1.处理能力：30.0X104吨/年煤油
2.设备形式：列管式换热器
（1）煤油入口温度140℃，出口温度40℃
（2）冷却介质为循环水，入口温度30℃，出口温度40℃
（3）允许压强降不大于100KPa
(4)每年按300天计，每天24小时运行
学生应完成的任务：
（1）根据换热任务和有关要求确认设计方案；
（2）初步确认换热器的结构和尺寸；
（3）核算换热器的传热面积和流体阻力；
（4）确认换热器的工艺结构。
参考文献：
［1］柴诚敬,张国亮等．化工流体流动与传热[M]．北京：化学工业出版社
［2］余国琮等．化工容器及设备[M]．北京：化学工业出版社，1980
［3］匡国柱，史启才．化工单元过程及设备课程设计[M]．北京：化学工业出版社，2002
［4］朱聘冠．换热原理及计算[M]．北京：清华大学出版社，1987
［5］天津大学．化工原理（上册）[M]．北京：高等教育出版社，2010
[6] 大连理工大学.化工设备机械基础(第六版）[M]．大连：大连理工大学出版社，2006

工作计划：11月15日—11月19日 查阅资料
11月20日—11月24日 进行相应的计算和数据处理
11月25日—11月26日 确认画图比例及相应操作
11月26日—11月28日 按照计算内容和相应比例进行画图
11月29日—11月29日 进行最后的核算和修正

任务下达日期：2013年11月15日
任务完成日期：2013年11月29日

指导教师（签名）： 学生（签名）：
列管式换热器设计任务书
摘要：通过对列管式换热器的设计，首先要确定设计的方案，选择合适的计算步骤。查得计算中用到的各种数据，对该换热器的传热系数 传热面积 工艺结构尺寸等等要进行核算，与要设计的目标进行对照是否能满足要求，最终确定换热器的结构尺寸为设计图纸做好准备和参考，来完成本次课程设计。

关键词：标准 方案 核算 结构尺寸

I

目 录
1.设计背景················································5
2.设计方案················································5
2.1 根据固定管板式的特点··································6
2.2 根据以下原则··········································6
2.3 流体流速的选择········································6
2.4 管子的规格和排列方法··································6
2.5 管子在管板上排列的间距································6
2.6 管程和壳程数的确定 ···································6
2.7折流挡板··············································7
2.8 主要构件的选用········································7
3.方案实施················································7
3.1确定设计方案········································7
3.2确定物性数据········································8
3.3计算总传热系数······································8
3.4计算传热面积········································9
3.5工艺结构尺寸········································12
3.6换热器核算··········································13
3.7封头的选择··········································14
3.8垫圈的选择··········································14
3.9容器法兰的选择······································15
3.10管板尺寸确定·······································15

第 2 页

3.11膨胀节选型·········································15
3.12折流板设计·········································15
3.13开孔补强···········································16
3.14支座···············································16
3.15接管直径···········································16
3.16试验算固定管板式换热器的拉脱力·····················16
4.结果和结论··············································17
5.收获和致谢··············································18
6.参考文献················································18
7.工艺设计计算结果汇总表··································18

1.设计背景
在不同概述温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们也是这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
2.设计方案
根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器中的固定管板式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。在这里，冷水走管程，煤油走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密度，比热容，导热系数，黏度。计算出总传热系数，再计算出传热面积。
再来就校正传热温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。分别对换热器的热量，管程对流系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度。最后，对传热流体的流动阻力进行计算，如果在设计范围内就能完成任务。
2.1 根据固定管板式的特点
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。U形管式特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。我们设计的换热器的流体是冷水、煤油，不易结垢，再根据造价低，经济的原则我们选用固定管板式换热器。
2.2 根据以下原则
(1)、不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。 (2)、腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。(3)、压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。(4)、饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。 (5)、被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6)、需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7)、粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。我们选择冷水走管程，煤油走壳程。
2.3 流体流速的选择
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，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，根据表换热器常用流速的范围，取管内流速。
2.4 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φ25×2.5mm及φ19×2mm两种规格的管子。在这里，选择 φ25×2.5mm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。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。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。在这里选择组合排列法，每程内均选择按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。
2.5 管子在管板上排列的间距 
它指相邻两根管子的中心距，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=(1.3～1.5)do，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=1.25do。
2.6 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。
2.7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10～40％，一般取20～25％，过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离(板间距)h为外壳内径D的(0.2～1)倍。系列标准中采用的h值为:固定管板式的有150、300和600mm三种，板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。这次设计选用圆缺形挡板。
　　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。
2.8 主要构件的选用：  
　 （1）封头 　封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体(一般小于400mm)，圆形用
于大直径的壳体。
　 （2）缓冲挡板　 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡
板。
（3） 导流筒　 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间，为了提
高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。
　 （4）放气孔、排液孔  换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷
凝液等。
　 （5）接管尺寸　 换热器中流体进、出口的接管直径由计算得出。
3.设计计算
3.1确定设计方案
3.1.1 选择换热器的类型
两流体温度变化情况：热流体（煤油）进口温度140℃，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，热流体为煤油，为不易结垢和清洁的流体。冬季操作时进口温度会降低，考虑这因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
3.1.2 流动空间及流速的测定
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。选用25×2.5的碳钢管，管内流速取=1.5 m/s。　
3.2确定物性数据
定性温度：可取流体进口温度的平均值。
壳程煤油的定性温度为
管程流体的定性温度为
两流体温差
两流体在定性温度下的物性数据如下
流体 物性
温度
℃
密度ρ
㎏/m³
粘度μ
Pa·s
比热容cp J/(kg·℃)
导热系数λ W/(m·℃）
煤油
90
825
0.000715
2.220×103
0.14
自来水
35
994
0.000728
4.174×103
0.626
3.3计算总传热系数
(1) 计算热负荷Q
煤油流量

忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得，即

(2) 计算平均温差，并确定壳程数。
逆流温差

由R、P查图，得

又因，故可选用单壳程的列管式换热器。
(3) 初选换热器规格尺寸如下：
壳径D 800mm
公称面积S 220m³
管程数Np 2
管数n 488
管长L 6m
管子直径 （碳钢）
管子排列方式 正三角形

换热器实际传热面积：

选择该型号的换热器，要求过程的总传热系数为：

3.4核算总传热系数
(1)、计算管程对流传热系数

所以：

所以：

(2)、计算壳程对流传热系数
换热器中心附近管排中流体流通截面积为

式中 h——折流挡板间距，取
煤油的质量流量为，则
煤油的体积流量为
由于换热器为两壳程，所以煤油的流速为：

由于管为三角形排列，则有

煤油在壳程中流动的雷诺数为

因为在范围内，故可采用凯恩(Kern)法求算，即

由于液体被冷却取0.95，所以

（3）、确定污垢热阻

（4）、计算总传热系数（管壁热阻可忽略时，总传热系数为：）

选用该换热器时，要求过程的总传热系数为338.21，在传热任务所规定的流动条件下，计算出的=398.31 ，所选择的换热器的安全系数为：
则该换热器传热面积的裕度符合要求。
3.5、计算压强降
（1）、计算管程压强降

前已
碳钢管壁取的粗糙度，则
由摩擦系数图查得
所以

对于的管子，有

(2)、计算壳程压强降

由于
所以
管子为正三角形排列，则取F=0.5

折流挡板间距
折流板数

所以

从上面计算可知，、﹤105，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。
3.6换热器壳体壁厚的计算
材料选用20R钢，计算壁厚：

式中 ——计算压力，取；；
,（双面焊对接接头，局部无损检测）

腐蚀余量，查表得
名义壁厚为：
复验：>0.3mm
所以最后取，取6mm厚的20R
校核水压强度：

<
所以水压强度足够。
3.7封头的选择
选取标准椭圆形封头，材料20R钢，（整板冲压成型）

腐蚀余量，查表得
名义壁厚为：
3.8垫圈的选择
介质
法兰公称压力MPa
介质温度℃
配用压紧面形式
选用垫圈
名称
材料
煤油
≤1.0
≤200
平形
耐油橡胶石棉
耐油橡胶石棉
自来水
≤1.0
≤60
平形
橡胶垫圈
橡胶板

3.9容器法兰的选择
材料选用16MnR。根据JB/T4702-2000标准，选用DN 800 1.0Pa的甲型平焊法兰。法兰尺寸如下：

公称直径
法兰/mm
螺栓
DN/mm
D
D1
D2
D3
D4
δ
d
规格
数量
800
930
890
855
845
842
54
23
M20
40

3.10管板尺寸确定
选用固定式换热器管板，并兼作法兰，
材料为20R钢，查相关标准
D
D1
D2
D8
D4
D5=D6
D7
b
b1
c
d
螺栓孔数
930
890
790
798
—
800
850
32
—
10
23
32

3.11膨胀节选型
选用波形膨胀节，根据JB1122-68-5标准，材料为16MnR
，，，
3.12折流板设计
折流板为弓形，
折流板间距取300mm ；查表得折流板最小厚度为，折流板外直径为796mm，材料为Q235-A钢
拉杆直径，共8个，材料为Q235-A钢
3.13开孔补强
换热器壳体和封头上的接管处开孔补强，常用的结构式在开孔外面焊上一块与容器壁材料和厚度都相同，即厚的Q-235 B钢板，其补强结构。
3.14支座
采用鞍座，根据JB/T4712-92标准，选用鞍座A1000-F/S,材料选择Q235A，间距法兰尺寸如下：
公称直径DN
允许载荷Q/kN
鞍座高度h
底板
腹板
筋板
垫板
螺栓间距l2
鞍座质量/kg
增加100mm高度增加的质量/kg
L1
b1
δ1
δ2
l3
b3
δ3
孤长
b4
δ4
e
带垫板
不带垫板
800
225
200
720
150
10
10
400
120
10
940
200
6
36
530
35
27
7

3.15接管直径
（1）壳程流体进出口接管
取接管内液体流速， 则接管内径为：

可选取接管Φ150×6mm，长150mm的两个，材料选16MnR。
（2）管程流体进出口接管
取接管内液体流速

可选取接管Φ250×6mm，长150mm的两个，材料选16MnR。
3.16试验算固定管板式换热器的拉脱力

项 目
管 子
壳 体
操作压力MPa
材质
线膨胀系数1/℃
弹性模数MPa
许用应力MPa
尺寸mm
管子根数
排列方式
管间距mm
管子与管板连接结构：
胀接长度mm
许用拉脱力MPa
0.7
Q235B
0.0000118
189000
113
25×2.5×6000
488
正三角形
a=32
开槽胀接
l =29
[q]=4.0
0.68
Q235B
0.0000118
189000
113
800×6
在操作压力下，每平方米胀接周边产生的力:

其中：

在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力:
其中：

又与作用方向相同，则：

，故管子拉脱力在许用范围内。
4. 结果和结论
经过计算和查资料查询得出所设计的换热器满足题目所需要，各项要求都能满足，因而所设计的换热器合格。
设计换热器需要经过大量的计算、验证，还有需要查询资料，查询符合要求的标准，进而选择合适的尺寸，在设计的过程中要进行好多的假设，这些假设如果在以后的计算中没有问题则可以使用，如果出错就要回过来重新进行假设和验证，经过各种验证之后没有错误，然后才可以确定设计方案，才可以继续图纸的操作。
5.收获和致谢
课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
经过两周的奋战我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。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自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
在此也要感谢我们的指导老师路老师对我们悉心的指导，感谢老师给我们的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。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这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。
6.参考文献
［1］柴诚敬,张国亮等．化工流体流动与传热[M]．北京：化学工业出版社
［2］余国琮等．化工容器及设备[M]．北京：化学工业出版社，1980
［3］匡国柱，史启才．化工单元过程及设备课程设计[M]．北京：化学工业出版社，2002
［4］朱聘冠．换热原理及计算[M]．北京：清华大学出版社，1987
［5］天津大学．化工原理（上册）[M]．北京：高等教育出版社，2010
[6] 大连理工大学.化工设备机械基础(第六版）[M]．大连：大连理工大学出版社，2006

7.工艺设计计算结果汇总表

参数 数据

煤油流量kg/h
41700
自来水流量/kg/h
221760
实际传热面积S/㎡
226.02
要求过程的总传热系数/W/（㎡℃）
338.21
总传热系数/W/（㎡℃）
398.31
安全系数/%
17.77
管程压强降/Pa
3373.97
壳程压强降/Pa
4980

参数 数据

备注
材料
壳径D/mm
800

20R
公称压强/Mp
1.00

公称面积S/㎡
226.02

管程数Np
2

管子尺寸/mm
φ25×2.5　

20R
管长/m
6

管子总数n
488

管子排列方法
正三角形

管心距/mm
32

折流板数
19
外径995.5 厚度6
Q235A
板间距/mm
300

弓高/mm
600

拉杆直径/mm
12

Q235A
拉杆数量
8

法兰垫片
DN800

排气孔
L=150
Φ70×4.0
Q235A
定距管
L=
Φ25×2.5
20
鞍座
h=200 m=35kg
允许载荷225kN
Q235A

第 20 页