化工原理换热器课程设计.doc

重庆理工大学

化工原理课程设计
说明书
题 目： 柴油预热原油的管壳式换热器
学生班级： 111150201
学生姓名： 何吉雨
学生学号： 11115020108
指导教师： 白薇扬
化学化工学院

2014 年 6 月 13 日

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目 录

1.设计任务书 1

2.概述 2

3.设计条件及物性参数表 2

4.方案设计和拟定 3

5.设计计算 6

6.热量核算 11

7. 参考文献 16

8.心得体会 17

2
1

1．设计任务书
1.1设计题目
用柴油预热原油的管壳式换热器
1.2设计任务
1.查阅文献资料，了解换热设备的相关知识，熟悉换热器设计的方法和步骤；
2.根据设计任务书给定的生产任务和操作条件，进行换热器工艺设计及计算；
3.根据换热器工艺设计及计算的结果，进行换热器结构设计；
4.以换热器工艺设计及计算为基础，结合换热器结构设计的结果，绘制换热器装配图；
5.编写设计说明书对整个设计工作的进行书面总结，设计说明书应当用简洁的文字和清晰的图表表达设计思想、计算过程和设计结果。
1.3操作条件
物料
温 度 ℃
质量流量
kg/h
比 热
kJ/kg.℃
密 度
kg/m3
导热系数
W/m.℃
粘度
Pa.s
入口
出口
柴油
170
T2
35080
2.48
715
0.133
0.64×10-3
原油
60
105
41104
2.20
815
0.128
3.0×10-3

2. 概述
在不同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。
3.设计条件及物性参数表
3.1操作条件
原油：入口温度60℃ 出口温度105℃ 质量流量：41104 kg/h
加热介质柴油：入口温度170℃ 出口温度T2 质量流量：(35080)kg/h
允许压降：不超过0.3×105Pa
3.2物性参数表
物料
温 度 ℃
质量流量
kg/h
比 热
kJ/kg.℃
密 度
kg/m3
导热系数
W/m.℃
粘度
Pa.s
入口
出口
柴油
170
T2
35080
2.48
715
0.133
0.64×10-3
原油
60
105
41104
2.20
815
0.128
3.0×10-3
4.方案设计和拟订
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浮头式换热器；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，柴油走管程，原油走壳程。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。根据管径管内流速，确定传热管数，标准传热管长为6m，算出传热管程，传热管总根数等等。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。

4.1列管式换热器种类选取
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。浮头式特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。我们设计的换热器的流体是油，易结垢，再根据可以完全消除热应力原则我们选用浮头式换热器。

4.2管程与壳程的选取
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，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，我们选择柴油走管程，原油走壳程。

4.3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

4.4管子的规格和排列方法选择
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×mm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。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4～6(对直径小的换热器可大些)。在这次设计中，管长选择4m。
　　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。
　　管子在管板上排列的间距 (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)d，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=1.25d

4.5管程和管壳数的确定
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6程，壳程为单程。

4.6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)B为外壳内径D的(0.2～1)倍。系列标准中采用的B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。

5．设计计算
5.1确定设计方案
5.1.1 选择换热器的类型
因为，
所以，
=

得到=123.2256
两流体温度变化情况：热流体（柴油）进口温度170℃，出口温度123.2256℃；冷流体（原油）进口温度60℃，出口温度105℃。该换热器用柴油预热原油，为易结垢的流体。该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。

5.1.2 流动空间及流速的测定
为减少热损失和充分利用柴油的热量，采用柴油走管程，原油走壳程。选用φ25×2.5mm的碳钢管，根据表三—管内流速取u i=1.0m/s。　.
5.2确定物性数据
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
柴油的有关物性数据如下：
密度
定压比热容）
导热系数
黏度

原油的物性数据：
密度
定压比热容）
导热系数
黏度 　

5.3计算总传热系数
5.3.1 热流量

5.3.2 平均传热温差

5.3.3 总传热系数 K
管程传热系数

壳程传热系数
假设壳程的传热系数
污垢热阻

管壁的导热系数

5.4计算传热面积

考虑15%的面积裕度，
5.5工艺结构尺寸
5.5.1 管径和管内流速
选用传热管(碳钢),取管内流速
5.5.2 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

按单程管计算,所需的传热管长度为

按单程管设计,传热管过程,宜采用多管程结构。现取传热管长，
则该换热器管程程数为

传热管总根数
5.5.3平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数

按单壳程, 4管程结构,温差校正系数应查附图一——对数平均温度校正系数。
可得

平均传热温差

5.5.4 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排列,隔板两恻采用正方形排列.取管心距
,则

横过管束中心线的管数

5.5.5 壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率,则壳体内径为

圆整可取
5.5.6 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25%,则切去的圆缺高度为

取折流板间距，
则
可取B为200mm。
折流板数

折流板圆缺面水平装配。
5.5.7 接管
壳程流体进出口接管:取接管内流速为，则接管内径为

取标准管径为150mm。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速，则接管内径为

取标准管径为150mm。
5.6热量核算
5.6.1.1 壳程对流传热系数
对圆缺形折流板,可采用凯恩公式

当量直径,由正方形排列得

壳程流通截面积

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

粘度校正

5.6.1.2 管程对流传热系数

管程流通截面积

管程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

5.6.1.3 传热系数 K

5.6.1.4 传热面积 S

该换热器的实际传热面积

该换热器的面积裕度为

传热面积裕度大,该换热器能够完成生产任务
5.6.2 核算压力降
5.6.2.1 管程压力降

, ,
,
由，传热管相对粗糙度，查附图二——摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得，流速，，
所以

管程压降在允许范围之内。
5.6.2.2 壳程压力降

流体流经管束的压降

，
1

流体流过折流板缺口的压降

，

总压降

壳程压降也比较适宜。
5.6.2.3 换热器主要结构尺寸和计算结果
表1冷热流体物性数据表
物料名称
操作压
操作温度
污垢系数
导热系数
比热
流体密度
粘度

MPa
℃
m2.℃/W
W/m.℃
kJ/kg.℃
kg/m3
Pa.s
柴油
<0.03
170/123.2256
0.000172
0.133
2．48
715
0.00064
原油
<0.03
60/105
0.000172
0.128
2.20
815
0.00300
表2 工艺设备尺寸表
换热器型式
换热面积/
管子规格
管数
管长
管间距

排列方式
折流板型式
间距
切口高度
壳体内径
浮头式式
72.7768

176
6000
32
正方形
上下
200
130
580

7.参考文献
［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]马江权，冷一欣等。化工原理课程设计。北京：中国石化出版社，2009
［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］夏清，贾绍义。化工原理（上册）。 天津：天津大学出版社，2013
[5]刘积文主编，石油化工设备制造概论，哈尔滨；哈尔滨船舶工程学院出版社，1989

8.心得体会
在此次的课程设计中，由于处理的数据量庞大，对换热器一块的知识量需求较大也较深入，所以在做该次课程设计之前，不得不去翻看以前化工原理中关于传热部分的知识点，在做课程设计的过程中，不得不去翻阅大量资料以及查找以前学长学姐们做出的范本，在设计过程中也会遇到或多或少的困难，比如说这次的课程设计要求是需要用电子文档然后打印，在公式编辑方面上就是一个比较繁杂的过程。
在经过这次课程设计，收获颇多，总结如下
1，面对一项复杂的任务时，学会了查阅资料并能从大量冗杂资料中提取有用信息
2，复习了前面化工原理中的传热部分的知识
3，对于换热器有了更系统更全面的认识，了解了换热器在设计过程中的基本要求及过程
4，对于word文档的运用也有所熟悉

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