换热器设计说明书.doc

大庆师范学院
《化工原理》课程设计说明书

设计题目 年产5.76万吨煤油的换热器的设计
学生姓名 赵岩磊
指导老师 张 浩
学 院 化学化工学院
专业班级 化工2班
完成时间 2010年7月1日

目 录

第一节 概 述 1
1.1换热器的发展现状 1
1.2 换热器的类型 1
1.3列管式换热器的设计步骤 1
第二节 设计方案的确定 2
2.1 设计任务 2
2.2 选择换热器的类型 2
2.3 流动空间及其流速的确定 2
第三节 确定物性数据 3
第四节 计算总传热系数 4
4.1 热流量 4
4.2 平均传热温差 4
4.3 冷却水用量 4
4.4 总传热系数K 4
4.5计算传热面积 5
第五节 工艺结构尺寸 6
5.1．管径和管内流速 6
5.2.管程数和传热管数 6
5.3.平均传热温差校正及壳程数 6
5.4.传热管排列和分程方法 7
5.5．壳体内径 8
5.6．折流板 8
5.7．接管 8
第六节 换热器核算 9
6.1热流量核算 9
6.1.1壳程表面传热系数 9
6.1.2 管程对流传热系数 9
6.1.3 污垢热阻和管壁热阻 10
6.1.4 传热系数K 10
6.1.5 传热面积S 10
6.2 换热器内流体的流动阻力 11
6.2.1管程流体阻力 11
6.2.2壳程阻力 12
参考文献 14
后记及其他 15

第一节 概 述

1.1换热器的发展现状
近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。换热器是一种高效紧凑的换热设备，它的应用几乎涉及到所有的工业领域，而且其类型、结构和使用范围还在不断发展。近年来，焊接型板式换热器的紧凑性、重量轻、制冷性能好、运行成本低等优越性已越来越被人们所认识。随着我国经济的发展，换热器技术的发展，特别是各种大型的工业制冷装置和空调用制冷装置发展迅速，这为各种换热器的应用提供了广阔的市场。
1.2 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、混合式和蓄热式。在三类换热器中,间壁式换热器应用最多。其中列管式换热器得到了广泛的应用。
列管式换热器主要分为以下几种：
l 固定管板式换热器；
l 浮头是换热器；
l U 型管换热器；
l 填料函式换热器；
1.3列管式换热器的设计步骤
l 根据换热任务和有关要求确定设计方案；
l 初步确定换热器的结构和尺寸；
l 核算换热器的传热面积和流体阻力；
l 确定换热器的工艺结构；

第二节 设计方案的确定

2.1 设计任务
某生产过程中，需将5.7610t/a的煤油从140℃冷却至44℃，压力为0.3MPa；冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.4 MPa，循环水入口温度30℃，出口温度为42℃，试设计一台列管式换热器，完成生产任务。
2.2 选择换热器的类型
两流体温的变化情况：热流体进口温度140℃ 出口温度44℃；冷流体进口温度30℃，出口温度为42℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用固定管板式换热器。
2.3 流动空间及其流速的确定
由于循环冷却水较易结垢，为了便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用的碳钢管，管内流速取=0.8m/s。

第三节 确定物性数据

定性温度：可取流体进出口温度的平均值。
壳程油的定性温度为：
T==92℃ （3-1）

管程流体的定性温度为
t=℃ （3-2）
由于煤油物性受温度影响较小，所以煤油在92℃下的相关物性可近似等于90℃的相关物性，即：
煤油在92℃下的有关物性数据如下：
密度
定压比热容 =2.22 kJ/kg℃
热导系数 =0.14 w/m
粘度 =0.000715 Pas
循环水在36℃ 下的物性数据：
密度 =993.92㎏/m3
定压比热容 =4.18 kJ/kg℃
热导率 =0.617w/m℃
粘度 =7.085Pas
每年工作日按300天计算，则=5.76/30024=8000kg/h;

第四节 计算总传热系数

4.1 热流量
Q==80002.22(140-44)=1.7kJ/h=472.2kw; （4-1）
4.2 平均传热温差
==40.4℃； （4-2）
4.3 冷却水用量
= ==33891.5kg/h; （4-3）
4.4 总传热系数K
设管程流速 =0.8m/s;
管程传热系数：
Re===22445.6; （4-4）
=0.023()() （4-5）
=0.023=4015.5w/m.℃；
壳程传热系数：
4-1 流体的污垢热阻（表一）
加热流体温度，℃
小于115
115～205
水的温度，℃
小于25
大于25
水的流速，（m/s）
小于1.0
大于1.0
小于1.0
大于1.0
污垢热阻，(m2·℃)/W
海水
0.859810-4
1.719710-4
自来水，锅炉软水
1.719710-4
3.439410-4
蒸馏水
0.859810-4
0.859810-4
硬水
5.159010-4
8.598010-4
河水
5.159010-4
3.439410-4
6.878810-4
5.159010-4
4-2 流体的污垢热阻（表二）
流体名称
污垢热阻
(m2·℃)/W
流体名称
污垢热阻
(m2·℃)/W
有机化合物蒸气
0.859810-4
有机化合物
1.719710-4
溶剂蒸气
1.719710-4
盐水
1.719710-4
天然气
1.719710-4
融盐
0.859810-4
锅炉气
1.719710-4
植物油
5.159010-4
水蒸气
0.859810-4
原油
3.439410-4
空气
3.439410-4
柴油
3.439410-4
石脑油
1.719710-4
重油
0.859810-4
煤油
1.719710-4
沥青油
1.719710-4
汽油
1.719710-4

假设壳程的传热系数 =290 w/m.℃；
污垢热阻： R=0.000344 m.℃/w;
R=0.000172 m.℃/w;
管壁的导热系数 =45w/m.℃;
K=; （4-6）
=;
=226 w/m.℃
4.5计算传热面积
S’===51.7 m; （4-7）
考虑到15%的面积裕度， S=1.15=1.15=59.5m;

第五节 工艺结构尺寸

5.1．管径和管内流速
表5-1 换热器常用流速的范围
流速 介质
循环水
新鲜水
一般液体
易结垢液体
低粘度油
高粘度油
气体
管程流速，m/s
1.0-2.0
0.8-1.5
0.5-3
>1.0
0.8-1.8
0.5-1.5
5-30
壳程流速，m/s
0.5-1.5
0.5-1.5
0.2-1.5
>0.5
0.4-1.0
0.3-0.8
2-15
选用Φ25×2.5传热管（碳钢），取管内流速 u1=0.8 m/s。
表5-2 列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速
液体名称
乙醚、二硫化碳、苯
甲醇、乙醇、汽油
丙酮
氢气
安全流速m/s
<1
<2-3
<10
8
5.2.管程数和传热管数
可依据传热管内径和流速确定单程传热管数;
n=（根 ） （5-1）
按单程管计算，所需的传热管长度为
L==19.9 m (5-2) 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为
Np= (5-3)
传热管总根数 N=383=114 （根）
5.3.平均传热温差校正及壳程数
平均温差校正系数:
R= (5-4)
P= (5-5)

图5-1 对数平均温差校正系数
按单壳程，三管程结构，温差校正系数应查有关图表，以代替R，PR代替P，查同一图线可得，

平均传热温差 ℃ (5-6)
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形排列,隔板两侧采用正方形排列。
取管心距t=1.25d0 (5-7)
则 t=1.25×25=31.25≈32㎜
横过管束中心线的管数
=1.19=1.19=13（根） (5-8)
5.5．壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η=0.7 ，则壳体内径为：
D=1.05tmm (5-9)
按卷制壳体的进级档，可取D=450mm
5.6．折流板
采用弓形折流板，取弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为
h=0.25×450=112.5mm (5-10)
故可取h=110mm
取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3×450=135mm，可取B为160mm。
折流板数目：
N= （块） (5-11)
5.7．接管
壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u=1.0m/s，则接管内径为
(5-12)
圆整后可取管内径为60mm。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内径为
m
圆整后去管内径为90mm

第六节 换热器核算

6.1热流量核算
6.1.1壳程表面传热系数
对圆缺型折流板，可采用克恩法计算，
(6-1)
当量直径，由正三角形排列得
==0.020m; (6-2)
壳程流通截面积:
; (6-3)
壳程流体流速及其雷诺数分别为

普朗特数
(6-4)
粘度校正
℃； (6-5)
6.1.2 管程对流传热系数
(6-6)
管程流体流通截面积

管程流体流速

普朗特数

℃

6.1.3 污垢热阻和管壁热阻
可取
管外侧污垢热阻: ℃/w
管内侧污垢热阻: ℃/w
6.1.4 传热系数K
依式(6-7)有
(6-7)
=
=352.1w/m.℃

6.1.5 传热面积S
(6-8)
该换热器的实际传热面积为S
S=; (6-9)
该换热器的面积裕度为
; (6-10)
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
6.2 换热器内流体的流动阻力
6.2.1管程流体阻力
(6-11)
, , F=1.4 ,
, (6-12)

图6-1 莫狄图
由Re=22137，传热管对粗换热器内流体的流动阻力
（相对粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄图得℃，流速u=0.789m/s,
,）所以，

管程流体阻力在允许范围之内。

表6-1 合理压力降的选取
操作情况
操作压力，Pa（绝）
合理压强降，Pa
减压操作
P=0-1 105
0.1 P
低压操作
P=（1-1.7）105
0.5 P
P=（1.7-11）105
0.35105
中压操作
P=（11-31）105
0.35-1.8105
较高压操作
P=（31-81）105（表）
0.7-2.5105

6.2.2壳程阻力
, , F=1.15
流体流经管束的阻力

F=0.5 , ,
, N=43 ,
0.5×0.7569×13×(43+1)×=2611.1Pa
流体流过折流板缺口的阻力
, B=0.16m , D=0.45m

总阻力
2611.1+1446.3=4057.4Pa<
所以壳程流体的阻力也比较适宜。

6-2 换热器主要结构尺寸和计算结果
换热器形式：固定管板式
换热面积（m2）：55
工艺参数
名称
管程
壳程
物料名称
循环水
油
操作压力，MPa
0.4
0.3
操作温度，℃
30/42
140/44
流量，kg/h
33891.5
8000
流体密度，kg/m3
993.92
825
流速，m/s
0789
0171
传热量，kW
472.2
总传热系数, W/m2K
352.1
对流传热系数, W/m2K
3971.2
538.9
污垢系数，m2.K/W
0.000344
0.000172
阻力降，MPa
0.0189055
0.0040574
程数
3
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
管子规格

管数 114
管长，mm 7000
管间距，mm
32
排列方式
正三角形
折流板型式
上下
间距，mm 160
切口高度25%
壳体内径，mm
450
保温层厚度，mm

管口表
符号
尺寸
用途
连接方式
a
DN 90
循环水人口
平面
b
DN90
循环水出口
平面
c
DN60
油品入口
凹凸面
d
DN60
油品出口
凹凸面

参考文献

[1].《化工原理》。上册/夏清，陈常贵主编。天津：天津大学出版社（2005.1）.
[2].《换热器》秦叔经、叶文邦等 ，化学工业出版社（2003）.
[3].《化工原理课程设计》 贾绍义，柴诚敬主编，——天津：天津大学出版社，（2002.8）.
[4].《化工AutoCAD制图应用基础》/周军，张秋利主编。北京：化学化工出版社，（2008.10）.
[5].《化工过程及设备设计》华南理工大学化工原理教研室（1999）.

后记及其他

设计不足之处：本次设计由于煤油物性不准，导致计算结果存在偏差，设计的面积裕度有些偏大，主要原因是壳体物料的质量流量m0大，导致Re0随之变大，由0计算式可知，0也变大，从而导致传热系数K随之变大，而传热面积S与K值的变化成反比，S值变小，面积裕度变大。
减小面裕改进方法：减小油料的进入量，从而减小u0值，最终增加S减小面积裕度H。
管程的阻力降为18905.5Pa有些偏大，主要原因是管程的流速u1设计较大。
减小阻力降改进方法：减小冷却水的质量流量以减小管中液体流速，或者减小管长度，增加管程数，从而降低P。
从设计结果可看出，若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为煤油的出口温度增高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K.因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应增大.通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要。
提高总传热系数途径的分析：
若，则，由此可知，总热阻是热阻大的那一侧的对流传热
控制，即当两个对流传热系数相差较大时，欲提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的。若两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的，才能提高K值。
通过这段时间的《化工原理》课程设计，总的体会可以用一句话来表达，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行！
以往的计算都是某一单元某一部分的计算，而课程设计则不一样，它需要综合考虑各个方面的因素，这是一个综合性系统性的工程设计，因而要求我们分别从进料物性，热量横算等不同角度去思考问题，在设计的过程中，遇到的问题是不断的。
在计算机制图的过程中，我更熟练AutoCAD设计软件。在此过程中，我对制图规范有了较为深入地了解，对平、剖面图的内容、线形、尺寸标注等问题上有了更为清楚地认识。
后期的设计书电脑输入，由于以前对各种办公软件应用不多，以致开始的输入速度相当的慢，不过经过一段时间的练习，逐渐熟练。
紧张的课程设计终于划上了一个满意的句号，回想起过去这段时间的设计收获是很大的，看到展现在眼前的设计成果，不仅使我对两年来大学所学专业知识的进行了一次比较系统的复习和总结归纳，而且使我真正体会了设计的艰辛和一种付出后得到了回报的满足感和成就感。同时也为以后的工作打下了坚实的基础，也为以后的人生作好了铺垫。

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