煤油冷却器课程设计计算部分

课程设计任务书
1、设计题目：处理量为56000吨/年煤油冷却器的设计
2、操作条件：
（1）煤油：入口温度140℃；出口温度40℃；
（2）冷却介质：采用循环水，入口温度30℃，出口温度40℃；
（3）允许压降：不大于105Pa ；
（4）煤油定性温度下的物性数据：
（5）每年按330天计，每天24小时连续生产。

3、设计任务：
（1）处理能力：5.6×104t a ⁄煤油；
（2）设备型式：列管式换热器；
（3）选择适宜的列管换热器并进行核算；
（4）绘制带控制点的工艺流程图和设备结构图，并编写设计说明书。

c)w/(m.14.0c)
/(kg.k 22.2c S
.a 1015.7kg/m 8250c 0pc 4-c 3
c ==⨯=λμρJ P ＝
摘要
本设计内容是处理量为4.3×4
10吨/年煤油冷却器的设计，本设计采用固定管板式换热器，循环水作为冷却剂。

本设计完成了换热器的工艺计算，包括煤油和水的基础物性数据，换热器面积估算，换热器工艺结构尺寸的计算，并分别进行核算，绘制了带控制点的工艺流程图，换热器装配图。

关键词：煤油；水；换热器；
Abstract
This design content is the capacity for 43000 tons/year kerosene cooler design，the design uses the fixed tube heat exchanger，circulating water as coolant。

This design is completed the heat exchanger technical calculation，including kerosene and water based physical property data，heat exchanger area estimated，heat exchanger process structure size calculation，and respectively accounting，drawing on the belt control process flow diagram，heat exchanger assembly drawing。

Key Words：kerosene；water；heat exchanger
目录
课程设计任务书 (I)
摘要....................................................................................................... I I Abstract................................................................................................... I II 目录 ....................................................................................................... I V §第1章绪论 (1)
1.1换热器技术概况 (1)
1.1.1换热器分类 (1)
1.1.2固定管板式换热器 (2)
1.1.3设计要求 (2)
1.2换热器技术的发展 (3)
1.3换热器在工业生产中的应用 (3)
§第2章设计方案 (3)
2.1换热器类型的选择 (3)
2.2流程安排(流动空间的选择)及流速确定 (4)
§第3章换热器的工艺计算 (4)
3.1基础物性数据 (4)
3.2换热器面积的估算 (4)
3.2.1热负荷 (4)
3.2.2平均传热温度差计算 (5)
3.2.3总传热系数的假设 (5)
3.2.4冷却水的用量 (5)
3.3换热器工艺结构尺寸的计算 (6)
3.3.1管内和管外流速计算 (6)
3.3.2管程数和传热管数的计算 (6)
3.3.3平均传热温差校正及壳程数的校正 (7)
3.3.4传热管排列和分程的选择 (7)
3.3.5壳程内径计算 (7)
3.3.6折流板的选择 (7)
3.3.7其他附件的选择 (7)
3.4换热器核算 (8)
3.4.1传热能力的核算 (8)
3.4.1.1壳程传热膜系数 (8)
3.4.1.2管内传热膜系数 (8)
3.4.1.3污垢热阻和管壁热阻 (9)
3.4.1.4总传热系数 (9)
3.4.1.5传热面积 (9)
§第1章 绪论
1.1 换热器技术概况
1.1.1 换热器分类
在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称为热交换器。

在这种设备内，至少有两种温度不同的流体参与传热。

一种流体温度较高，放出热量；另一种流体温度较低，吸收热量。

换热器的分类方式：
（1） 按照用途来分：预热器（加热器）、冷却器、冷凝器、蒸发器等。

（2） 按照制造换热器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。

（3） 按照温度状况来分：温度工况稳定的换热器，热流大小以及在制定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的换热器，传热面上的热流和温度都随时间改变。

（4） 按照热流体与冷流体的流动方向来分：
顺流式（并流式）：两种流体平行地向着同一方向流动。

如图（a ）
逆流式：两种流体也是平行流动，但它们的流动方向相反。

如图（b ）
错流式（交叉流式）：两种流体的流动方向互相垂直交叉。

如图（c ）当交叉次数在四次以上时，可根据两种流体流向的总趋势将其看成逆流或顺流。

如图（d ）及（e ）
混流式：两种流体在流动过程中既有顺流部分，又有逆流部分。

如同（f ）及（g ）
(a) (b)
(c) （d ） (f) (g)
（5）换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。

其中间壁式换热器应用最广泛，如表1-1所示。

1.1.2固定管板式换热器
固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。

但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。

当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。

有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。

这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于70℃）和壳方流体压强过高（一般不高于600kPa）的场合。

1.1.3设计要求
（1）满足工艺过程所提出的要求，热交换强度高，热损失少，在有利的平均温差下工作。

（2）要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构，制造简单，装修方便，经济合理，运行可靠。

（3）设备紧凑。

这对大型企业、航空航天、新能源开发和余热回收装置更有重要意义。

（4）保证较低的流动阻力，以减少换热器的动力消耗。

1.2换热器技术的发展
随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。

换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分的活跃。

一些新型的换热器相继问世。

换热器技术的研究必须满足各种情况特殊而又条件苛刻的要求，因而各国在组织大规模工业生产的同时，都很重视换热器的研究，并组织了较强的专业研究中心，例如早在20世纪60年代就在传热工程领域内出现了有影响的两大国际性研究集团，即1962年成立的没过传热研究公司和1968年成立的英国传热及流体流动服务公司。

在我国，也有兰州石油机械研究所等一些单位，在换热器的研究和设计方面进行了多年的工作，推动了我国换热器的设计和改进、技术标准的制订和推广。

1.3换热器在工业生产中的应用
换热器在工业生产中的应用极为普遍，例如动力工业中锅炉设备的过热器、省煤器、空气预热器，电厂热力系统中的凝气器、除氧器、给水加热器、冷水塔；冶金工业中高炉的热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气预热；制冷工业中蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器、冷凝器；制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，都是换热器的应用实例。

在化学工业和石油化学工业的生产过程中，换热器也有较多的应用。

在航天工业中，为了及时取出发动机及其辅助动力装置在运行时所产生的大量热量，换热器也是不可缺少的重要部件。

在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。

换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。

§第2章设计方案
2.1换热器类型的选择
两流体的温度变化情况如下：
（1）煤油：入口温度140℃，出口温度40℃；
（2）冷却介质：自来水，入口温度30℃，出口温度40℃；
该换热器用循环冷却自来水进行冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考略到这一因素，估计所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，需考虑热膨胀的影响，相应地进行热膨胀的补偿，故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器。

2.2流程安排(流动空间的选择)及流速确定
已知两流体允许压强降不大于100kPa；两流体分别为煤油和自来水。

与煤油相比，水的对流传热系数一般较大。

由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应使循环自来水走管程，而使煤油走壳程。

§第3章换热器的工艺计算
3.1基础物性数据
定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。

壳程流体（煤油）的定性温度为：T=140+40
2
=90(℃)
管程流体（水）的定性温度为： t=40+30
2
=35(℃)
在定性温度下，分别查取管程和壳程流体(冷却水和煤油)的有关物性数据，如下：
煤油在90 ℃下的有关物性数据如下:
密度ρ=825kg/m3
定压比热容C p=2.22KJ/(kg·℃）
热导率λ=0.14W/(m·℃)
粘度μc=7.15×10−4Pa·S
循环冷却水在35℃下的有关物性数据
密度ρi=994.3kg/m3
定压比热容c pi=4.174KJ/(kg·K)
热导率λi=0.624W/(m·K)
粘度μi=0.742×10−3Pa·S
为便于查看，可列表如下：
3.2换热器面积的估算
稳定传热，传热系数K值随温度变化不大时,总传热速率方程式如下
S O=
Q K O∆t m
式中 S
O
——换热管外表面积，m2；Q——传热速率（热负荷），W；
K O ——基于管外表面积的总传热系数，W/(m2·℃)；△t
m
——平均温度差，℃
3.2.1热负荷
煤油的质量流量：
q m=5.6×104
330×24
=7.07(t h⁄)=7070(kg h⁄)
热流量：
Q O=q m·c pO·∆t O=7070×2.22×(140−40)=1.57×106(KJ h⁄)=435.98(Kw)
3.2.2平均传热温度差计算
此处按照单壳程，多管程计算。

在逆流时：
∆t m′=∆t1−∆t2
ln
∆t1
∆t2
=
(140−40)−(40−30)
ln
100
10
=39(℃)
3.2.3总传热系数的假设
总传热系数可借鉴书籍中的参数或者生产中的实际数据，初步假定。

当基本条件（设备型式、雷诺准数、流体物性）相同时，传热系数K值可采用经验数据。

下表为常用换热器K
此处，设K O=330W(M2·℃)
⁄
3.2.4冷却水的用量
q m′=
Q O
c pi∆t2
=
1.57×106
4.08×(40−30)
=38480(kg h⁄)
综上，可初步估算换热器的面积
S′=
Q O
K O∆t m′
=122(m2)
可以取15%的面积裕度
S=S′×1.15=140.3(m2)
3.3换热器工艺结构尺寸的计算
3.3.1管内和管外流速计算
表3-1列管式换热器内的适宜流速范围
选用φ25×2.5的碳钢管，管内流速取u
i
=0.5m/s
3.3.2管程数和传热管数的计算
选定管径和管外流速后，可计算单程管数
n=
V π
4d i
2u
其中：V——管程流体的体积流量，m3/s；
d
i
——传热管内径，m；
u——管内流体流速，m/s。

n s=
V
π
4d i
2u i
=
38480
3600×994
0.785×(0.02)2×0.5
=68.49≈69(根）
按单管程计算，所需传热管长度为
L=
S
nπd
=
140.3
69×3.14×0.025
=25.9(m)
由上可知，如果按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管管长为：
L=9m
管程数
N p=L
V
=
25.9
9
≈4(管程)
即大约取4管程，管数为：
N=4n=4×69=276（根）
3.3.3平均传热温差校正及壳程数的校正
实际换热器内两流体为错流和折流时，平均温度差介于逆流和并流之间，即
∆t m=φ∆t·∆t m′
式中∆t m′——按纯逆流计算的对数平均温度差，℃；
φ∆t——温度差的校正系数。

校正系数φ∆t的大小与冷、热两流体的温度变化有关，也与换热器的管程数、壳程数有关，它是p和R两个因数的函数，计算p和R之后，可通过查图像获得φ∆t值，其中：
R=热流体温降
冷流体温升
=
T1−T2
t1−t2
P=
冷流体温升
两流体最初温差
=
t2−t1
T2−t1
R=140−40
40−30=10P=40−30
140−30
=0.091
此处为单壳程，四管程，查图可得：
φ∆t=0.86
则可得校正后的平均传热温差
∆t m=ε∆t·∆t m=0.86×39=33.54(℃)
由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程较合适。

3.3.4传热管排列和分程的选择
3.3.5壳程内径计算
采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，则多管程数的壳体内径可求，如下：
D=1.05t√N
η
=1.05×32×√
276
0.7
=667.18(mm)
经过圆整后，可取内径为 700mm 。

3.3.6折流板的选择
折流板间距
B=0.3D=0.3×700=210(mm)折流板数
N B=9000
210
−1≈41(块）
3.3.7其他附件的选择
接管：取接管内煤油流速u i=1.0m s⁄壳程进出口接管：
D1=√4q v
πu1
=√
7070
3600×825
3.14×1.0
=0.055(m)=55(mm)
管程进出口接管：取接管内循环水流速为u2=1.5m s⁄
D2=√4q v′
πu2
=√
38480
3600×990
3.14×1.5
0.096(m)=96(mm)
圆整为100mm
3.4换热器核算
3.4.1传热能力的核算
3.4.1.1壳程传热膜系数
壳程表面传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式：
αo=0.36λo
d e
Re o0.55Pr13⁄(
μo
μw
)
0.14
当量直径为正三角形排列时：
d e=4(√
3
2t
2−π
4d o
2)
πd o
=
4×(√
3
2×0.032
2−0.785×0.0252)
3.14×0.025
=0.02(m)
壳程流通截面积：
S o=BD(1−d o
t
)=0.21×0.7×(1−
0.025
0.032
)=0.032(m2)
壳程流体流速：
u o=q v
S o
7070
3600×825
0.032
=0.1(m s⁄)
雷诺数为：
Re=d o u oρ
μ
=
0.02×0.1×825
0.000715
=2308
普兰特数为：
Pr=C poμ
λ
=
2.22×103×715×10−6
0.14
=11.34
粘度校正(μ
μw )
0.14
≈1
α0=0.36×λo
d o
Re0.55Pr13⁄(
μo
μw
)
0.14
αo=0.36×0.14
0.02
×23080.55×11.3413⁄=401(W(m2·℃)
⁄)
3.4.1.2管内传热膜系数
管程对流传热系数
αi=0.023λi
d i
Re0.8Pr0.4
管程流通截面积
S i=BD(1−d i
t
)0.785×0.022×69=0.022(m2)
管程流体流速
u i=q v
s i
=
38480
3600×994
0.022
=0.49(m s⁄)
管程雷诺数
Re=d i u iρ
μ
=
0.02×0.49×994
0.000725
=13436
普兰特数
Pr=c piμ
λ
=
4.08×103×0.725×10−3
0.626
=4.73
αi=0.023×λi
d i
Re0.8Pr0.4=0.023×
0.626
0.02
×134360.8×4.730.4=2690W(m2·℃)
⁄
3.4.1.3污垢热阻和管壁热阻
污垢热阻分为关内热阻和管外热阻：
R si=0.000344m2·℃W
⁄
R so=0.000172m2·℃W
⁄
管壁热阻：碳钢在该条件下的热导率为：50W(m2·K)
⁄故可知
R w=0.0025
50
=0.00005(m2·K W
⁄)
3.4.1.4总传热系数
K=
1
d o
a i d i+R si
d o
d i+
bd o
λd i+R so+
1
αo
=
1
0.025
2690×0.02+0.000344×
0.025
0.02+
0.0025×0.025
45×0.0225+0.000172+
1
401
=276.46(W(m2·℃)
⁄)
3.4.1.5传热面积
S=
Q
K∆t m
=
1.57×106
276.46×33.54
=169.32(m2)
S p=πd o L(N−n c)=3.14×0.025×(9−0.06)×276=193.69(m2)面积裕度：
H=S p−S
S
×100%=
193.69−169.32
169.32
×100%=14.4%。