2020年管式换热器(煤油冷却器)的设计参照模板可编辑

课程设计课程名称化工原理课程设计
题目名称煤油冷却器的设计
专业班级09级生物工程（2）班
学生姓名
学号
指导教师孙兰萍
二O一一年十二月二十日
1 设计任务书
1.1 设计题目
煤油冷却器的设计
1.2 设计任务及操作条件
（1）处理能力: M ⨯104 t/Y 煤油
（2）设备型式: 列管式换热器
（3）操作条件
①煤油：入口温度140℃，出口温度40℃。

②冷却介质：循环水，入口温度30℃，出口温度40℃。

③允许压降：不大于105 Pa 。

④煤油定性温度下的物性数据：
3/825m kg C =ρ；
s Pa C ⋅⨯=-41015.7μ；
pC c ＝2.22kJ/(kg.℃)；
C λ＝0.14 W/(m.℃)
⑤每年按330天计，每天24小时连续运行。

（4）建厂地址 天津地区
1.3 设计要求
试设计一台适宜的列管式换热器完成该生产任务。

1.4 工作计划
1、领取设计任务书，查阅相关资料（1天）；
2、确定设计方案，进行相关的设计计算（2天）；
3、校核验算，获取最终的设计结果（1天）；
4、编写课程设计说明书（论文），绘制草图等（1天）。

1.5 设计成果要求
1、通过查阅资料、设计计算等最终提供课程设计说明书（论文）电子稿及打印稿1份，并附简单的设备草图。

2、课程设计结束时，将按以下顺序装订的设计成果材料装订后交给指导教师：
（1）封面（具体格式见附件1）
（2）目录
（3）课程设计任务书
（4）课程设计说明书（论文）（具体格式见附件2）
（5）参考文献
（6）课程设计图纸（程序）
1.6 几点说明
1、本设计任务适用班级：09生物工程（本）2班（其中：学号1-15号，M=15；学号16-30号，M=25；学号31-46号，M=40）；
2、课程设计说明书（论文）格式也可参阅《蚌埠学院本科生毕业设计（论文）成果撰写规范》中的相关内容。

指导教师：教研室主任：系主任：
2 确定设计方案
2.1 选择换热器的类型
两流体的温度变化情况：热流体即煤油的进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体即循环水进口温度30℃，出口温度40℃。

该换热器用循环冷却水冷却，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，因此初步确定选用列管式换热器。

2.2 流动空间及流速的确定
在管内空间得到较高的流速并不困难，而流速高，悬浮物不易沉积，且管内空间也便于清洗。

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，油品走壳程。

选用 Ф25×2.5的碳钢管，管内流速取u i =1.5m/s 。

3 确定物性数据
定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取进出口温度平均值。

故壳程油的定性温度为
)(902
40140C T ︒=+=
管程流体的定性温度为 ()C t ︒=+=352
4030 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

油在90℃下的有关物性数据如下：
密度 3/825m kg c
=ρ 粘度 s Pa c
•⨯=-41015.7μ 定压比热容 )/(22.2C kg kJ C pc ︒•=
导热系数 )/(14.0C m W c ︒•=λ
循环冷却水再35℃下的物性数据如下：
密度 3/994m
kg i =ρ 定压比热容 )/(08.4C kg kJ C pi ︒•=
导热系数 )/(626.0C m W i ︒•=λ
粘度 s Pa i •=000725.0μ
4 计算总传热系数
4.1 热流量
h kg Y t /05.50505/10404=⨯
)(1.3111/1012.1)
40140(22.205.505057kW h kJ t c m Q c pc c =⨯=-⨯⨯=∆=
4.2 平均传热温差
先按纯逆流计算（一般逆流优于并流，在工程上若无特殊需要，均按逆流考虑）
()C t t t t t m ︒=-----=∆∆∆-∆=∆3930
4040140ln )3040()40140(ln '2121
4.3 冷却用水量
)/(274509)
3040(08.411200000h kg t C Q i pi C i =-⨯=∆=ω
5 估算传热面积
由于壳程气体压力较高，故选取较大的K 值。

假设K 估=315W/(m 2.K)，则估算的传热面
积为：
)(2.253
3931510001.31112'
m t K Q S m =⨯⨯=∆= 考虑到25%的面积裕度，
)(8.3032.25320.1')20.01(2
m S S =⨯=⨯+=
6 工艺结构尺寸
6.1 管径和管内流速
选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速s m u i /5.1=。

我国国标换热器中常见的换热管规格有 以及 流速的选择应使流体处于稳定的湍流状态，即雷诺数大于10000。

对于传热热阻较大的流体或易结垢的流体选取较大流速，以利于增加表面传热系数，降低结垢程度与速度。

并要考虑合适的流速下，换热器有适当的管长和管程数。

mm
mm 219⨯φmm mm 5.225⨯φ
6.2 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
)(1639.1625.102.0785.0)3600994(2745094
22根≈=⨯⨯⨯==u d V
n i s π按单程管计算，所需的传热管长度为 )(7.23163
025.014.38.303m n d S L s c =⨯⨯==π
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，采用非标准设计，现取传热管长l=7m ，则该换热器的管程数为
)(37
7.23管程≈==l L N p 传热管总根数
)(4893163根=⨯=N
6.3 平均传热温差校正及壳程数
平局传热温差校正系数
091.030
14030401030
4040140=--==--=P R 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关突图表。

但10=R 的点在图上难以读出，因而相应以R 1代替R ，P PR 代替，查同一图线，可得82.0=∆t ϕ
平均传热温差
)(323982.0'C t t m t m ︒=⨯=∆=∆∆ϕ
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，故取单壳程合适。

6.4 传热管排列和分程方法
对于多管程换热器，常采用组合排列方式。

各程内采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方法。

故拟采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧用正方形排列
取管心距c d t 25.1=，则 )(3225.312525.1mm t ≈=⨯=
横过管束中心线的管数
)(2748919.119.1根≈==N n c
）（mm 2262
=+=t s
各程相邻管的管心距为44mm 。

6.5 壳体内径
采用多管程结构，壳体内径可由下式估算。

取管板利用率7.0=η。

（正三角形排列，2管程，η=0.7-0.85，4管程以上，η=0.6-0.8），则壳体内径为：
)(1.8887.04893205.105.1mm N t D =⨯==η
按卷制壳体的进级档，圆整可取
mm D 900=。

6.6 折流板
（作用说明：列管式换热器壳程流体流通面积比管程流通截面积大，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需设置折流板。

对于多壳程换热器不仅需要设置横向折流板，而且需要设置纵向折流板将换热器分为多壳程结构。

对于多壳程换热器，设置纵向折流板的目的不仅在于提高壳程流体的流速，而且是为了实现多壳程结构，减少多壳程结构造成的温度损失。

）
采用弓形折流板，可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 ：
mm h mm h 230),(22590025.0==⨯=故可取
取折流板间距 D B 3.0=,则)(2709003.0mm B =⨯=，可取B 为 mm 300
折流板数
并且折流板圆缺面水平装配。

6.7 接管
壳程流体进出口接管：取接管内气体流速s m u /0.21=，则接管内径为
)(104.00
.214.3)8253600(05.505054411m u V D =⨯⨯⨯==π
取标准管径为 mm 100。

管程流体进出口接管：取接管内液体流速s m u /0.32=，则接管内径为：
)(180.03
14.3)9943600(2745094422m u V D =⨯⨯⨯==π ，取标准管径为mm 180。

7 换热器核算
7.1 热流量核算
7.1.1 壳程对流传热系数
对圆缺型折流板，可采用克恩公式 14.03155.0)(Pr Re 36.0w
o c e c
c d μμλα= （适用条件：Re 0=2×(103-106)，弓形折流板圆缺高度为直径的25%。

） 换热管呈三角形排列时，当量直径为：
)(020.0025
.014.3)025.0785.0032.023(4)423(4222m d d d c e c =⨯⨯-⨯=-=ππ
壳程流体流通截面积：
)(05906.0)032
.0025.01(3.09.0)1(2m t d BD S c c =-⨯=-=壳程流体流速及其雷诺数分别为：
664610
15.7825288.0020.0R )
/(288.005906.0)
8253600/(05.5050536004
e =⨯⨯⨯===⨯==-c c c e c c c c c u d s m S q u μρρ
普兰特准数：
34
.11140
.010
15.71022.24
3=⨯⨯⨯==
-c
c
pc r C P λμ 粘度校正：
1)(14
.0≈w
μμ )
/(71134.11664602
.0140.036.02
3
155
.0C m W c ︒⋅=⨯⨯⨯=α
7.1.2 管程对流传热系数
4.08.0Pr Re 023.0i
i
i
d λα=
管程流体流通截面积：
)(0768.02
48902.0785.02
2
m S i =⨯⨯=
管程流体流速：
)/(999.00768
.0)9943600/(274509s m u i
=⨯=
2739310
725.0994999.002.0Re 3=⨯⨯⨯=- 普兰特准数：
73.4626
.010725.01008.4Pr 3
3=⨯⨯⨯=-
)
/(475773.42739302
.0626
.0023.02
4
.08.0C m W i ︒•=⨯⨯⨯=α
7.1.3 污垢热阻和管壁热阻：
管外侧污垢热阻W C m R si
/00034.02
︒⋅=
管内侧污垢热阻W C m R sc
/000172.02︒⋅= 依表，碳钢在该条件下的热导率为50W/(m ·K),
管壁热阻：
)/(00005.050
0025.02W C m b
R w w ︒•===λ
7.1.4 传热系数 c
K
所以系数
c
K
)
/(4417111
000172.0020.050025.000005.0020.0025.0000344.0020.04757025.01
11
2C m W R d d R d d R d d K c sc i c w i c si i i c c ︒•=+
+⨯⨯+⨯+⨯=
++++=
αλα
7.1.4 传热面积 S
)(0.21932
44210001.31112
m S =⨯⨯=
该换热器的实际传热面积为：
)
(9.253)27489(7025.014.3)(2m n N l d S c c p =-⨯⨯⨯=-=π
该换热器的面积裕度为：
%16%100219
219254%100≈⨯-=⨯-=S S S H p
为了保证换热器操作的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于15%-20%。

本换热器传热面积裕度16%，满足生产要求，故能够完成生产任务。

7.2 换热器内流体的流动阻力
7.2.1 管程流动阻力
2
,25.1,2,1)(2
2212
1
u P u d l P F N N N
N F P P P i t p s p
s
t i
ρζ
ρλ=∆=∆===∆+∆=∆∑
由,27393Re
=传热管相对粗糙度，查莫狄图得
C m W i ︒•=/037.0λ，流速s m u i /999.0=，
3
/994m kg =ρ，所以
005.020
01
.0=
)(3.64232
994
999.002.07037.021Pa P =⨯⨯⨯=∆
)(1.14882
999.0994322
22Pa u P =⨯⨯==∆ρζ
Pa
Pa P
i
5
10)(2.237342
5.1)1.14883.6423(<=⨯⨯+=∆∑
故管程流体阻力在允许范围之内。

7.2.2 壳程阻力
1
,1)(21==∆+∆=∆∑t S S
t o
F N N F P P P
流体流经管束的阻力为：
)
(43572
228.0825)123(276271.05.0228
.0,2327
6721.0664655.02
)1(2'1
228.02
'
1
Pa P u N n f F u
N n Ff P C B c o C
B c o =⨯⨯
+⨯⨯⨯=∆====⨯==+=∆-管子成正三角形，故ρ
流体流过折流板缺口的阻力：
,2
)25.3(2'2C B u D B
N P ρ-=∆
)(13972
228
.0825)9.03.025.3(239.0,3.02
'
2Pa P m
D m B =⨯⨯⨯-⨯=∆== 总阻
力为：
Pa Pa P
C
5
10)(575413974357<=+=∆∑
壳程流体的阻力也比较适宜。

7.2.3 换热器的主要结构尺寸和计算结果见表
换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：。