化工课程设计--煤油冷却器的设计
化工课程设计--煤油冷却器的设计
天津农学院
化工原理课程设计任务书
设计题目：煤油冷却器的设计
系别：食品科学系
专业：食品科学与工程
学生姓名: 夏雪
学号: 1009014206
指导教师: 王步江
起迄日期: 2012年5月28日—2012年6月12日
化工原理课程设计任务书
化工原理课程设计任务书
2．对课程设计成果的要求〔包括图表、实物等硬件要求〕：
试设计一台适宜的列管式换热器完成该生产任务。
设计计算列管式换热器的热负荷、传热面积、换热管、壳体、管板、封头、隔板及接管等。
编写课程设计说明书。
3．主要参考文献：
柴诚敬. 《化工原理课程设计》.天津大学出版社.
柴诚敬. 《化工原理》.高等教育出版社.
4．课程设计工作进度计划：
序号起迄日期工作内容
1 5.28-5.30 熟悉该设计的基本流程及查阅相关资料
2 5.31-6.
3 进行有关计算并核对结果
3 6.4-6.12 整理数据及结果
主指导教师日期：年月日
天津农学院
课程设计说明书
设计名称冷却器的设计
设计题目煤油冷却器的设计
设计时间 2012年5月28日
系别食品科学系
专业食品科学与工程
班级食科2班
姓名夏雪
指导教师王步江
2012 年 5 月 28 日
化工原理课程设计说明书
目录
1．设计方案 (5)
2．生产条件的确定 (5)
3. 换热器的设计计算 (5)
4．换热器的主要结构尺寸和计算结果 (11)
一．设计方案
选择适宜的列管式换热器并进行核算，绘制设备条件图（1号）一份，编制一份设计说明书（打印稿），其主要内容包括：
1、生产条件的确定
2、换热器的设计计算
3、设计结果列表
4、结束语
二．生产条件的确定
设计一列管式煤油换热器，完成年冷却 14206 t/a煤油的任务，具体要求如下：煤油进口温度146℃，出口温度34℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃；每年按330天计，24小时/天连续进行。
三．换热器的设计计算
（一）确定设计方案
1.选择换热器类型:
两流体温度变化情况：热流体进口温度146℃，出口温度34℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。由于该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差，故选用浮头式换热器。
2.流动空间及流速的确定:
实际生产中，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水
=0.8m/s。
走管程，煤油走壳程。选用φ25×2.5的碳钢管，管内流速设为u
i
（二）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： T=
14634
2
+ =90（℃） 管程流体的定性温度： t=
2
40
30+=35(℃) 根据定性温度，分别插取壳程和管程流体的有关物性数据。 煤油在90℃的有关物性数据如下：
密度 ρ0=825kg/m 3 定压比热容 C po =2.22kJ/(kg·℃) 导热系数 λo=0.140W/(m·℃) 粘度 υo=0.000715Pa·s 冷却水在32.5℃的有关物性数据如下：
密度 ρi =994.85kg/m 3 定压比热容 C pi =4.174kJ/(kg·℃) 导热系数 λi =0.622W/(m·℃) 粘度 υi =0.000763Pa·s
(三)计算总传热系数
1.热流量：
O o po o Q m C t ==14206 × 2.22 × 1000 ÷ 330 ÷ 24 × （ 146-34 ） =4.428×510
kJ/h=123.012kW
2.平均传热温差：
1212
(14634)(4030)
`=42.22C 146-34
40-30m t t t t In In
t ?-?---?=
=???
3．冷却水用量：
54.42810 10609(/)4.174(40-30)
o t pt i Q w kg h c t ?===??
4．总传热系数： （1)管程传热系数：
0.020.8994.85
Re 20861.9
0.000763
i i i
i
d u ρμ??=
=
=
0.80.40.80.4
20.062 4.1740.007630.023
()()0.023(20861.9)()=621.9/()0.0200.622
pi i i i i i i i i i c d u W m C d μλραμλ?==??
（2)壳程传热系数：
假设壳程的传热系数 20400/()W m C α=?? 污垢热阻 20.000344/si R m C W =?? 20.000172/so R m C W =?? 管壁的导热系数
211
1
0.0250.0250.00250.0251
0.0003440.000172621.90.0200.020450.022*******.29/()o o o si so i i i m o
K d d bd R R d d d W m C αλα=
++++=
?+?+++
??=??
(四)计算传热面积
2123012
`15.07()193.2942.22
m Q S m K t =
==??
考虑15%的面积裕度，S=1.15×S `=1.15×15.07=17.33（2m ）
（五）工艺结构尺寸
1.管径和管内流速：
选用φ25?2.5 传热管（碳钢），取管内流速0.8/i m s μ=
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:
2
210609/(3600994.85)
12()0.7850.020.84
s i V n d u ?=
=≈??根π
按单程管计算，所需的传热管长度:
17.33
18.4()
3.140.02512
o s S L m d n =
==??π
按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。取传热管长l =7m,则该换热器管程数为:
18.4
3()7
p L N l =
=≈管程
传热管总根数：N=3?12=36（根）
3．平均传热温差校正及壳程数: 平均传热温差校正系数
14634
11.2
4030
R -=
=- 4030
0.089
14634
P -=
=-
按单壳程，双管程结构，温差校正系数查下图表，以1/R 代替R ，PR 代替P
查表得温差矫正系数为：t ??=0.65
平均传热温差
`0.6542.2227.44()
m t m t t C ???=??=?=?
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， 则： 1.25o
t d =
1.252531.2532()
t mm =?=≈
横过管束中心线的管数：7.148()
c n ===≈根
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：
=1.05 1.05240.96()
D mm =?=
圆整可取 D=240mm
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：
0.2524060h mm
=?=
取折流板间：B = 0.3D ，则 B=0.3?
240=72mm
折流板数： 7
-11-1=960.072
B
L N
B =
=-=传热管长块
折流板间距
折流板圆缺水平装配。
7．接管：
壳程流体进出口接管：取接管内循环油品流速为u = 1.5m / s ，则接管内径为
066
.05
.114.3)
8253600/(1420644=???==
u V
d π 取标准管径为60mm 。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为u = 3.0m /s ，则接管内径为
0.035m ==
取标准管径为40mm 。
(六)换热器核算
1．热量核算：
（1)壳程对流传热系数：
对圆缺形折流板，可采取克恩公式：
0,55
1/3
0.14
0.36
Re
Pr ()o
o o o
e
w
d λμαμ=
当量直径，由正三角形排列得：
22223.14
)40.0320.025)24240.020()3.140.025
o e o d d m d -?-?=
==?ππ
壳程流通截面积：
320.025
(1)0.0720.24(1) 3.7810()0.032
o o d S BD m t -=-=??-=?
壳程流体流速及其雷诺数分别为：
s m S q u o o o /26.100378.0)8253600/(1420636000=?==
ρ
0.020 1.26825
Re 29077
0.000715
e o o
o o
d u ρμ??=
=
=
普兰特准数：
32.22100.000715Pr 11.340.140
??==
粘度校正：
0.14
(
)1w
μμ≈ 即：0.551/320.140
0.362907711.341614/()0.02
o
W m C α=?
??=??
（2)管程对流传热系数：
0.80.4
0.023
()()pi i i i i i i i i i
c d u d μλραμλ=
管程流通截面积：
236
0.7850.020.003768()3
i S m =??
=
管程流体流速及其雷诺数分别为：
10609/(3600994.85)
0.103/0.0287o u m s ?=
=
0.0200.103994.85
Re 2685.970.000763
o ??=
=
普兰特准数：
34.174100.000763Pr 5.12
0.622
??==
即：0.80.420.622
0.023
(2685.97)(5.12)761.16/()0.020
i
W m C α
==??
（3)传热系数K ：
21
1
1
0.0250.0250.00250.0251
0.0003440.000172761.160.0200.020450.020*******/()o o o si so i i i m o
K d d bd R R d d d W m C αλα=
++++=
?+?+++
??=??
（4)传热面积S ：
2123012
8.54()34142.22
m Q S m K t =
==??
该换热器的实际传热面积p
S ：
0p S d L =???2c π（N-n ）=3.140.025(6-0.06)(36-8)=13.06(m )
该换热器的面积裕度：
-13.068.54
100%100%53%8.54
p S S S -=
=H=
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
2．换热器内流体的流动阻力： （1）管程流动阻力：
1
2
()i
t
s
p
P P P F N N
?=?+?∑
1,4, 1.4
s p t N N F === 22
12,22
i
l u u P P d ρρλ??=?=
由Re = 2685.97，传热管相对粗糙度
0.01
20
=0.005，查莫狄图得0.035/()f W m C λ=??，流
速0.796/i u m s =，3994.85/kg m ρ=，所以
2
1 4.5994.850.7960.0372482()0.022P Pa ??=?
?= 2
2994.850.7963945.52()2
P Pa ??=?=
(2482945.52) 1.41418098.66()100i
P Pa kPa ?=+???=<∑
管程流动阻力在允许范围之内。
（2）壳程阻力：
1
2
(``)o
t
s
P P P F N
?=?+?∑
1, 1.15s t N F ==
流体流经管束的阻力：
2
1`(1)
2
o
o c B u P Ff n N ρ?=+
0.5F =
0.228527690.8o f -=?=
16c n =
23,0.12/B o N u m s ==
2
18250.12`0.50.823(231)
1311.6()2
P Pa ??=???+=
流体流过折流板缺口的阻力：
2
2u 2`(3.5)2
o
B B P N D ρ?=-
0.195,0.51B m D m ==
2
220.1958250.12`23(3.5)373.7()0.512
P Pa ???=?-?=
总阻力：2`
(1311.6373.7)1 1.151938.1()P Pa =+??=∑
壳程流动阻力也比较合适。
四．换热器的主要结构尺寸和计算结果见下表