化工原理课程设计---用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计

用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计：一、设计任务及条件（1）使煤油从140℃冷却到40℃，压力1bar；（2）冷却剂为水，水压力为3bar，处理量为10t/h。

二、设计内容（1）合理的参数选择和结构设计：传热面积；管程设计包括：总管数、程数、管程总体阻力校核；壳体直径；结构设计包括流体壁厚；主要进出口管径的确定包括：冷热流体的进出口管（2）传热计算和压降计算：设计计算和校核计算。

三、设计成果（1）设计说明书一份；（2）A4设计图纸包括：换热器的设备尺寸图。

目录第一章绪论 (1)1.1 概述 (1)1.2 换热器设计依据 (1)1.3 换热器选型 (1)1.3.1 固定管板式换热器 (2)1.3.2 浮头式换热器 (2)1.3.3 U型管式换热器 (2)1.3.4 填料函式换热器 (3)第二章确定设计方案 (4)2.1换热器类型的选型 (4)2.1.1 换热器内冷热流体通道的选择 (4)2.1.2 换热管的选择 (5)第三章确定物性参数 (6)第四章估算传热面积 (7)4.1 热流量 (7)4.2 平均传热温差 (7)4.3 冷却水用量 (7)4.4 总传热系数K (7)4.4.1管程传热系数 (7)4.5 传热面积 (8)第五章工艺结构尺寸 (9)5.1 管径和管内流速 (9)5.2 管程数和传热管数 (9)5.3 平均传热温差校正及壳程数 (9)5.4 传热管排列和分程方法 (10)5.5 壳体内径 (10)5.6 折流板 (10)5.7 接管 (10)第六章换热器核算 (12)6.1 热量核算 (12)6.1.1壳程对流传热系数 (12)6.1.2 管程对流给热系数 (13)6.1.3 传热系数K (13)6.2 换热器内流体的流动阻力 (14)6.2.1.管程流动阻力 (14)6.2.2.壳程流动阻力 (14)第七章结构设计 (16)7.1 壳体直径、长度、厚度设计 (16)7.2 换热器封头尺寸设计 (16)7.3 法兰及各连接材料的选择 (17)7.3.1选定法兰结构 (17)7.3.2选定垫片结构 (18)7.4 流体进、出口接管直径的计算 (18)7.5 开孔补强 (19)7.6 支座选用 (20)第八章汇总 (22)第一章绪论1.1 概述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，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。

在换热器设计中首先应该根据工艺要求选择适合的类型，然后计算换热器所需传热面积，并确定换热管的结构尺寸。

1.2 换热器设计依据1）《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》JB/T4714-052）《固定管板式换热器型式与基本参数》JB/T4715-053）《管式换热器用金属包垫片》JB/T4718-054）《管式换热器用缠绕垫片》JB/T4719-055）《管式换热器用非金属包垫片》JB/T4720-056）《化工设计手册》华东理工大学出版社1.3 换热器选型在化工生产中，经常要求在各种不同的条件下进行热交换，因此对各种换热器的要求必然是多种多样的。

而每种类型的换热器都有其优缺点，选择时考虑的因素很多，例如材料、压强、温度、温度差、压强降、流动状态、传热效果、结垢腐蚀情况、检修和操作等。

1.3.1 固定管板式换热器这类换热器操作简单、便宜。

最大的缺点是管外侧清洗困难，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。

当壳壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50℃以上时，换热器应有温差补偿装置，图为具有温差补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器。

1.3.2 浮头式换热器用法兰把管束一侧的管板固定到壳体的一端，另一侧的管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩。

这种形式的优点是当前两侧传热介质温差较大时，不会因膨胀产生温差压力，且管束可以自由拉出，便于清洗。

缺点是结构复杂，造价高。

1.3.3 U型管式换热器此类换热器只有一个管板，管程至少为两程。

由于管束可以取出，管外侧清洗方便，另外，管子可以自由膨胀。

缺点是U型管的更换及管内清洗困难。

考虑到换热器管壁与壳壁温差不超过50 ℃，而且应用广泛，操作简单、方便。

用水冷却氨气不易结垢，所以选择带有补偿圈的固定管板式换热器。

1.3.4 填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。

其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。

管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。

填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。

其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。

本次设计任务为列管式换热器工艺设计，用冷水冷却煤油。

煤油作为热流体，其入口温度为140°C，出口温度为40°C；水作为冷流体，入口温度为25°C,出口温度为35°C。

该换热器采用循环冷却水冷却，考虑到冬季操作时进口温度会降低，估计该换热器的关闭温和壳体壁温之差较大，所以初步确定选用浮头式换热器。

第二章确定设计方案2.1换热器类型的选型本设计任务是利用冷流体（水）给煤油降温。

利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。

选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洗，复合实际需要等原则。

不同的换热器适用于不同的场合。

换热器的选择涉及的因素很多，如换热流体的腐蚀性及其他特性，操作温度与压力，换热器的热负荷，管程与壳程的温差，检修与清洗要求等。

而列管式换热器在生产中被广泛利用。

它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。

尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。

所以首选间壁式换热器中的列管式换热器作为设计基础。

2.1.1 换热器内冷热流体通道的选择冷、热流体流动通道的选择的一般原则：(1)不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。

(2)腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。

(3)压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。

(4)饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。

(5)流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re>100即可达到湍流。

但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。

(6)若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。

需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。

由于循环冷却水容易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。

2.1.2 换热管的选择选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。

大管径的管子用于粘性较大或易结垢的流体。

我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径×壁厚，常用的换热管的规格：φ19×2，φ25×2.5，φ38×3。

在此项目设计中选择换热管的规格为φ25×2.5碳钢管，管内流速取=0.5m/sui第三章确定物性参数定性温度：可去流体进口温度的平均值。

壳程油的定性温度为T=240140+=90(°C)管程冷却水的定性温度为t=23525+=30(°C)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

（注：水的物性参数在《化工原理上册》课本上找的，煤油的物性参数在网上找的，由于网上参数甚多，有些参数会有偏差。

）油在90°C下的有关物性数据如下：密度ρ=825 ㎏/ m3定压比热容cp=2.22 kJ/（kg.k）导热系数λ=0.140 （W/m.k）粘度η=0.000715（Pa.s）循环冷却水在30°C下的有关物性数据如下：密度ρi=995.7 ㎏/ m3定压比热容cpi=4.174kJ/（kg.k）导热系数iλ=0.618 （W/m.k）粘度ηi=0.000801（Pa.s）第四章 估算传热面积4.1 热流量Q 0=1m t c po c ∆=10000 x 2.22 x (140-40)=2.2 x106(kJ/h)=616.7（kW ） 4.2 平均传热温差m t /∆=2121ln t t t t ∆∆∆-∆=253540140ln )2535()40140(-----=39(°C) 4.3 冷却水用量 )/(53186)2535(174.41022.2620i h kg t C Q pi =-⨯⨯=∆=ω4.4 总传热系数K4.4.1管程传热系数 12431000801.07.9955.002.0Re =⨯⨯==i ii i u d ηρ故采用下式计算i h ： C W/m 7.2633618.0000801.010147.4000801.07.9955.0020.0020.0618.0023.0023.0h 24.038.04.08.0︒⋅=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=i i p ii i i i i i c u d d ληηρλ4.4.2壳程传热系数假设壳程的传热系数2900=αW/（m .2°C ） 污垢热阻C/W m 000172.0C/W m 000344.022︒⋅=︒⋅=so si R R 管壁的导热系数C W/m ︒⋅=45λ2901000172.00225.045025.00025.0020.0025.0000344.0020.02731025.0111++⨯⨯++⨯=++++=oso m o i o si i i o R d bd d d R d d K αλα003448.0000172.0000062.000043.0000457.01++++==219.5C W/m 2︒⋅4.5 传热面积()23''m 0.72395.219107.616t =⨯⨯=∆=m K Q S 考虑15%的面积裕度，)m (8.820.7215.115.12=⨯='=S S第五章 工艺结构尺寸5.1 管径和管内流速选用5.225⨯Φ的碳钢换热管，管内流速m/s 5.0=i u5.2 管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数ρmv q =q955.945.002.0785.0)36007.995/(4.531864q 22≈=⨯⨯==x u d n ii vs π（根） 按单管程计算所需换热管的长度m 1.11025.014.3958.82=⨯⨯==o s d n S L π 按单管程设计，传热管过长，现取传热管长m 6=l ，则该换热器的管程数为261.11≈==l L N p （管程） 传热管的总根数（根）190295=⨯=N 取标准传热管根数为220根5.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数10253540140087.025140253512211112=--=--==--=--=t t T T R t T t t P按单壳程双管程结构，查单壳程R P --φ图(化工原理书p229)，因087.010==P R ，在图上难以读取，因而相应以R /1代替R ，PR 代替P ，查同一图线得82.0=φ 平均传热温差C323982.0︒=⨯=∆m t5.4 传热管排列和分程方法采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。