煤油冷却器的设计_换热器毕业设计

毕业答辩情况表摘要这篇论文主要介绍的是换热器机械计算等相关的设计过程。

本文引用这三年学过的书本知识及相关的技术标准，对换热器的结构、强度进行了系统的阐述。

换热器是目前许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。

其中，换热器是目前应用较为广泛的换热设备。

优点：结构简单，制造方便，在相同管束情况下其壳体内径最小，管程分程较方便。

缺点：壳程无法进行机械清洗，壳程检查困难，壳体与管子之间无温差补偿元件时会产生较大的温差应力，即温差较大时需采用膨胀节或波纹管等补偿元件以减小温差应力。

我设计的换热器内部以换热管和折流板做为基本构件，冷介质、余热介质分别在管程与壳程之间流动，以达到降温或升温的效果。

换热器由筒体、管箱、封头、支座、换热管、折流板、管板及接管、法兰等组成。

通过强度计算合理选择材料，确保安全运行，提高设备的生产效率，降低设备的制造成本，实现化工单元操作的最佳化。

关键词: 换热器管箱壳体管板封头1 毕业设计任务书1.1 题目煤油冷却器的设计1.2 任务及操作条件1.2.1 处理能力：10万吨/年煤油1.2.2 设备形式：列管式换热器1.2.3 操作条件(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℃(3).允许压强降：不大于100kPa(4).煤油定性温度下的物性数据：密度825kg/m3，黏度7.15×10-4Pa.s，比热容2.22kJ/(kg.℃)，导热系数0.14W/(m.℃)(5).每年按330天计，每天24小时连续运行1.3 列管式换热器的选择与核算1.3.1 传热计算1.3.2 管、壳程流体阻力计算1.3.3 管板厚度计算1.3.4 U形膨胀节计算（浮头式换热器除外）1.3.5 管束振动1.3.6 管壳式换热器零部件结构2 概述2.1 换热器概述换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。

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。

因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。

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2-1所示。

表2-1 传热器的结构分类2.2 固定管板式因设计需要，下面简单介绍一下固定管板式换热器。

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。

图2-1 固定管板式换热器的示意图1-挡板2-补偿圈3-放气嘴2.3设计背景及设计要求2.3.1 设计背景在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛地使用各种换热器，且他们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。

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的35%-40%。

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。

随着换热器在工业生产中地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器自然有各自不同的优缺点与性能；所以在换热器的设计中，首先应根据工艺要求选择使用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。

2.3.2 设计要求完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求：（1）合理地实现所规定的工艺条件：可以从：①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面等三个方面具体着手。

（2）安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我国《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。

（3）有利于安装操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。

设备与部件应便于运输与拆卸，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。

（4）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定时间内（通常1年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。

在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。

3 热量设计3.1 初选换热器的类型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。

3.2 管程安排(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。

表3-2.列管式换热器内的适宜流速范围表3-3.不同粘度液体的流速（以普通钢壁为例）由上表，我们初步选用Φ25×2.5的碳钢管，管内流速取u i=0.5m/s。

3.3 确定物性数据定性温度：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=240140+ =90℃ 管程流体（水）的定性温度为：t=3523040=+℃。

在定性温度下，分别查取管程和壳程流体(冷却水和煤油)的物性参数，见下表：3.4 计算总传热系数3.4.1 煤油的流量已知要求处理能力为15万吨煤油每年（每年按330天计，每天24小时连续运行），则煤油的流量为：W h =100000t/（330×24）=12626kg/h W h ——热流体的流量，kg/h ；3.4.2 热流量由以上的计算结果以及题目已知，代入下面的式子，有：Q=)(21T T c W ph h -=12626kg/h×2.22kJ/ kg•℃×(140-40) ℃=778603W3.4.3 平均传热温差计算两流体的平均传热温差 暂时按单壳程、多管程计算。

逆流时，我们有煤油：140℃→40℃ 水： 40℃←30℃从而，'m t ∆==----3040ln)3040()40140(39.1℃而此时，我们有：09.03014030401112=--=--=t T t t P 103040401401221=--=--=t t T T R 式中 T 1，T 2——热流体（煤油）的进出口温度，K 或℃；t 1，t 2——冷流体（自来水）的进出口温度，K 或℃；由图4-19（参见天津大学出版社的《化工原理（上册修订版）》233页）可查得：t ∆ψ=0.82﹥0.8，所以，修正后的传热温度差为：m t ∆= 'm t ∆t ∆ψ=39.1×0.82=32℃ 3.4.4 冷却水用量由以上的计算结果以及已知条件，很容易算得：Wc=)(12t t C Q pc -=)3040(41802802972-=67056.7 kg/h3.4.5 总传热系数K总传热系数的经验值见表3-4，有关手册中也列有其他情况下的总传热系数经验值，可供设计时参考。

选择时，除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。

表3-4 总传热系数的选择（1）.管程传热系数：136********.09945.002.0Re =⨯⨯==iii i i u d μρ84.4626.0000725.04180Pr =⨯==iip i u c λ4.08.0)()(02.0ii p i i i i i i u c u d d a iλμρλ=4.08.04.08.084.41367002.0626.0023.0Pr Re 02.0⨯⨯==iid λ=2753 W/m 2•℃（2）.壳程传热系数：假设壳程的传热系数是： o α=500 W/m 2•℃ 污垢热阻： R si =0.000344m 2℃/WR so =0.000172 m 2℃/W管壁的导热系数： λ=45 m 2℃/W 管壁厚度： b=0.0025 内外平均厚度： dm=0.0225 在下面的公式中，代入以上数据，可得oso i o i o si i i o R d d R d K αλα11++++==1÷0.00312 =320W/m 2•℃3.5计算传热面积由以上的计算数据，代入下面的公式，计算传热面积：20.7632320778603'm K Q S tm =⨯=∆=考虑15%的面积裕度，则：287'15.1m S S ==4 机械结构设计4.1 管径和管内流速换热器中最常用的管径有φ19mm×2mm 和φ25mm×2.5mm 。

小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。

所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用φ19mm×2mm 直径的管子更为合理。

如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子。

标准管子的长度常用的有1500mm ，2000mm ，3000mm ，6000mm 等。

当选用其他尺寸的管长时，应根据管长的规格，合理裁用，避免材料的浪费。

选用φ25×2.5的碳钢管，管长6m ，管内流速取u i =0.5m/s 。

4.2 管程数和传热管数根据传热管的内径和流速，可以确定单程传热系数：)(1204.1195.002.0785.0)9943600/(7.67056422根≈=⨯⨯⨯==ii s u d Vn π 按单程计算，所需传热管的长度是：m n d S L s o 4.11120025.014.3107=⨯⨯==π 若按单程管计算，传热管过长，宜采用多管程结构，可见取传热管长l=6m ，则该传热管程数为：（管程）224.11≈==l L N p则传热管的总根数为：N=N p ×n s =2×120=240（根）4.3 平均传热温差校正及壳程数由前面的计算已求得，按单壳程、多管程计算，逆流时：'m t ∆==----3040ln)3040()40140(39.1℃而此时，我们有：P=09.03014030401112=--=--t T t t R=103040401401221=--=--t t T T 由（参见天津大学出版社的《化工原理（上册修订版）》233页）可查得：t ∆ψ=0.82﹥0.8，所以，修正后的传热温度差为：m t ∆= 'm t ∆t ∆ψ=39.1×0.82=32℃于是，校正后的平均传热温差是32℃，壳程数为单程，管程数为2。