煤油冷却器的设计汇总

化工原理课程设计

煤油冷却器的设计

生命科学学院

班级：应用化学131

姓名：邱俊杰

学号：2013034128

一、摘要

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。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，对换热器的要求也日益增强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。由于使用条件的不同，换热器可以有各种各样的形式和结构。在生产中，换热器有时是一个单独的设备，有时则是某一工艺设备的组成部分。

衡量一台换热器好的标准是传热效率高、流体阻力小、强度足够、结构合理、安全可靠、节省材料、成本低，制造、安装、检修方便、节省材料和空间、节省动力。

目录

一、概述 (1)

二、换热器设计计算 (2)

2.1确定设计方案 (2)

2.1.1选择换热器的类型 (2)

2.1.2流体流径的选择 (2)

2.2确定物性的参数 (3)

2.3估算传热面积 (3)

2.3.1热流量 (3)

2.3.2平均传热温差 (4)

2.3.3传热面积 (4)

2.3.4冷却水用量 (4)

2.4工艺结构尺寸 (4)

2.4.1管径和管内流速 (4)

2.4.2管程数和传热管数 (4)

2.4.3平均传热温差校正及壳程数 (5)

2.4.4传热管排列和分程方法 (5)

2.4.5壳体内径 (5)

2.4.6折流板 (6)

2.4.7接管 (6)

2.5换热器核算 (6)

2.5.1热流量核算 (6)

2.5.1.1壳程表面传热系数 (6)

2.5.1.2管内表面传热系数 (7)

2.5.1.3污垢热阻和管壁热阻 (8)

2.5.1.4计算传热系数K C (8)

2.5.1.5换热器的面积裕度 (9)

2.5.1.5换热器壁温核算 (9)

2.5.3换热器内流体的流动阻力 (10)

2.5.3.1管程流体阻力 (10)

2.5.3.2壳程阻力 (11)

2.5.4换热器主要结构尺寸和计算结果 (12)

三、设计自我评价 (13)

四、参考资料 (13)

五、主要符号说明 (14)

一、概述

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体,一种流体温度较高,放出热量;另一种流体则温度较低,吸收热量。

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。

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，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。

列管式换热器有以下几种：

1、固定管板式

固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。

2、U形管式

U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。

特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。

3、浮头式

换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。

二、换热器设计计算

2.1确定设计方案

2.1.1选择换热器的类型

本次设计为煤油冷却器的工艺设计，工艺要求：

煤油（热流体）的入口温度：140℃; 出口温度：40℃。

采用海水作为冷却剂降低热的没有温度，

冷却水的入口温度:25℃。选定冷却水的出口温度35℃。

根据间壁式换热器的分类与特性表，结合上述工艺要求，因为温差较大，故因选用浮头式换热器。

2.1.2流体流径的选择

根据流体流径选择的基本原则，海水易结垢，而浮头式换热器的壳程不易清洗，且海水的推荐流速大于煤油的推荐流速，故选择海水为管程流体，煤油为壳程流体。

2.2确定物性参数

定性温度：可取流体进口温度的平均值。

煤油的定性温度为：

902

40140=+=h T （℃）

海水的定性温度：

302

3525=+=c T (℃)

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

2.3、估算传热面积 2.

3.1热流量

)40140(22.243056-??=?=Φh ph h t C m

6

10558.9?= )(h kJ

2655= )(kw

2.3.2平均传热温差

平均传热温差为：m t ?=

)(3.4625

4035

140ln )

2540()35140(ln 2121K t t t t =-----=???-? 2.3.3传热面积

假设壳程传热系数：K=420 W/（m 2?℃）， 估算面积为：

36.513

.464201026553

=??=??Φ=m P t K A )(2m

2.3.4冷却水用量

245706)

2535(1089.31010558.9m 3

3

6c =-????=??=c PC h t C Q )/.3(68)/(s kg h kg = 2.4、工艺结构尺寸 2.4.1管径和管内流速

选用ф25×2.5较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速u i = 1.1m/s

2.4.2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

（根）1936.1921.102.0785.0)

3.10253600/(2457064

22≈=???==i

i s u d qv

n π 按单程管计算，所需的传热管长度为：

01.9193

025.014.3136.5

0=??==s p

n d A L π)(m

按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长为l=4.5m ，则该换热器的管程数为：

N P =L/l=9.01/4.5)(2管程≈

传热管总根数： N T =193×2=386（根）

2.4.3平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数： R=(140-40)/(35-25)=10 P=(35-25)/(140-25)=0.086

按单壳程，2管程结构，温差校正系数应查有关图表可得εΔt=0.96 平均传热温差

Δt m =εΔt Δt m =0.96×46.25=44.4（℃）

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，故取単壳程合适。

2.4.4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t=1.25d 0，则

t=1.25×25=31.25≈32(mm )

隔板中心到离其最近一排管中心距离： )(2262

32

62

mm t s =+=

+= 横过管束中心线的管数： n c =1.19N =1.19386=23(根）

2.4.5壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为

9.7867.0386

3205.105.1=?==ηN

t D )(m m

按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=800mm 。

2.4.6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

h ＝0.25×800=200（mm ），故可取h=200mm 折流板间距B=0.24D,则

B=0.24×800=192(mm), 可取B=200mm 折流板数 N B =

折流板间距

传热管长

-1=2004500-1=21 (块)

2.4.7 旁路挡

为防止壳程流体从旁路中泄露，需设置旁路挡板，查表可知应设置2对旁路挡板。

2.4.8 其他附件

本换热器传热管外径为25mm ，其拉杆直径为16mm ，共有6跟拉杆。

2.4.9接管

壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u ＝0.8m/s ，则接管内径为：

)(1528

.014.3)

8253600/(430564411mm u V D =???==π

圆整可取管内径为D 1 =160mm

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u ＝1.4 m/s ，则接管内径为

)(2464

.114.3)

3.10253600(245706

42mm D =???=

圆整可取管内径为2D =250mm 。

2.5换热器核算 2.5.1热流量核算 2.5.1.1壳程表面传热系数

可采用克恩公式：

14

.0031

55

.001

0Pr Re 36.0???

? ??=w e d h μμλ

当量直径，由正三角排列得：

de=

020.0025.014.3)2025.0785.02032.0(40

)

204223(

4=??-?=-d d t ππ

（m ）

壳程流通截面积：

035.0)032

.0025

.01(8.02.0)1(00=-??=-=t d BD S （m 2）

壳程流体流速及其雷诺数分别为：

u

0=414.0041

.0)

8253600(43065

=?（m/s ） Re 0=000715.0825

354.002.0??=9560 普朗特准数

Pr=34.11140

.010*******.26

3=???-； 粘度校正 114

.0≈???

? ??w η

η

h 0=3134.1155.0956002

.0140.036.0???

=875.4 W/(m 2·K) 2.5.1.2管内表面传热系数

4.08.0i Re 023

.0h Rr d i

λ

=

管程流体流通截面积：

S i =0.785×0.022×386/2=0.061（m 2） 管程流体流速及其雷诺数分别为：

u i =061

.0)3.10253600/(245706?=1.098（m/s ） Re i =

0008598

.03

.1025386.102.0??=26202

普朗特准数

Pr=67.559

.010598.81089.34

-3=???

i h =0.023×

4.08.067.5 2620202

.059.0??=4652W/ (m 2

·K) 2.5.1.3污垢热阻和管壁热阻

查有关文献知可取：

管外侧污垢热阻 R0=0.000172 m 2·K/W 管内侧污垢热阻 Ri=0.00009m 2·K/W

管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为λ=45 W/(m ·K)。

2.5.1.4计算传热系数

K = 0

1

1

αλα+

+++so i o i o si i i o R d bd d d R d d

=569 W/（m ·℃）

计算传热面积S:

A c =m

t K Q

?=5694.441026553

??=105（m 2）

该换热器的实际传热面积：

A =)(0

c n N

L d -π=3.14×0.025×(4.5-0.045)×(386-23)=127（m 2

）

2.5.1.5换热器的面积裕度

H=C

C A A A -×100%=105105127-×100%=20.9%

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

2.5.2.2 壁温核算：

因管壁很薄，且管壁热阻较小，则可按照相应公式计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为10℃，出口温度为35℃计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按照最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。

于是有：

t w =

h

c h

m c m h h h t h T /1/1//++

4

.8751

000172.0450225.0025.00025.0020.0025.000009.0020.04651025.01

=+

+??+?+?

海水平均温度：t m =0.4×35+0.6×10=20℃ 煤油平均温度：T m =

2

40

140+=90℃ h c =h i =5605W/ (m 2·K)

h h =h 0=802.34 W/(m2·K)

传热管平均壁温：

t==+

+4

.8751465114.875/204651/9031.1（℃）

壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=90℃ 壳体壁温和传热管壁温之差为：

=90-31.1=58.9℃

该温差较大，故选用浮头换热器较适宜。

2.5.3换热器内流体的流动阻力 2.5.

3.1管程流体阻力

计算公式如下：

ΣPi=（△P1+△P2）N S NpF t ; N S =1, N p =2，F S =1.5;

△P 1=2

2u d l

i i ρλ?

,△P r =22ρυε 由Re=33075，传热管相对粗糙度0.02/20=0.01，查莫狄图得i λ=0.042(W/ (m2·℃)，流速u=1.098m/s ，ρ=1025.3kg/m 3，所以

△P 1=）（pa 6.58402

098.13.102502.05.4042.02

=???

）

（pa 2.18542

098.13.1025322

2

r =??=?ρυεP

ΣP t =（5840.1+1854.2）×1.5×1×2=23082.9（Pa ）>10kpa

管程流体阻力不在允许范围之内，但是不能通过调节流速来降低，因为当海 水的流速不能过低，否则会产生很多的污垢。而且有不能通过提高管根数和管长来实现压降下降，这样会造成面积裕度无法达到要求。所以操作时只能牺牲能量损失来满足其他条件。

2.5.

3.2壳程阻力

ΣP 0=（△P 1+△P 2）F S N S F S =1.15 ―N S =1

△P 1=Ff 0N RC (N B +1) 2

2

u ρ;

F=0.5

f 0=5×26202-0.228=0.492

N TC =1.1N

0.5T

=1.1×3860.5=21.6

N B =21,u 0=0.43m/s

△P 0=0.5×0.492×21.6×（21+1）×825×0.432/2≈8916（Pa ） 流体流过折流板缺口的阻力

△P I =N B （3.5-2B/D ）2

2

0u

ρ,

B=0.2m; D=0.8m ；

故△P 2=21×（3.5-2×0.2/0.8）×825×0.432/2≈229（Pa ）， 则总阻力：△P s =8916+229=9145（Pa ）<10 KPa

故壳程流体的阻力适宜。

2.5.4换热器设计结果一览表：

换热器主要结构尺寸和计算结果表

三、设计自我评价

作为应化专业的学生，我深知《化工原理》是一门非常重要的专业基础课程，进行适当的设计训练对于加深我对课程的理解是非常重要和有意义的。通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。但是发现了自己在制图等绘制工业流程图上的空白。在设计过程中也遇到了许多难题，通过不断的尝试终于也克服了。再来就是学习到了很多除课本以外的知识，并且在设计过程中也充当了一下真正的设计者，考虑到了经济，环境等多方面因素。

四、参考文献

[1]谭天恩等《化工原理》

[2]天津大学化工原理教研室 《 化工原理 》

[3]《化工单元过程及设备课程设计》第二版，匡国柱、史启才主编，化学工业出版社。

[4]《化工原理》第三版，杨祖荣主编，化学工业出版社。

五、主要符号说明

A ——传热面积，2m ；

b ——管壁厚度，2m ；

p

c ——定压质量热容，()kJ/kg ?℃；

d ——换热管直径，m ；

D ——换热器壳径，m ； f ——范宁摩擦系数；

F ——校正系数；

h ——对流传热系数，()

2W/m ?℃；

k ——导热系数，

()

2W/m ?℃；

K ——总传热系数，

()

2W/m ?℃；

l ——长度，m ；

L ——换热管长度，m ；

n ——管数；

N ——程数；

p ——压力，Pa ；

P ——平均传热温差校正系数；

Q ——传热速率（热负荷），W ；

R ——平均传热温差校正系数；

S

R ——垢阻系数，2

m /W ?℃；

S ——流通面积，2m ； t ——管中心距，m ； t ——冷流体温度，℃；

t ?——温差，℃； T ——热流体温度，℃；

u ——流速，m /s ；

m ——质量流率，

kg /s ；

B ——折流挡板间距，m 。 希文

α——无相变对流传热系数，

()

2W/m ?℃；

?——差分算符；

ε——传热效率；

η——管板利用率；

λ——管壁导热系数； λ——摩擦系数；

μ——黏度，Pa s ?； ρ——密度，3kg /m ； ∑——求和算符；

?——校正系数。

无因次数群

p c Pr k

μ=

，普朗特数（Prandtl number ）； du Re ρ

μ

=

，雷诺数（Reynolds number ）

[键入文字]