煤油冷却器的设计.docx
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煤油冷却器的设计
南京工业大学
《材料工程道理B》课程设计
设计标题：
石油冷却器的设计
专业：
高分子材料科学与工程
班级：
高材0801
学号：
1102080104
姓名：
夏亚云
指点教师：
周勇敏
日期：
2010/12/30
设计成绩：
目次
一.义务书……………………………………………………………………………………………………-3-
1.1.设计标题
1.2.设计义务及操纵前提
1.3.设计请求
二.设计计划简介……………………………………………………………………………………….-3-
概述
2.2列管式换热器
三.热量设计…………………………………………………………………………………………………-5-
3.1.初选换热器的类型
3.2.管程安插（流淌空间的选择）及流速肯定
四.工艺构造设计…………………………………………………………………………………………..-8-
五.换热器核算………………………………………………………………………………………….-13-
六.帮助装备的盘算和选择……………………………………………………………………………17
七.设计成果表汇…………………………………………………………………………………….……-20-
八.参考文献..………………………………………………………………………………….…..………-20-
九.心得领会………………………………………………………………………………….……………21
附图：
（主体装备设计图,工艺流程简图）
§一．化工道理课程设计义务书
石油冷却换热器设计
×104t/y
2.装备型式列管式换热器
3.操纵前提
（1）石油：
进口温度140℃,出口温度40℃
（2）冷却介质：
工业硬水,进口温度20℃,出口温度40℃
（3）油侧与水侧许可压强降：
不大于105Pa
（4）每年按330天计,天天24小时持续运行
（5）石油定性温度下的物性参数：
名称
（kg/m3）
Cp（kJ/㎏.℃）
）
（W/m.℃）
油
825
×10-4
选择适合的列管式换热器并进行核算
（见A4纸另附）
§二．设计计划简介
换热器是化工,炼油工业中广泛应用的典范的工艺装备.在化工场,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%.换热器在其他部分,如动力.原子能.冶金.食物.交通.环保.家电等也有着广泛的应用.是以,设计和选择得到应用.高效的换热器对降低装备的造价和操纵费器具有十分重要的意义.
在不合温度的流体间传递热能的装配称为热交流器,即简称换热器,是将热流体的部分热量传递给冷流体的装备.
换热器的类型按传热方法的不合可分为：
混杂式.蓄热式和间壁式.个中央壁式换热器应用最广泛.
因设计须要,下面简略介绍下列管式换热器
列管式换热器又称管壳式换热器,在化工临盆中被广泛应用.它的构造简略.牢固.制作较轻易,处理才能大,顺应机能,操纵弹性较大,尤其在高温.高压和大型装配中应用更为广泛.
固定管板式即两头管板和壳体贯穿连接成一体,是以它具有构造简略造价低廉的长处.但是因为壳程不轻易检修和清洗,是以壳方流体应是较为干净且不轻易结垢的物料.当两流体的温度差较大时,应斟酌热抵偿.有具有抵偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器,即在外壳的恰当部位焊上一个抵偿圈,当外壳和牵制的热膨胀程度不合时,抵偿圈产生弹性形变,以顺应外壳和牵制的不合的热膨胀程度.这种热抵偿办法轻便,但不宜用于两流体温度差太大和壳方流体压强过高的场合.
1-挡板2-抵偿圈3-放气嘴
这种换热器有一段管板不与壳体相连,可沿轴向自由伸缩.这种构造不单可完整清除热应力,并且在清洗和检修时,全部牵制可以从壳体中抽出.是以,尽管其架构较庞杂,造价较高,但应用仍较广泛.
每根管子都弯成U形,两头固定在统一个管板上,是以,每根管子皆可自由伸缩,从而解决热抵偿问题.这种构造较简略,质量轻,实用于高温高压前提.其缺陷是管内不轻易清洗,并且因为管子要有必定的曲折半径,其管板应用率较低.
依据义务书给定的冷热流体的温度,来选择设计列管式换热器的固定管板式换热器;再依据冷热流体的性质,断定其是否轻易结垢,来选择管程走什么,壳程走什么.本设计中选择使轮回工业硬水走管程,石油走壳程.从资估中查得冷热流体的物性数据,如比热容,密度,粘度,导热系数等.盘算出总传热系数,再盘算传热面积.依据管径,管内流速肯定传热管数,算出传热管程,传热管总根数等.然后校订传热温差及壳程数,肯定传热管分列方法和分程办法.依据设计步调,盘算出壳体内径,选择折流板,肯定板间距,折流板数等;接着再对调热器的热量,官称对传播热系数,传热系数,传热面积进行核算,再算出面积裕度,最后,对流体的流淌阻力进行盘算.
2.4工艺流程简图（见附图）
§三．工艺盘算和主体装备设计
3.1初选换热器类型
两流体的温度变更情形如下：
（1）石油：
进口温度140℃,出口温度40℃;
（2）冷却介质：
自来水,进口温度30℃,出口温度40℃;
该换热器用轮回冷却自来水进行冷却,冬季操纵时,其进口温度会降低,考略到这一身分,估量所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大,需斟酌热膨胀的影响,响应地进行热膨胀的抵偿,故而初步肯定选用带有膨胀节的管板式换热器.
3.2管程安插及流速肯定
已知两流体许可压强降不大于100kPa;两流体分离为石油和自来水.与石油比拟,水的对传播热系数一般较大.因为轮回冷却水较易结垢,若其流速太低,将会加速污垢增长速度,使换热器的热流量降低,斟酌到散热降温方面的身分,应使轮回自来水走管程,而使石油走壳程.选用Φ25×2.5的碳钢管,管内流速取ui=0.5m/s.
表3-2.列管式换热器内的合适流速规模
流体种类
流速/（m/s）
管程
壳程
一般液体
0.5~3
易结垢液体
>1
气体
5~30
3~15
表3-3.不合粘度液体的流速（以通俗钢壁为例）
液体粘度/mPa．s
＞1500
1500～500
500～100
100～35
35～1
＜1
最大流速/（m/s）
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（石油）的定性温度为：
管程流体（硬水）的定性温度为：
依据定性温度,分离查取壳程和管程流体的有关物性数据.
密度/（㎏/m3）
比热容/（kJ/kg•℃）
粘度/（Pa•s）
导热系数/（W/m•℃）
石油
825
×10-4
水（30℃）
996
×10-4
（1）.石油的流量
已知请求处理才能为15.8万吨石油每年（每年按330天计,天天24小时持续运行）,则石油的流量为：
Wh----热流体的流量,kg/h;
（2）.热流量
由以上的盘算成果以及标题已知,代入下面的式子,有：
Q=WhCph（T1-T2）=×℃×（140-40）℃=4428789KJ/h=1230219W
（3）.平均传热温差
盘算两流体的平均传热温差,临时按单壳程.多管程盘算.
逆流时,我们有
石油：
140℃→40℃
水：
40℃←20℃
从而
=
℃
此时
P=
R=
式子中：
——热流体（石油）的进出口温度,K或℃;
——冷流体（自来水）的进出口温度,K或℃;
由图4-25（拜见化学工业出版社的《化工道理（第四版）》147页,可查得：
﹥0.8,所以,修改后的传热温度差为：
=
℃
（4）.冷却水用量
由以上的盘算成果以及已知前提,很轻易算得：
Wc=
=
kg/h
（5）.总传热系数K
选择时,除要斟酌流体的物性和操纵前提外,还应斟酌换热器的类型.
1.管程传热系数：
Re1=
Pr1=
αi=
=2633W/m2•℃
2.壳程传热系数：
假设壳程的传热系数是：
=700W/m2•℃
污垢热阻：
Rsi2℃/W
Rso=0.000172m2℃/W
管壁的导热系数：
=45m2℃/W
鄙人面的公式中,代入以上数据,可得
（6）.盘算传热面积
由以上的盘算数据,代入下面的公式,盘算传热面积：
斟酌15%的面积裕度,则：
§四.工艺构造设计
选用Φ25×s.
依据传热管的内径和流速,可以肯定单程管子根数：
ns=
按单程盘算,所需传热管的长度是：
若按单程管盘算,传热管过长,宜采取多管程构造,可见取传热管长l=6m,则该传热管程数为：
则传热管的总根数为：
=
℃
此时：
P=
R=
由图4-25（拜见化学工业出版社的《化工道理（第四版）》147页,可查得：
﹥0.8,所以,修改后的传热温度差为：
=
℃
℃,壳程数为单程,管程数为2.
0,则
横过牵制中间线的管数
（1）采取多管程构造,取管板应用率η=0.7,则壳体内径为
圆整可取D=600mm
（2）换热管的选型汇总
依据以上的盘算可以得到如下的盘算成果：
DN,mm
600
管程数
2
壳程数
1
管子规格
管子根数
190
中间排管数
17
管程流畅面积,m2
换热面积,m2
换热器长度,mm
6000
经由过程查表,可以发明下面的构造尺寸的换热器和所需的比较接近,故而选择该种换热器：
DN,mm
600
管程数
2
壳程数
1
管子规格
管子根数
232
中间排管数
16
管程流畅面积,m2
换热面积,m2
换热器长度,mm
6000
设置折流板的目标是为了进步流速,增长湍动,改良传热,在卧式换热器中还起支持牵制的感化.经常应用的有弓形折流板（图1-20）和圆盘-圆环形折流板（图1-21）,弓形折流板又分为单弓形[图1-20（a）].双弓形[图1-20（b）].三重弓形[图1-20（c）]等几种情势.
单弓形折流板用得最多,弓形缺口的高度h为壳体公称直径Dg的15%～45%,最好是20%,见图1-22（a）;在卧式冷凝器中,折流板底部开一90°的缺口,见图1-22（b）.高度为15～20mm,供停工清除残液用;在某些冷凝器中须要保存一部分过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头,这时可采取堰的折流板,见图1-22（c）.
在大直径的换热器中,如折流板的间距较大,流体绕到折流板面前接近壳体处,会有一部分液体停止起来,形成对传热晦气的“逝世区”.为了清除这种弊病,宜采取双弓形折流板或三弓形折流板.
从传热的不雅点斟酌,有些换热器（如冷凝器）不须要设置折流板.但为了增长换热器的刚度,防止管子振动,现实仍然须要设置必定命量的支承板,其外形与尺寸均按折流板一样来处理.折流板与支承板一般均借助于长拉杆经由过程焊接或定距管来保持板间的距离,其构造情势可拜见图1-23.
因为换热器是功用不合,以及壳程介质的流量.粘度等不合,折流板间距也不合,其系列为：
100mm,150mm,200mm,300mm,450mm,600mm,800mm,1000mm.
许可的最小折流板间距为壳体内径的20%或50mm,取个中较大值.许可的最大折流板间距与管径和壳体直径有关,当换热器内流体无相变时,其最大折流板间距不得大于壳体内径,不然流体流向就会与管子平行而不是垂直于管子,从而使传热膜系数降低.
折流板外径与壳体之间的间隙越小,壳程流体介质由此泄露的量越少,即削减了流体的短路,使传热系数进步,但间隙过小,给制作装配带来艰苦,增长装备成本,故此间隙要
求合适.
折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关,见表5.5.1所列数据.
表5.5.1.折流板厚度/mm
壳体公称内径
/mm
相邻两折流板间距/mm
≤300
300～450
450～600
600～750
＞750
200～250
3
5
6
10
10
400～700
5
6
10
10
12
700～1000
6
8
10
12
16
＞1000
6
10
12
16
16
支承板厚度一般不该小于表5.5.2（左）中所列数据.
支承板许可不支承的最大间距可参考表5.5.2（右）所列数据.
壳体直径/mm
＜400
400～800
900～1200
管子外径/mm
19
25
38
57
支承板厚度/mm
6
8
10
最大间距/mm
1500
1800
2500
3400
经选择,我们采取弓形折流板,取弓形折流圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为：
×600=150mm
取折流板间距B=0.3D,则：
×600=180mm
可取B=200mm
因而查表可得：
折流板厚度为5mm,支承板厚度为8mm,支承板许可不支承最大间距为1800mm.
折流板数NB=
折流板圆缺面程度装配.
则接收内径为：
d=
所以,取尺度管的内径为100mm.
查表得,PN<4.0MPa的接收外伸长度为150mm.
取接收内轮回水流速u=1.5m/s,则接收内径：
d=
取尺度管径为120mm.
查表得,查表得,PN<6.4MPa的接收外伸长度为200mm.
换热器设计之中,为了使换热面积得以充分应用,壳程流体进出口接收应尽量接近两头的管板,而管箱的进出口尽量接近管箱法兰,从而减轻装备重量.所以,壳程和管程接收的最小地位的盘算就显得很须要了.
1）.壳程接收地位的最小尺寸
所设计的为带补强圈的壳程接收,则壳程接收地位的最小尺寸L1可用如下公式盘算：
L1≧
式子中：
——补强圈的外圈直径,mm
b——管板厚度,mm
C——补强圈外缘至管板与壳体焊缝之间的距离,mm.并且,C≧4S且C≧32,S为壳体厚度.
经盘算易得,壳程接收地位的最小尺寸为：
120mm.
2）.管程接收地位的最小尺寸
所设计的为带补强圈的管程接收,则管程接收地位的最小尺寸L2可用如下公式盘算：
L2≧
式子中：
——补强圈的外圈直径,mm
b——管板厚度,mm
C——补强圈外缘至管板与壳体焊缝之间的距离,mm.并且,C≧4S且C≧32,S为壳体厚度.
经盘算易得,管程接收地位的最小尺寸为：
140mm.
本传热器传热管外径为25mm,故拉杆直径为φ16,拉杆数为6个.壳程进口出应设置防冲挡板.
§五.换热器核算
对圆缺形的折流板,可采取克恩公式：
盘算壳程当量直径,由正三角形分列可得：
=
壳程流畅截面积：
壳程流体流速为：
雷诺准数为：
普朗特准数：
粘度校订
管程流畅截面积:
管程流体流速：
雷诺准数为：
普朗特准数：
依据冷热流体的性质及温度,在（GB151-99P140-141）拔取污垢热阻：
污垢热阻：
Rsi2℃/W
Rso=0.000172m2℃/W
还有,管壁的导热系数：
=45m2℃/W
表里平均厚度：
dm
鄙人面的公式中,代入以上数据,可得
所以,K的裕度为:
由K盘算传热面积
该换热器的现实传热面积Sp
该换热器的面积裕度为：
传热面积裕度适合,该换热器能完成临盆义务.
因为壳程和管程都有压力降的请求,所以要对壳程和管程的压力降分离进行核算.
管程压力降的盘算公式为：
Re=12364,为湍流,传热管相对光滑度为
查
流速
所以
管程流淌阻力在许可规模之内.
5.2.2壳程流淌阻力
壳程压力降埃索法公式为：
式中
——流体横过牵制的压力降,Pa;
——流体经由过程折流挡板缺口的压力降,Pa;
Ft——壳程压力降的垢层校订系数,对液体Ft=1.15;
Ns——壳程数;
（1）流体流经牵制的阻力
个中
F——管子分列办法对压力降的校订系数,对正三角形分列,F=0.5,对正方形斜转45o分列,F=0.4,正方形分列,F=0.3;
fo——壳程流体的摩擦系数,当Re﹥500时,
nc——横过牵制中间线的管子数,对正三角形分列nc
NB——折流挡板数
代入数值得：
（2）流体流经折流板缺口的阻力
个中
D——壳径,m
B——折流挡板间距,m
代入数值得：
（3）总阻力
经由以上的核算,我们发明,管程压力降和壳程压力降都相符请求.
§
6.1水泵的选择
流量
选管内流速
估算管内径
选
水煤气管,内径
管路总长为15m,个中换热器截面凌驾蓄水池概况10m,吸入管路长5m
管内流速
钢管绝对光滑度取
相对光滑度
查得摩擦系数
截止阀（全开）
三个90°弯头
管路的压头损掉
由伯努利方程,得扬程
依据已知流量
扬程H=17.1m（水柱）
可从离心泵规格表中选用型号IS80-65-125
6.2油泵的选择
流量
选管内流速
估算管内径
选
水煤气管,内径
管路总长为15m,两截面间距离Z=8m
管内流速
钢管绝对光滑度取
相对光滑度
查得摩擦系数
截止阀（全开）
两个90°弯头
管路的压头损掉
由伯努利方程,得扬程
依据已知流量
扬程H=8.19（水柱）
可从离心泵规格表中选用型号IS80-65-160
§
换热器重要构造尺寸和盘算成果表
参数
管程
壳程
进.出口温度,℃
20/40
140/40
压力,Pa
9226
流量,kg/h
53052
物
性
物性温度,℃
30
90
密度,kg/m3
996
825
定压比热容,kJ/（kg•℃）
粘度,Pa•s
热导率,W/m•℃
结
构
参
数
情势
管板式换热器
壳程数
1
壳体内径,mm
600
台数
1
管径,mm
管心距,mm
32
管长,mm
6000
管子分列
△
管数,根
190
折流板数,个
29
传热面积,m2
折流板间距,mm
200
管程数
2
材质
碳钢
重要盘算成果
管程
壳程
流速,m/s
污垢热阻,m2℃/W
热流量,KW
传热温差,℃
传热系数,W/（m2K）
面积裕度/%
16.1%
§
[1]天津大学化工道理教研室编《化工道理》上.下册（第二版）[M],天津:
天津科技出版社,1996
[2]柴诚敬等.《化工道理课程设计》[M],.天津:
天津科学技巧出版社,2000
[3]伟萍等编.化工进程及装备设计[M],北京：
化学工业出版社,2000.
[4]潘国昌,《化工装备设计》[M],北京：
清华大学出版社.2001
[5]娄爱娟,吴志泉,吴叙美编,《化工设计》,上海：
华东理工大学出版社,2002
[6]黄璐主编.化工设计.[M].北京：
化学工业出版社,2000.
[7]化工装备全书—换热器[M].北京：
化学工业出版社,2003.
§九.化工道理课程设计之心得领会
两周的课程设计让我学到的很多器械,尤其鄙人面的几个方面得到了很好的造就和练习：
（3）查阅材料,选用公式和汇集数据的才能.平日设计义务书给出后有很多半据须要设计者去汇集,有些物性参数要查取或估算,盘算公式也由设计者自行选定.这就请求设计者应用各方面的常识,具体而周全的斟酌后方可肯定.
（4）准确应用设计参数,建立从技巧上可行和经济上合理两方面斟酌的工程不雅点.同时还需斟酌到换热器的维修和情形呵护的请求.也即对于课程设计不但请求盘算准确,还请求从工程的角度分解斟酌各身分,从总体上达到最佳成果.
（5）准确.敏捷的进行工程盘算.设计盘算是一个重复试算的进程,盘算工作量很大,是以准确与敏捷必须同时强调.
（6）控制化工设计的根本程序和办法,学会用简练的文字和恰当的图暗示本身的设计思惟.
课程设计分解性比较强,涉及的工艺盘算和构造设计比较周全,从多方面考核了我们的常识.从工艺盘算到构造设计,每一个环节都分散考核了我们的分解性应用才能.在工艺盘算方面,此次设计精度较高,设计比较严谨,各项参数的选定经由了分解的斟酌并进行了卖力的盘算和校核,达到设计请求.在构造设计方面,各个构造的选材.尺寸的肯定也经由了细心的盘算,并卖力的做出了各部件的图,列出了部件的选材和尺寸,使设计加倍便利.
经由过程此次设计,懂得了设计的一般步调,加深了对所学内容的懂得和应用.
因为是初学,上面的数据处理可能还消失着一些问题,愿望先生予以斧正.
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