煤油冷却器的设计课程设计.doc

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化工原理课程设计

煤油冷却器的设计

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xx年xx月

摘要

本设计的任务就是完成一满足生产要求的列管式换热器的设计和选型。

本设计的核心是计算换热器的传热面积，进而确定换热器的其他尺寸或选择换热器的型号。

由总传热速率方程可知，要计算换热面积，得确定总传热系数和平均温差。

由于总传热系数与换热器的类型、尺寸、流体流到等诸多因素有关，----而平均温差与两流体的流向、辅助物料终温的选择有关，因此管壳式换热器设计和选型需考虑许多问题。

通过多次核算和比较，设计结果如下：

带膨胀节的固定管板式换热器，选用φ25Χ2.5的碳钢管，换热面积为131.4m²，且为双管程单壳程结构，传热管排列采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

管数为300，管长为6m，管间距为32mm，折流板形式采用上下结构，其间距为150mm，切口高度为25%，壳体内径为700mm，该换热器可满足生产需求。

Abstract

Thetaskofthisdesignistocompleteameettheproductionrequirementsofshellandtubeheatexchangerdesignandtypeselection.Thetotalheattransferrateequationshowsthattocalculateheattransferarea,youmustdeterminethetotalheattransfercoefficientandthemeantemperaturedifference.Throughtherepeatedcalculationandcomparison,designresultsareasfollows.Fixedtubeplateheatexchangerwithexpansionjoint,Selectphicarbonsteelpipe,heattransferareaof131.4squaremeters,Andforthetubesideshellsideofthesinglestructure,thepipearrangementmethod,namelyeachwayaresortedbyregulartriangle,diaphragmusesquareisarrangedonbothsides.Pipenumberis300,thelengthis6meters,tubespacingis32mm,baffleplateformadoptsupanddownstructure,thespacingis150mm,incisionheightwas25%,theshellinsidediameteris700mm,theheatexchangercanmeettheproductionrequirements.

目录

前言 4

第1章文献综述 5

1.1换热器分类 7

1.2列管式换热器的类型 8

1.3列管式换热器的结构 9

1.3.1管程结构 9

1.3.2壳程结构 10

第2章设计方案确定 14

2.1设计任务及操作条件 15

2.1.1设计方案的确定 17

2.2设计步骤 17

2.2.1非系列标准换热器的一般步骤 17

第3章设计计算 18

3.1确定设计方案 18

3.2确定物性数据 18

3.3计算总传热系数 18

3.4计算传热面积 23

3.5工艺结构和尺寸 23

3.6换热器核算 25

第4章设计全部参数 30

设计小结 31

参考文献 32

附表 33

附录 34

前言

热交换器，简称换热器，是在不同温度的流体间，进行传递热能的装置。

换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。

因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机及在节约能源上研究新途径。

在研究投入大、人力资源配备足的情况下，一批具有代表性的高效换热器和强化传热原件诞生了。

这对提高能量的利用效率有着很大的促进作用，对社会效益非常显著，从另一方面大大缓解了能源的紧张状况。

在化工厂的建设中，换热器通常约占总投资的11%；在现代石油炼厂中，换热器约占全部工艺设备投资的40%左右。

近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。

目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。

列管式换热器的应用已具有很悠久的历史。

现在，它被当作一种传统的标准换热器设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热器中，列管式换热器仍处于主导地位。

同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量地应用于工业中。

本文主要是对列管式换热器的设计和运用进行介绍。

设计任务书

设计任务及操作条件

（1）处理能力19.8104t/a煤油

（2）设备形式列管式换热器

（3）操作条件

①煤油：

入口温度140℃，出口温度40℃。

②冷却介质：

循环水，入口温度30℃，出口温度40℃。

③允许压降：

不大于105Pa。

④煤油定性温度下的物性数据：

密度：

ρc＝825kg/m3

黏度：

μc＝0.000715Pa﹒s

定压比热容：

Cpc＝2.22kJ/（kg﹒℃）

热导系数：

λc＝0.14W/（m﹒℃）

⑤每年按330天计，每天24小时连续运行。

（4）建厂地址天津地区

设计要求：

选择适宜的列管式换热器并进行核算。

第1章设计综述

1.1换热器分类

换热器是许多工业部门的通用设备。

根据不同的目的不同，换热器可以是热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。

根据冷、热流体热量交换的方式，换热器可以分为以下三大类：

⑴直接接触式换热器这类换热器的主要工作原理是两种介质接触而相互传递热量，实现传热，接触面积直接影响到传热。

这类换热器的介质通常是一种是气体，另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔器的关系，通常归口味塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。

⑵蓄热式换热器蓄热式换热器主要由对外充分隔热的蓄热室构成，室内装由热容量大的固定填充物。

热流体通过蓄热室时将冷的填充物加热，当冷流体通过时则将热量带走。

热、冷流体交替通过蓄热室，利用固体填充物来积蓄或放出热量而达到热交换的目的。

蓄热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的利用或冷却。

其缺点是设备体积较大，过程是不定常的交替操作，且不能完全避免两种流体的掺杂。

所以这类设备化工上用的不多。

⑶间壁式换热器其特点是在冷、热流体之间用以金属壁（或石墨等导热性能良好的非金属壁）隔开，使两种流体在不发生混合的情况下进行热量传递。

从传热的基本特征分类，间壁式换热器可分为管式和板式。

其中包括夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、套管式换热器、列管式换热器以及其他高效换热器。

1.2列管式换热器的类型

⑴固定管板式换热器

固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构是壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洗的流体。

当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开，从而发生介质的泄露。

为此在外壳上焊以膨胀节，但它仅能减小而不能完全消除由于温差而产生的热应力，且在多程换热器中，这种方法不能照顾到管子的相对移动。

由此可见，这种换热器比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

⑵浮头式换热器

浮头式换热器针对固定管板式的缺陷做了结构上的改进。

两端管板只由一端与管体完全固定，另一端则可相对于壳体作某些移动，该端称之为浮头，如图1-2所示。

此类换热器的管束膨胀不受壳体的约束，所以壳体与管束之间不会由于膨胀量的不同而产生热应力。

而且在清洗和检修时，仅需要将管束从壳体中抽出即可，所以能适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易结垢的场合。

但该类换热器结构复杂、本中，造价约比固定管板式高20%左右，材料消耗量大，而且由于浮头的端盖在操作中无法检查，所以在制造和安装时要注意其密封，以避免发生内漏，管束和壳体的间隙较大，在设计时要避免短路。

至于壳程的压力也受滑动接触的密封限制。

⑶U形管换热器

见图1-3为一U形管换热器，其结构特点为每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，封头用隔板分成两室，故相当于双管程。

这类换热器的特点是：

管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可以从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。

但管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。

此外，为了弥补弯管后壁管的减薄，直管部分必须用壁较厚的管子。

这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。

⑷填料函式换热器

此类换热器的管板也仅有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封，如图1-4所示。

它的管束也可自由膨胀，所以管壳之间不会产生热应力，且管程和壳程都能清洗，结构较浮头式简单，造价较低，加工制造方便，材料消耗较少。

但由于密封处易于泄露，故壳程压力不能过高，也不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒的场合。

1.3列管式换热器的结构

1.3.1管程结构

介质流经传热管内的通道部分称为管程。

⑴换热管布置和排列间距

常用换热管规格有Ф19×2mm、Ф25×2mm（1Cr18Ni9Ti）、Ф25×2.5（碳钢

10）。

换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形错列和三角形直列和同心圆排列，如图1所示。

图1换热管排列方式

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布均匀，结构更为紧凑。

我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。

对于多管程换热器，常采用组合排列方式。

每程内都采用三角形排列，而在各程之间为了便于安装，采用正方形排列。

管间距（管中心的间距）t与外管径d。

的比值，焊接时为1.25，胀接时为1.3～1.5。

管子材料常用的为碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金等。

应根据工作压力、温度和介质腐蚀性等条件决定。

此外海域一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等亦有采用。

在设计和制造换热器时，正确选用材料很重要。

既要满足工艺条件的要求，又要经济。

对化工设备而言，由于各部分可采用不同材料，应注意由于不同种类的金属接触而产生的电化学腐蚀作用。

⑵管板

管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。

管板与管子的连接可胀接或焊接。

胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显

著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的作用。

胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa，设计温度不超过350℃的场合。

焊接法在高温高压条件下更能保证接头的严密性。

管板与壳体的连接有可拆连接和不可拆连接两种。

固定管板常采用不可拆连接。

两端管板直接焊在外壳上并兼作法兰，拆下顶盖可检修彭胀口或清洗管内。

浮头式、U型管式等为是壳体清洗方便，常将管板夹在壳体法兰和顶盖法兰直接按构成可拆连接。

⑶封头和管箱

封头和管箱位于壳体两端，其作用式控制及分配管程流体。

①封头当壳体直径较小式常采用封头。

接管和封头可用法兰或螺纹连接，

封头与壳体直接按用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。

②管箱一般壳径较大的换热器大多采用管箱结构。

管箱具有一个可拆盖板，因此在检修或清洗管子时无须卸下管箱。

③分程隔板当需要的换热面积很大时，可采用多管程换热器。

对于多管

程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。

这样可提高介质流速，增强传热。

管程多者可达到16程，常用的由2、4、6程。

在布置时应尽量使管程流体与管程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄露，以防止流体的短路。

1.3.2壳程结构

介质流经传热管外面的通道部分成为壳程。

壳程内的结构，主要是由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。

由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置型式亦不同，以此来满足设计的要求。

各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：

一类为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热器的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板、旁路挡板等；另一类为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。

⑴壳体

壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。

直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mm的可用钢板卷焊而成。

介质在壳程的流动方式有多种形式，单壳程型式应用最为普遍。

如壳侧传热系数远小于管侧，则可以纵向的挡板分隔成双壳程型式。

用两个换热器串联也可达到同样的效果。

为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。

壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。

计算式如下：

单管程：

D=t（﹣1）﹢﹙2～3）d。

………………………………（1-1）

式中t---管心距，mm；

d。

----换热管外径，mm；

——横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。

正三角形排列：

=1.1………………………………（1-2）

正方形排列：

………………………………（1-3）

多管程：

D……………………………………（1-4）

式中N—排列管子数

—管板利用率。

正三角形排列：

2管程=0.7～0.85

﹥4管程=0.6～0.8

正方形排列：

2管程=0.55～0.7

﹥4管程=0.45～0.65

壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。

⑵折流板

在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体流速，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。

折流板的型式由圆缺型、环盘型和孔流型等。

如图2所示。

（a）水平圆缺（b）垂直圆缺（c）环盘型

图2折流板型式

⑶缓冲板

在壳程进口接管处常装有防冲挡板，或称缓冲板。

它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。

也有在管束两端放置导流筒，不仅起到防冲板的作用，还可改善两端流体的分布，提高传热效率。

⑷其他主要附件

①旁通挡板如果壳体和管束之间间隙过大，则流体不通过管束而通过这个间隙旁通，为了防止这种情形，往往采用旁通挡板。

②假管为减少管程分程引起的中间穿流的影响，可设置假管。

假管的表面形状为两端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面两管板之间但不穿过管板，可与折流板焊接以便固定。

假管通常是每隔3～4排换热管安置一根。

③拉杆和定距管为了使折流板能牢靠地保持在一定位置上，通常采用拉杆和定距管。

第2章设计方案确定

2.1设计任务及操作条件

（5）处理能力19.8104t/a煤油

（6）设备形式列管式换热器

（7）操作条件

⑤煤油：

入口温度140℃，出口温度40℃。

⑥冷却介质：

循环水，入口温度30℃，出口温度40℃。

⑦允许压降：

不大于105Pa。

⑧煤油定性温度下的物性数据：

密度：

ρc＝825kg/m3

黏度：

μc＝0.000715Pa﹒s

定压比热容：

Cpc＝2.22kJ/（kg﹒℃）

热导系数：

λc＝0.14W/（m﹒℃）

⑤每年按330天计，每天24小时连续运行。

（8）建厂地址天津地区

设计要求：

选择适宜的列管式换热器并进行核算。

2.1.1设计方案的确定

⑴换热器类型的选择

在列管式换热器内，由于管内、外流体温度不同，壳体和管束的温度及其热膨胀的程度也不同。

若两者温差较大，就可能引起很大的内应力，使设备变形、管子弯曲、断裂甚至从板上脱落。

因此，必须采取适当的措施，以消除或减少热应力的影响。

此外，有的流体易于结垢，有的腐蚀性较大，也要求换热器便于清洗和修理。

目前，已有几种不同型式的换热器系列化生产，以满足不同的工艺需要。

其类型参见前言所述。

⑵流动空间的选择

在管壳式换热器的计算中，首先需要决定何种流体走管程，何种流体走壳程，这需遵循一些一般原则。

①应尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。

②在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失。

③管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。

④应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。

从这个角度来说，顺流式就优于逆流式，因为顺流式进出口端的温度比较平均，不像逆流式那样，热、冷流体的高温部分均集中于一端，低温部分集中于另一端，易于因两端胀缩不同而产生热应力。

⑤对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄漏，应特别注意其密封，密封不仅要可靠，而且还应要求方便及简单。

⑥应尽量避免采用贵金属，以降低成本。

以上这些原则有些是相互矛盾的，所以在具体设计时应综合考虑，决定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。

⑶流速的确定

当流体不发生相变时，介质的流速高，换热强度大，从而可使换热面积减少、结构紧凑、成本降低，一般也可抑止污垢的产生。

但流速大也会带来一些不利的影响，诸如压降△P增加，泵功率增大，且加剧了对传热面的冲刷。

⑷加热剂、冷却剂的选择

常用冷却剂有水，空气，盐水，氨蒸气等。

一般来说，除低温及冷冻外，冷却剂应优先选用水，水的初温应当由当地的气候条件决定；此外，应注意：

①水与被冷却流体冷端之间一般需有5～35℃的温度差。

②水的出口温度不宜太高，如出口温度超过50℃时，溶解于水中的无机盐要析出在壁面上形成污垢。

因此，用未经处理过的河水作冷却剂时，其出口温度一般不应超过50℃，否则会加快污垢的生成，大大增加传热阻力。

[02]

表1常用冷却剂和加热剂

冷却剂名称

温度范围

加热剂名称

温度范围

水（自来水，河水，井水）

空气

冷冻盐水

氨蒸汽

0～80℃,

>30℃

-15～0℃用于低温冷却

>-15℃用于冷冻工业

饱和水蒸汽

烟道气

<180℃

700～1000℃

⑸流体出口温度的确定

工艺流体的进出口温度是由工艺条件决定，加热剂或冷却剂的进口温度也是确定的，但其出口的温度是由设计者选定的。

该温度直接影响加热剂或冷却剂的耗量和换热器的大小，所以此温度的确定有一个优化问题。

⑹材质的选择

在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。

当然，最后还要考虑材料的经济合理性。

一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。

在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。

至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。

一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。

①碳钢

价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的：

如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。

②不锈钢

奥氏体系不锈钢以ICr18Ni9为代表，它是标准的18~8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。

列管式换热器是各种工程领域中最普遍应用的热交换装置,其优化设计可实现满足热交换任务的结构设计、经济性评估等多目标.借助转轴直接搜索可行方向法（DSFD）的思想,计算了油-水换热器的优化设计模型,通过比较并加以分析优化结果与常规设计结果,证明了煤油冷却器的设计既达到了结构合理,经济性好的目的,也具有根据不同需要得到其最优方案的灵活性。

2.2设计步骤

目前，我国已制定了管式换热器系列标准，设计中应尽可能选用系列化的标准产品，这样可简化设计加工。

但是实际生产条件千变万化，当系列化产品不能满足需要时，仍应根据生产的具体要求而自行设计非系列标准的换热器。

2.2.1非系列标准换热器的一般步骤

①了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性。

②由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。

③决定流体通入的空间。

④计算流体的定性温度，以确定流体的物性数据。

⑤初算流体的定性温度，以确定流体的物性数据。

⑥选取管径和管内流速。

⑦计算传热系数K值，包括管程对流传热系数和壳程对流传热系数的计算。

由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此一般先假定一个壳程对流传热系数，以计算K值，然后再做校核。

⑧初估传热面积。

考虑安全系数和初估性质，因而常取实际传热面积式计算的1.15～1.25倍。

⑨选择管长L。

⑩计算管数N。

校核管内流速，确定管程数。

画出排管图，确定管径D和管程挡板形式及数量等。

校核管程对流传热面积。

校核有效平均温差。

校核传热面积，应有一定安全系数，否则需重新设计。

计算流体流动阻力。

如果阻力超过允许范围，需调整计算，直至满意为止。

第3章设计计算

3.1确定设计方案

⑴选择换热器类型

两流体温度变化情况：

热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体（循环水）进口温度30℃，出口温度40℃。

该换热器用循环冷却水冷却，天津处在我国北方，冬季较冷。

因此冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的的管壁温和壳体温差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。

⑵流动空间的确定

在管壳式换热器的计算中，首先需决定何种流体走管程，何种流体走壳程，这需