食品工程课程设计-年处理量11.3万吨煤油冷却器的设计文档格式.doc
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①设计说明书封面（使用统一模板）；
②任务书；
③摘要；
④目录；
⑤设计方案简介；
⑥工艺过程计算及设备工艺尺寸的计算；
⑦辅助设备的计算及选型；
⑧附录：
工艺流程图及设备结构图；
⑨参考文献⑩设计评述；
指导教师：
完成日期：
2012年12月17日～12月28日
摘要
换热器是许多工业生产部门的通用工艺设备。
该设计的换热器用作冷却器，设计中通过考虑操作条件及介质的特性，选用浮头式换热器。
该设备适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用较为普遍。
设计过程中，通过对设计任务的分析，并参考各类资料进行工艺计算、强度计算，最后检测该换热器是否符合工艺要求。
关键词：
换热器；
浮头式换热器；
工艺计算；
强度计算
目录
1引言 1
2试算并初选换热器类型 2
2.1确定流体通入的空间 2
2.1.1煤油通入空间 2
2.1.2水通入空间 2
2.2计算传热热负荷Q 2
2.2.1传热热负荷 2
2.2.2水的质量流量W 2
2.3确定定性温度，选择列管换热器的型式 3
3确定流体的物性数据 3
4初选换热器规格 4
4.1计算平均传热温差 4
4.2选K值，估算传热面积 4
4.3初选换热器型号 4
5换热器核算 5
5.1核算流速及雷诺数 5
5.1.1管程流速及雷诺数 5
5.1.2壳程流速及雷诺数 5
5.2核算传热系数 6
5.2.1管程的对流传热系数 6
5.2.2壳程的对流传热系数 6
5.2.3污垢热阻 7
5.2.4总传热系数 7
5.3计算所需传热面积 7
5.3.1传热面积 7
5.3.2面积裕度 7
5.4计算阻力损失 7
5.4.1管程阻力损失 7
5.4.2壳程阻力损失 8
6输送煤油的泵的计算和选择 9
7设计结果概要 10
参考文献 12
附录 13
设计评述 14
14
年处理量为11.3万吨煤油冷却器的设计
1引言
换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，尤其是在石油、化工生产中应用更为广泛。
换热器的类型很多，每种型式都有特定的应用范围，但是不同的场合需要的换热器类型也不一样，所以要根据具体情况具体分析换热器的选用。
选择换热器的主要因素有：
1）热负荷及流量大小2）流体的性质3）温度、压力及允许压强降的范围4）对清洗、维修的要求5）设备结构、材料、尺寸、重量6）价格、使用安全性和寿命等。
另外，针对不同的工艺条件及操作工况，我们有时使用特殊型式的换热器或特殊的换热管，以实现降低成本的目的。
因此，应综合考虑工艺条件和机械设计的要求，正确选择合适的换热器型式来有效地减少工艺工程的能量消耗。
换热器在化工生产中通常可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。
换热器的类型多样，性能各异，从早期发展起来的列管式换热器到近年来不断出现的新型、高效换热设备，都各具特色。
而早期的列管式换热器是目前化工生产中应用最广泛的一种换热器，它结构简单，坚固，制造容易，材料广泛，处理能力可以很大，适应性强，尤其在高温高压下较其他型式换热器更为适用。
虽然，在传热效率、设备的紧凑型、单位面积的金属消耗量等方面，还稍逊于各种板式换热器，但目前仍为化工厂中主要的换热设备。
浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，浮头是其一端管板不与外壳连接并且可以沿官长方向浮动。
浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，它的优点还在于方便拆卸，清洗方便，对于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况很能适应。
其缺点在于结构复杂、填塞式滑动面处在高压时易泄露，这使其应用受到限制，适用压力为：
1.0MPa～6.4MPa。
不过，因其使用于壳体不管束温差较大及壳程流体容易结垢的场合的优良性能，工业中广泛应用。
本设计中，先对任务进行仔细分析，了解设计任务，然后开始着手进行设计。
首先，根据两流体的特性决定流体进入的空间，计算换热器的传热热负荷并确定两流体的定性温度，通过定性温度的差值以及综合最终确定换热器的类型。
其次，根据水的物理数据通过内差法算出水的物性数据，给出两流体的物性数据表。
第三，我们计算两流体的平均温差，通过查表得出温差校正系数于0.8相比较，当大于0.8的时候即可确定流体的平均温差。
第四，选定K值，然后根据平均温差估算出传热面积，根据估算的传热面积和FB系列标准，初选换热器规格，确定主要参数。
最后，根据选定换热器的各参数分别核算管、壳程的流速、雷诺数、总传热系数、所需传热面积及面积裕度、压力降等确定所选换热器能否达到生产要求和工艺要求。
如果和算出来的结果不符合要求，再次从选定K值开始，一步步计算，直到达到要求为止。
换热器选好后选煤油泵。
对于泵的选择，要注意几点：
1）流量Q流量是指工艺装置生产中，要求泵输送的介质量。
选泵时，要求额定流量不小于装置的最大流量，或取正常流量的1.1~1.15倍。
2）扬程H指工艺装置所需的扬程值，也称计算扬程。
一般要求泵的额定扬程为装置所需扬程的1.05~1.1倍。
3）效率效率也是选泵时的一个重要对比条件。
通过对泵效率的对比，从中选取效率最优的型号泵，可以很大程度上改善经济效益。
本设计中为了减少工作量，减轻了泵的设计量，设定泵的进出口有油泵并且都处为标准大气压，然后根据伯努利方程和煤油的体积流量计算出压头损失，然后设定两液面差，计算出扬程，从而确定泵的型号。
本人的认识不够全面，在设计过程中可能还存在许多问题，望老师们给予批评和指正。
2试算并初选换热器类型
2.1确定流体通入的空间
2.1.1煤油通入空间
煤油是被冷却流体且黏度较大，选择走壳程，可以增加冷却效果，并且壳程内装有折流板，煤油走壳程可以在较低的雷诺数下达到湍流，有利于提高壳程一侧的对流传热系数。
2.1.2水通入空间
水是易结垢流体，因此应走易于清洗的管程。
2.2计算传热热负荷Q
2.2.1传热热负荷
在忽略换热器热损失的前提下，有
Q=Whcph（Th1－Th2）=Wccpc（Tc2－Tc1）
∵煤油的处理量、定压比热容已给出
Wh=113×
103t/年=
=3.963kg·
s-1
cpc=2.22kJ·
（kg·
℃）-1=2220J·
℃）-1
∴传热热负荷Q=Whcpc（Th1－Th2）=
=8.534×
105W
2.2.2水的质量流量W
∵水的定压比热容
cpc=4.17kJ·
℃）-1=4170J·
℃）-1
∴水的质量流量为
Wc===17.05kg·
2.3确定定性温度，选择列管换热器的型式
被冷却流体为煤油：
Th1=137℃Th2=40℃
冷却介质流体水：
Tc1=28℃Tc2=40℃
取两流体的定性温度为各自的平均温度，则有
煤油的定性温度：
=88.5℃
水的定性温度：
=34℃
∵=88.5-34℃=54.5℃>
50℃
∴选用浮头式换热器
3确定流体的物性数据
根据水的物理性质表[1]由内差法计算水的物理数据如下：
c==0.62W·
（m·
kg·
m-3
7.42Pa·
s
∴两流体在定性温度下的物性数据如表一所示。
表一两流体在定性温度下的物性数据
物性数据
温度T
/℃
密度
/（kg·
m-3）
黏度
/（Pa·
s）
热导率
/[W·
℃）-1]
比热容Cp
/[kJ·
煤油
88.5
825
7.15×
10-4
0.14
2220
水
34
994.3
7.42×
0.62
4170
4初选换热器规格
4.1计算平均传热温差
暂定换热器内流向为逆流，计算逆流平均温差
煤油137℃40℃
水40℃28℃
温差97℃12℃
∴℃
暂按单壳程、偶数管数考虑，则有：
在对数平均温度校正系数图[2]中，由R和P查得
0.94>
0.8
故单壳程、偶数管数可行。
∴两流体的平均温差为
℃
4.2选K值，估算传热面积
为求得传热面积A，需先求出总传热系数K值，而K值又和对流传热系数、污垢热阻等因素有关。
在换热器的直径、流速、传热系数等参数未确定时，对流传热系数也无法计算，所以这能进行试算。
参照管壳式换热器中的总传热系数K的经验值[3]，选取K=300W·
（m2·
℃）-1，则估算面积为：
=74.41m2
4.3初选换热器型号
由于两流体温差较大以及便于清洗壳程污垢，并参考以上数据，初选F600Ⅱ-1.6-95型号浮头式列管换热器，参数如表二所示。
表二F600Ⅱ-1.6-95浮头式列管换热器的主要参数[2]
项目
参数
外壳直径/mm
600
管子长度/mm
25×
2.5
公称压强/MPa
1.6
管长L/m
6
公称面积/m2
95
管数N
208
管程数/Np
2
管中心距t/mm
32
管子排列方式
正方形错列
管程流通截面积/m2
0.03265
壳程流通截面积/m2
0.044
折流板间距/mm
200
5换热器核算
5.1核算流速及雷诺数
5.1.1管程流速及雷诺数
流通截面积：
Ai=0.03265m2
管内水的流速：
=0.53m·
雷诺数：
5.1.2壳程流速及雷诺数
壳内煤油流速：
m·
当量直径：
（公式[1]）
m
由以上核算看出，采用F600Ⅱ-1.6-95型换热器，管程、壳程的流速和雷诺数是合适的。
5.2核算传热系数
5.2.1管程的对流传热系数
管程雷诺数：
普朗特准数为：
对流传热系数为：
（公式[2]）
=2846.83W·
5.2.2壳程的对流传热系数
壳程雷诺数：
Re0=3426.92
Pr
因为壳程里的煤油时被冷却流体，所以取，则对流传热系数为：
Re0.55Pr1/3[2]
=347.54W·
5.2.3污垢热阻[4]
取自来水污垢热阻Rsi=3.44m2·
℃·
W-1
煤油污垢热阻Rso=1.72m2·
W-1
5.2.4总传热系数
管壁的导热系数：
=48m2·
∴[3]
=251W·
5.3计算所需传热面积
5.3.1传热面积
由以上数据可以计算出所需传热面积
所选换热器的实际传热面积
5.3.2面积裕度
面积裕度（公式[3]）
核算结果表明，换热器的传热面积有10％的裕度，故该换热器能换成生产任务。
5.4计算阻力损失
5.4.1管程阻力损失
[3]
其中，式中——直管阻力损失，Pa；
——回弯的阻力损失，Pa；
Ft——结垢校正系数，对于25mm×
2.5mm的管子Ft=1.4；
Ns——串联的壳程数
由可以计算摩擦系数得
将数据带入得
=1674.6Pa
=1674.6×
1.4×
4
=9377.8Pa<
0.3MPa
5.4.2壳程阻力损失
[3]
其中，式中——流体横过管束的压力降，Pa；
——流体通过折流挡板缺口的压力降，Pa；
F——管子排列方式对压强降得校正系数，正方形45排列，F=0.4
——壳程流体摩擦系数，当Re>
500时，
Ft——壳程压力降的垢层校正系数，对液体Ft=1.15；
NB——折流挡板数；
nc——水平管束在垂直列上的管数，管子按正方形排列时，有
∵Re0=3426.92>
500，∴
∵，取
∴
Pa<
流经管程和壳程流体的压力降均未超过0.3MPa。
以上核算结果表明，选用F600Ⅱ-1.6-95型换热器能符合工艺要求。
6输送煤油的泵的计算和选择
煤油流量W=3.963kg·
kg·
据伯努利方程
∵泵的入口与出口处的压强都为标准大气压，∴
泵入口与出口处设有油槽，即
设定两液面差为
∴水头损失
∴扬程
据泵的选用手册，选择泵的型号为IH-80-50-200A。
[5]
7设计结果概要
表三换热器主要结构尺寸和计算结果
管程
壳程
流体
冷却水
进/出口温度/℃
28/40
137/40
物性
定性温度/℃
密度/（kg·
定压比热容/[kJ·
4.17
2.22
粘度/Pa·
热导率/[W·
（m2·
设备结构参数
形式
列管式
壳程数
1
壳体内径/mm
台数
管径
Φ25×
20
管心距/mm
管长
6000
管子排列
正方形45°
斜列
管数目/根
折流板数/个
29
传热面积m2
97.97
管程数
材质
碳钢
主要计算结果
表面传热系数/W·
2486.83
3426.92
污垢热阻/[m2·
W-1]
0.
压力损失/Pa
9377.8
893.16
传热系数/[W·
（m2﹒℃）-1]
251
裕度/%
10%
表四IH-80-50-200A型号泵的主要尺寸
流量
扬程
转速
r·
min-1
功率/kW
效率
％
必需汽蚀余量/m
泵质量
kg
m3·
h-1
L·
轴功率
电动机功率
22.7
6.31
10.3
1450
1.14
2.2
56.1
64
参考文献
[1]大连理工大学.化工原理（上册）[M].北京:
高等教育出版社,2002.
[2]李云飞,葛克山.食品工程原理（第二版）[M].北京:
中国农业大学出版社,2009.
[3]吴俊,宋孝勇,韩粉女等.化工原理课程设计[M].上海:
华东理工大学出版社,2011.
[4]夏清,陈常贵.化工原理（上册）[M].天津:
天津大学出版社,2007.
[5]柴立平.泵选用手册[M].北京:
机械工业出版社,2009.
附录
换热器设备图
工艺流程图
设计评述
本次设计在起早贪黑中终于落下了帷幕，想起当时起床睡觉张口都是课程设计、一天14个小时都面对电脑的情境，突然觉得一时的清闲真是幸福。
想想，我们设计的东西如果被用的话，会不会发生各种奇怪的事，呵呵，轻松一下。
课程设计中，因为我的知识基础比较差，所以设计过程也是根据课本上的步骤按部就班的进行，没有创新，没有深入。
从最初的选择换热器类型，到传热热负荷、流体的定性温度、传热温差、估算传热面积、选定换热器的规格直至最后也是最重要的核算过程，一步步踏实地完成自己的设计。
课程设计结束了，留下的是我的反思。
通过这次课程设计，我学会了很多，知道了换热器设计的过程以及注意事项，也巩固加深了以前的知识。
又一次深切体会到，团队合作的重要性。
一个好的团队，齐心协力，事半功倍。
最后，通过这个评述，感谢我的伙伴和老师，你们给了我很大的帮助，也教会了我很多，感谢你们。
说明中可能还存在一些错误，请老师批评改正。
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