化工原理课程设计说明书(换热器的设计)
&&&&化工原理课程设计煤油冷却器的设计目录一、 设计题目及原始数据（任务书）………………………………3 二、 设计要求………………………………………………………..3 三、 列管式换热器形式及特点的简述……………………………..3 四、 论述列管式换热器形式的选择及流体流动空间的选择……..8 五、 换热过程中的有&&&&关计算（热负荷、壳层数、总传热系数、传热 面积、压强降等等）…………………………………………..10 ① 物性数据的确定………………………………………………14 ② 总传热系数的计算……………………………………………14 ③ 传热面积的计算………………………………………………16 ④ 工艺结构尺寸的计算…………………………………………16 ⑤ 换热器的核算…………………………………………………18 六、 设计结果概要表（主要设备尺寸、衡算结果等等）…………22 七、 主体设备计算及其说明…………………………………………22 八、 主体设备装置图的绘制…………………………………………33 九、 课程设计的收获及感想…………………………………………33 十、 附表及设计过程中主要符号说明……………………………..37 十一、 参考文献…………………………………………………..40化工原理课程设计煤油冷却器的设计一、设计题目及原始数据（任务书） 设计题目及原始数据（任务书） 1、生产能力：17×104 吨/年煤油 2、设备形式：列管式换热器 3、设计条件： 煤油：入口温度 140oc，出口温度 40 oc 冷却介质：自来水，入口温度 30oc，出口温度 40 oc 允许压强降：不大于 105pa 每年按 330 天计，每天 24 小时连续运行 二、设计要求 1、选择适宜的列管式换热器并进行核算 2、要进行工艺计算 3、要进行主体设备的设计（主要设备尺寸、横算结果等） 4、编写设计任务书 5、进行设备结构图的绘制（用 420*594 图纸绘制装置图一张： 一主视图，一俯视图。一剖面图，两个局部放大图。设备技术要求、 主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。 ） 三、列环式换热器形式及特点的简述 换热器概述 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2化工原理课程设计煤油冷却器的设计高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践 中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前 一种情形并无本质上的区别。 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，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。换热器按照换 热介质不同可分为水-水换热器和汽-水患热器；按照工作原理不同可 分为间壁式、直接接触式、蓄热式和热管式换热器。 1.表面式换热器 又称间壁式换热器。是指通过传热表面间接加热的换热器。由 于表面式换热器冷热流体传热时被固体壁面所隔开， 热流体和冷流体 通过壁面进行热量传递，所以与直接接触式换热器相比，换热效率较 低，常用在两种流体不容渗混的场合。主要有管式、容积式、板式、 螺旋板式等形式。 2.管式换热器 是指由圆筒形壳体和装配在壳体内的带有管板的管束所组成的 管式换热器。结构简单、造价低、流通截面较宽、易于清洗水垢;但 传热系数低、占地面积大。管壳式换热器有固定管板式汽-水换热器、 带膨胀节管壳式汽-水换热器、浮头式汽-水换热器、u 彩管壳式汽-水 换热器、 波节型管壳式汽-水换热器、 分段式水-水换热器等儿种类型。3化工原理课程设计煤油冷却器的设计3.套管式换热器 是指由管子制成管套管等构件组成的管式换热器。 4.板式换热器 是指不同温度的流体交错在多层紧密排列的薄壁金属板间流动 换热的表面式换热器。主要由传热板片、固定盖板、活动盖板、定位 螺栓及压紧螺栓组成，板片之间用垫片进行密封。由于板片表面的特 殊结构，能使流体在低流速下发生强烈湍动，从而强化了传热过程。 板式换热器结构紧凑， 拆洗方便， 传热系数高， 适应性大， 节省材料， 但板片间流通截面狭窄，易形成水垢和沉积物，造成堵塞，密封垫片 耐热性差时易渗漏。此种换热器常用于供暖系统。板式换热器计算时 应考虑换热便面污垢的影响，传热系数计算时应考虑污垢修正系数。 其中列管式换热器的应用已经有很悠久的历史。现在，它作为一 种传统的标准换热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设备中，列管式换热器仍处于主导 地位。同时，管板式换热器已成为高效、近臭的换热设备，大龄的应 用于工业中。列管式换热器的资料较为完善，已有系列化标准。 列管式换热器有三种类型，分别为固定管板式换热器、浮头式换 热器、u 形管式换热器和填料函式换热器。 1.固定管板式：固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、 封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中 设置有管束， 管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上， 两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体4化工原理课程设计煤油冷却器的设计上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和 封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。 这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。 固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便， 管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工 程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜 采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、 壳程温差而产生的热应力。图1 固定管板式换热器 固定管板式换热器的特点是：旁路渗流较小；造价低；无内 漏。在相同的壳体直径内，排管较多，比较紧凑；壳侧层清洗困难， 加上膨胀节的方法不能照到管子的相对移动。 比较适合温差不大或温 差大而壳层压力不高的场合。 固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产 生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命 较低，不适用于壳程易结垢场合。 2.浮头式换热器： 其两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端 课相对于壳体作某些移动，该端称之为浮头。此种换热器的管束不受5化工原理课程设计煤油冷却器的设计壳体的约束，壳体与管束之间不会因为膨胀量的不同而产生热应力。 而且在清洗和检修时，仅将管束从壳体中抽出即可。 特点：该种换热器结构复杂、笨重，造价比固定管板式要高出约 20％，材料的消耗量较大，浮头的端盖在操作中无法检查，所以安装 时要特别注意其密封，以免发生内漏，且管束和壳体间隙较大，设计图2. 浮头式换热器 时避免短路。该种换热器比较适合管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和 易于结垢的场合。 3.u 型管式换热器 仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。 这类换热器的特点是：管束可以自由伸缩，不会因为管壳之间的 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，传热性能好；承压能力强；管束课从壳体内抽出，便于检 修和清洗，造价便宜。但是管内清洗不变，管束中间分布的管子难以 更换，管板中心部分布管不紧凑，管子数目不能太多。仅适用于管壳 壁温相差较大，或壳程截止易于结垢而管程介质不易结垢，高温高压 腐蚀性强的情形。6化工原理课程设计煤油冷却器的设计图 3.u 型管式换热器 4.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。 特点为它的管束也可以自由膨胀，所以管壳间不会产生热应力， 且管程与壳程都能清洗。造价较低、加工制造简便，材料消耗较少。 填料密封处于泄露， 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。 四、论述列管式换热器形式的选择及流体流动空间的选择 ①换热器形式的选择 本次任务中两流体的温度变化：煤油热流体进口温度为 140℃， 出口温度为 40℃； 冷却介质水的进口温度为 30℃， 出口温度为 40℃。 该换热器用自来水作冷却介质，受环境影响，进口温度会降低，由此 可知该换热器的管壁温度和壳体壁温之差较大， 有上一步骤中对换热 器形式及特点的陈述，课选用固定管板式换热器。 ②流体流动空间的选择 在管壳式换热器的计算中，首先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。7化工原理课程设计煤油冷却器的设计㈠宜于通入管内空间的流体 不清洁的流体：因为在管内空间得到较高的流速并不困难，而流 速高，悬浮物不易沉积，且管内空间便于清洗； 体积小的流体：管内空间的流动截面往往要比管外空间的截面要 小，流体易于获得理想的流速，而且也便于做成多程流动。 有压力的流体：管子承压能力强，而且还简化了壳体密封要求。 与外界温差大的流体：可以减少热量的逸散。 ㈡宜于通入管间的流体 当两流体温度相差较大时，α值大的流体走管间，这样可以减少 管壁与壳壁间的温度差，因而也减少了管束与壳体间的相对伸长，故 温差应力可以降低。 若两流体给热性能相差较大时，α值霄的流体走管间，此时可以 用翅片管来平衡传热面两侧的给热条件，使之相互接近。 黏度大的流体，管间的截面和方向都在不断变化，在低雷诺数下， 管外给热系数比管内的大。 泄漏后危险大的流体，可以减少泄露机会，以保安全。 根据所查得的资料，不洁净或易于结垢的物料应流经易于清洗的 一侧， 对于直管一般走管内； 温度较高的物料宜走管内一减少热损失， 但要求被冷却的流体走壳程、黏度大的走壳程，且循环水易于结垢， 所以使水走管程，煤油走壳程。 ③流体流速的选取：换热器常用流速的范围如下表 表一 换热器常用流速的范围8化工原理课程设计煤油冷却器的设计介质 流速 管程流速，m/s 壳程流速，m/s循环水新鲜水一般液体易结垢液体低粘度油高粘度油1.0-2.0 0.5-1.50.8-1.5 0.5-1.50.5-3 0.2-1.5＞1.0 ＞0.50.8-1.8 0.4-1.00.5-1.5 0.3-0.8由上表可得管内循环水流速范围为 1m/s-2m/s，现取管内流速 1.0m/s。 ④换热管规格的选取 换热管规格及排列形式如下表所示 表二 换热管规格及排列形式换热管外径×壁厚（d×σt） 排列形式 碳素钢、低合金钢 25×2.5 19×2 不锈耐酸钢 25×2 正三角形 19×2 25 32 管间距选用φ25×2.5 碳钢管。 五、过程中的有关计算（热负荷、壳层数、总传热系数、传热面 过程中的有关计算（热负荷、壳层数、总传热系数、 积、压强降等等） 压强降等等） 列管式换热器的设计计算 设计步骤 目前，我国已经制订了管壳式换热器系列标准，设计中应尽可能 选用系列化的标准产品，这样可简化设计和加工。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。两者的设计计算步骤如下： 1.非系列标准换热器的一般设计步骤9化工原理课程设计煤油冷却器的设计ⅰ了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。 ⅱ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。 ⅲ决定立体通入的空间。 ⅳ计算流体的定性温度，一确定流体的物性数据。 ⅴ初算有效平均温差。一般先按照逆流计算，然后再校核。 ⅵ选取管径和管内流速。 ⅶ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颈、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，然后再校核。 ⅷ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 面积是计算值的 1.15-1.25 倍。 ⅸ择管长 l。 ⅹ计算管数 n 并校核管内流速，确定管程数。 xi 校核对流传热系数及有效平均温差；校核传热面积，应有一定 安全系数，否则需要重新设计。 xii 计算流体流动阻力。如果阻力超过允许范围，需要调整设计， 直至满意为止。 2.系列标准换热器选用的设计步骤 ⅰ至ⅴ与 1 相同。 ⅱ选取经验的传热系数 k 值。 ⅲ计算传热面积。 ⅳ由系列标准选取换热器的基本参数。10化工原理课程设计煤油冷却器的设计ⅴ校核传热系数，包括管程、壳程对流传热系数的计算。假如核 算的 k 值与原选择的经验值相差不大，就不再进行校核；如果相差较 大，则需重新假设 k 值并重复上述ⅱ一下步骤。 ⅵ校核有效平均温差。 ⅶ校核传热面积，使其有一定的安全系数，一般安全系数取 1.1-1.25，否则需要重新设计。 ⅷ计算流体流动阻力，如果超过允许范围，需重新选换热器的基 本参数再行计算。 由此可知，换热器的传热设计，实际上是一个反复试算的过程， 有时需要反复试算 2-3 次。所以换热器设计计算带有试差性质。 传热计算的主要公式 传热速率方程式 q=ksδtm式中 q—传热速率（热负荷）,w； k—总传热系数，w/（m2℃） ； s—与 k 值对应的传热面积，m2； δtm—平均温度差，℃。 1.传热速率（热负荷）q 传热的冷热流体均没有相变化，且忽略热损失，则q = whcph(t1-t2)=whcph ( t1-t2 )式中 w---流体的质量流量，kg/h；cph --定压比热容，kj/（kg℃） ；t—热流体的温度，℃；11化工原理课程设计煤油冷却器的设计t—冷流体的温度，℃； 流体有相变化时，则q = whrwhcph ( t1-t2 )式中 w—饱和蒸汽的冷凝速率，kg/h； r—饱和蒸汽的汽化热，/kg/kj。 平均温度差δtm 恒传热时的平均温度差δtm=t-t 变温传热的温度差 逆流和并流 t1 ≥ 2
tm=式中δt1、δt2 换热器两端热冷流体的温度差，℃。 错流和折流 t m =
t m丿设计过程中的具体计算： 式中tm丿—按逆流计算的平均温度差，℃t--温差校正系数，无量纲， t = f ( p,r )总传热系数 k12化工原理课程设计煤油冷却器的设计式中 ； k—总传热系数，w/（m2℃）α， --传热管内、外侧流体的对流传热系数，w/（m ℃） α ；i 02rsi，rs0 --传热管内外侧表面上的污垢热阻，m ℃/w；2di， 0， m --传热管内径、外径及平均直径，m； d dλ --传热管比导热系数，w/（m ℃） ；2b—管壁厚度，m。 ①物性数据的确定：定性度取流体进口温度平均值140 + 40 =90℃ 2 30 + 40 管程流体的定性温度：t= =35℃ 2壳程煤油的定性度：t=根据定性温度，可以查取管程和壳程流体的有关物性数据。 煤油在 90℃下的物性数据： 密度：ρ0=825kg/m3 定压比热容：cp0=2.22kj/（kg℃） 导热系数：λ0=0.140w/（m2℃） 粘度：μ0=0.000715pas 循环冷却水在 35℃下的物性数据： 密度：ρi=994kg/m3 定压比热容：cpi=4.08kj/（kg℃） 导热系数：λi=0.626w/(m2℃) 粘度：μi=0.000725pas ②总传热系数的计算13化工原理课程设计煤油冷却器的设计1.热流量：m0=17×104×103/(330×24)=2.15×104(kg/h) q0= m0co δ to=2.15 × 104 × 2.2 × （ 140-40 ） =4.773 × 106kj/h=1325.8kw 2.平均传热系数:t ′m =(t1-t2)/ln(t1/t2)=[(140-40)-(40-30)]/ln[(140-40)/(40-30)]=39(°c)3.冷却水用量： wi =q0/(c iδti)= 4.773×106/[4.08×(40-30)]=1.175×105kg/h 4.总传热系数 k 管程传热系数re = ui d i ρ iii=0.02 × 1.0 × 994 = .25 × 10
40.40.8&&&&cpui
2 α i=0.023 λ
diuiiρ i&&&&=4805.2 w/（m ℃）
壳程传热系数α0=290w/（m2℃） 污垢热阻 表二 流体的污垢热阻加热流体的温度，℃ 水的温度，℃ 水的流速，m/s 污垢热阻，m2.℃/w 海水 自来水，井水，锅炉软水 蒸馏水 硬水 河水流体的污垢热阻 小于115 115-205 小于25 大于25 小于1.0，大于1.0 小于1.0，大于1.0 0. -4 1.. -4 5.. 1. -4 3.. -4 8..由上表可得：14化工原理课程设计煤油冷却器的设计rsi=0.℃/w rs0=0.℃/w 管壁的导热系数λ=45.3w/（m℃）k= 1 do d b
do 1 + rsi o + + rso + αi
d m αo3=1 25 × 10 0.025 2.5 × 10 3 × 25 × 10 3 1 4 + 3.44 × 10 × + + 1.72 × 10 4 + 3 4805.2 × 0.02 0.02 290 45.3 × 22.5 × 10 = 228.75 w /(m 2
k )) （③传热面积的计算 s 丿=q 1325.8 × 10 3 =148.6（m2） = k t m 233.67 × 39（m2）又需要考虑 15％的面积裕度 s=1.15×148.6=170.89 ④工艺结构尺寸的计算1.选用的是φ25×2.5 的传热管（碳钢） ，取管内流速 ui=1.0m/s 管程数和传热管数 2.由传热管内径和流速确定单程传热管数1.175 × 105 （994 × 3600） / = ≈ 104 n s= π 2 0.785 × 0.022 × 1.0 di u 4 v按单程关计算所需传热管的长度l=s 170.89 = = 18.2 （m） π dons 3.14 × 0.025 ×104单程管计算，传热管过长，采用多管程结构。取 l=4.5m，则换热 器的程数为np = l 18.2 = ≈4 l 4.515化工原理课程设计煤油冷却器的设计传热管总根数 n=4×104=416(根) 3.平均传热温差及校正壳程数 平均传热温差校正系数 r=140
30 =0.091 p= 140
30按单壳程，四管程结构，温差校正系数查有关图表可得 φδt=0.82 平均传热温差 δtm=φδt t′m =0.82×39=32（℃） 4.传热管的排列和分程方法 采用组合排列方法，即每程内均按正三角形排列。取管心距 t=1.25d0，则 t=1.25×25=31.25≈32（mm） 横过管束中心线的管数 nc=1.19 n =1.19 416 =24(根) 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 d=1.05t n/η =1.05 × 32 416/0.7 =819 ,取 d 为 800 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 切去圆缺高度 h=0.25×800=200（mm） 取折流板间距 b=0.3d,则16化工原理课程设计煤油冷却器的设计b=0.3×800=240（mm） ，可以取 b 为 300mm。 折流板数 nb=传热管长 4500 1 =
1 = 14 （块） 折流板间距 300折流板圆缺面水平装配。 7.接管 壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为 1.0m/s，则接管内径 为4v 4 × 2.15 × 10000 /(3600 × 825) = = 0.096 m 3.14 × 1.0 πud=取标准管径为 100mm 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u=1.5m/s，则接管内 径为d=m4v 4×1.17×0 994 /( × ) = = 0.167 πu 3.14×1.5取标准管径为 160mm。 ⑤ 换热器的核算 1.壳程对流传热系数 对圆缺型折流板，课采用克恩公式1/3 rα 0 = 0.36λ0d0re 00.55p 0
w 0.14当量直径，有正三角形排列的 3
= 0.020 m） de =
= （ 3.14×0.025 πd0壳程流通截面积17化工原理课程设计煤油冷却器的设计 d0
= 0.3 × 0.8 1
= 0.0525 m ） t
0.032 壳程流体流速及其雷诺数分别为2.15 × 104 （3600 × 825） / u0 = = 0.138 m/s） （ 0.0525re 0 =0.02 × 0.138 × 825 = .000175普兰特准数2.22 × 104 715 × 106 pr = = 11.33 0.140粘度校正α 0 = 0.36×0.14 ×
×11.331/3 × 0.95 = 478.1 0.022.管程对流传热系数α i = 0.23λidir e 0.8 p r 0.4管程流通截面积si = 0.785 × 0.02 2416 = 0.管程流体流速及其雷诺数1.17 ×105 （3600 × 994） / ui = = 1.01m/s 0.032656re =0.02 × 1.01 × 994 = 725普兰特准数4.18 ×103 × 0.000725 pr = = 4.84 0.62618化工原理课程设计煤油冷却器的设计αi = 0.023×3.传热系数k=0.626 × ×4.840.4 = .021 do d b
do 1 + rsi o + + rso + di λ
di αo31 25 × 10 0.025 2.5 × 10 3 × 25 ×10 3 1 4 + 1.72 × 10 4 + + 3.44 × 10 × + 3 4843.2 × 0.02 0.02 478.1 45.3 × 22.5 × 10 = 330.67 w /(m 2
k )) （ =4.传热面积q 1325.8 × 10 3 s= = = 125.3m 2 k
tm 330.67 × 32该换热器的实际传热面积sp = πd0l(n-nc） ×0.025×4.5× 416-24） =3.14 （ =138.47m2由前面所得 d=800,b=300,且取管长 l 为 4.5m 时，查国标得换热器 实际传热面积 s p 应为 148.5m2，则 该换热器的面积裕度为h=sp-s 148.5-125.3 ×100%= ×100%=18.52% s 125.3换热器内流动阻力 1.管程流动阻力σ
p 2 ) f tn s n pn s = 1 ,n p = 4 ,f t = 1 .4 l ρu2 ρu2 p 1= λ i ， p 2= ζ d 2 2由 re=27695，传热管相对粗糙度为 0.005，查莫狄图得19化工原理课程设计煤油冷却器的设计λ i =0.033w/(m℃)，流速 u =1.01m/s，ρ=994kg/mi34.5 1.012 × 994 p1=0.033 × × = 3764.4 pa） （ 0.02 2 ρu2 1.012 × 994 = 3× = 1521 pa） p1 = ζ （ 2 2 （ ） （ σpi = 3764.4 + 1521 ×1.4 × 4 ×1 = 31712.4 pa）管程流动阻力在允许范围之内，小于 105pa。 2.壳程流动阻力σp0= p1丿+p2丿 ftns()n s = 1 ,f t = 1 .1 5流体流经管束的阻力p = f f 0n cn b+1 ）丿 1ρu220f=0.5， n c=24f0 = 5re 00.228 = 5×
= 0.795nb=14,丿
1u0=0.1380.1382 ×825 p = 0.5× 0.795× 24× (14+1) × = 1124.1 pa） （ 2流体流过折流板缺口的阻力p丿 22b ρ u02 = n b (3 .5 ) d 2b=0.3m, d=0.8m丿
22 × 0.3 825× 0.1382 p = 14 × (3.5) = 302.4 pa） （ 0.8 2总阻力20化工原理课程设计煤油冷却器的设计σp0 = （1124.1 + 302.4） 1426.5 pa） = （壳程流动阻力也小于 105pa，符合要求。 六、设计结果概要表（主要设备尺寸及衡算结果） 设计结果概要表（主要设备尺寸及衡算结果）计算结果表 换热器类型：固定管板式 2 换热面积：148.5m 名称 管程 壳程 物料名称 自来水 煤油 操作压力kpa 4 1 操作温度，℃ 30/40 40/140 5 4 流量，kg/h 1.17×10 2.15×10 3 994 825 流体密度，kg/m 流速，m/s 1.01 0.138 1325.8 传热量，kw 2 330.67 总传热系数，w/m .k 2 .1 对流传热系数，w/m .k 2 0..000172 污垢系数，m .k/w 阻力降，pa 6.5 程数 4 1 使用材料 碳钢 碳钢 管子规格：φ25×2.5 管数：416 管长：450mm 排列方式：正三角形 管间距：32mm 折流板形式：上下 间距：300mm 切口高度：25% 壳体内径：800mm七、主体设备计算及其说明 1.工艺条件 名称 物料名称 工作压力 定性温度 换热面积 管长 管程 自来水 0.1mpa 35℃ 157.2 m 2 4.5m 壳程 煤油 0.1mpa 90℃21化工原理课程设计煤油冷却器的设计2.封头的选择 上下两封头均选用标准椭圆形封头，根据 jb/t 标准， 封头为： dn 600 × 6,曲面高度h1 = 150mm, 直边高度h2 = 40mm. 。如图所示， 材料选用 20r 钢。下封头常与裙座焊接，h2=50mm，材料选用 20r 钢。3.管板尺寸确定 管板结构如下：由于固定管板式换热器管板计算十分复杂，需要综合考虑多种因素， 考虑到本次设计时间并不太充裕，故计算从略，仅采用下表选取。22化工原理课程设计煤油冷却器的设计4.换热管的选择 选用的是φ25×2.5 的碳钢管，通过上述计算定为四管程结构， 且公称直径 d=800mm。换热管排列图如下：我们计算所用换热管数为 416 根。 5.管板与管子连接 管子与管板的连接方式主要有以下三种：a 胀接；b 焊接；c 胀 焊接. 胀接用于管壳之间介质渗漏不会引起不良后果的情况，特别适23化工原理课程设计煤油冷却器的设计用于材料可焊性差（如碳钢换热管）及制造厂的工作量过大的情况。 由于胀接管端处在焊接时产生塑性变形，存在着残余应力，随着温度 的升高， 残余应力逐渐消失， 这样使管端处降低密封和结合力的作用， 所以胀接结构受到压力和温度的限制，一般适用于设计压力≤4mpa， 设计温度≤300 度，并且在操作中无剧烈地震动，无过大的温度变化 及无明显的应力腐蚀；焊接连接具有生产简单、效率高、连接可靠的 优点。通过焊接，使管子对管板有较好的增将作用；并且还有可降低 管孔加工要求，节约加工工时，检修方便等优点，故应优先采用。此 外，当介质毒性很大，介质和大气混合易发生爆炸介质有放射性或管 内外物料混合会产生不良影响时， 为确保接头密封， 也常采用焊接法。 焊接法虽然优点甚多， 因为他并不能完全避免“缝隙腐蚀”和焊接节 点的应力腐蚀，而且薄管壁和厚管板之间也很难得到可靠的焊缝。焊 接法虽然较胀接可以乃更高的温度，但是在高温循环应力的作用下， 焊口极易发生疲劳裂纹，列管与管孔存在间隙，当受到腐蚀介质的侵 蚀时，以会加速接头的损坏。因此，就产生了焊接和胀接同时使用的 方法。这样不但能提高接头的抗疲劳性能，同时可以降低缝隙腐蚀倾 向， 因而其使用寿命比单用焊接时长的多。 在什么场合下适宜施行焊、 胀接并用的方法，目前尚无统一标准。通常在温度不太高而压力很高 或介质极易渗漏时，采用强度胀加密封焊（密封焊是指单纯防止渗漏 而施行的焊接，并不保证强度） 。当在压力和温度都很高的情况下， 则采用强度焊加贴胀， （强度焊是即使焊缝有严密性，又能保证接头 具有较大的拉脱力， 通常是指焊缝强度等于管子轴向负荷下的强度时24化工原理课程设计煤油冷却器的设计的焊接） 贴胀的作用主要是消除缝隙腐蚀和提高焊缝的抗疲劳性能。 。 由于本换热器的工作压力为低压，且为低温操作，综合考虑各 种连接工艺的优缺点及使用范围最终确定采用焊接法， 在焊接法连接 管子与管板时，管板的硬度应该大于管子硬度，以保证在焊接时，管 子发生塑性形变时，管板仅发生弹性形变。通常管子材料选用 10、 20 优质碳钢，管板采用 25、35、q225 或低合金钢 16mn、cr5mo 等。 结合本次设计，管板采用 16mnr。 6.管箱的选择 dn≤400mm 为平盖管箱；500mm≤dn≤800mm 为平 盖管箱和封头管箱，推荐使用封头管箱；dn≥900mm，选择封头管箱。 （1）管箱接管位置最小尺寸，如图所示。可按下列公式计算： 带补强圈接管l2 ≥不带补强圈接管l2 ≥dh + h f+ c 2mmdh + h f+ c 2mm上面两式中取 c≥4s(s 为管箱壳体厚度，mm)且≥30mm。25化工原理课程设计煤油冷却器的设计（2）壳程接管位置最小尺寸，如下图。按下列公式计算： 带补强圈接管l1 ≥ dh +（b -4） +c 2不带补强圈接管l1 ≥ dh + （ b -4） +c 2l1/l2-------壳程管箱接管位置最小尺寸，mm； c-----------补强圈外边缘（无补强圈时，为管外壁）至管板（或 法兰）与壳体链接焊缝间的距离，mm；d h ---------接管外径，mm；d h ---------补强圈外圆直径，mm。3.折流板间距 s---------补强圈外圆直径，mm。 换热器折流板间距 s 见下表 表三 折流板间距26化工原理课程设计煤油冷却器的设计l，m dn 3 4.5 ≤700 ≤700 800--00 9 0 100 150 150 150 150 / / 200 200 200 200 200 / / / 250 250 250 / / / 300 300 300 300s / / / 350 350 350 / / 450或480 450或480 450或480 450 / / / / / 6007.定距管 根据 gb/t 流体输送用无缝钢管，采用φ25×2.5 的定 距管。 常用拉杆有两种形式，见下图。 a、拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于 19mm 的管 束； b、拉杆与折流板为点焊结构，适用于换热管外径小于或等于 14mm 的管束，l1≥d； c、当官板较薄时，也可采用其他链接形式。本换热器采用拉杆定距管结构。 6.拉杆的选择及数量27化工原理课程设计煤油冷却器的设计常用的拉杆结构有：拉杆定居管结构与拉杆与折流板点焊结构。 查换热器手册可得下表： 表四 拉杆的直径和数量公称直径 拉杆直径 拉杆数量 159-325 8 4 400-600 10 6 700-800 900-0 12 8 12 10 12 12 12 14由公称直径可以确定拉杆直径为 12。 8.支座的选取 公称直径 d≥800mm 的换热器，至少需要两个支座；公称直径 d ≥900mm 的换热器，需要四个支座。支座在换热器上的位置，应根据 工艺安装的要求来确定。其位置尺寸，一般按以下原则来确定。 （1）l≤30000mm 时，取 la=(0.4-0.6)l; l＞30000mm 时，取 la=(0.5-0.7)l;丿 且 lb≈ l 。b（2）lb 必须满足壳程接管焊缝与支座焊缝间之距离要求，即lb ≥ l1 + d + bc + c 2其中各个字母意义如图所示28化工原理课程设计煤油冷却器的设计式中： bc的数值，按 jb1167-81 中的 b 型，其值如下表 表五bc的数值表单位： mmdp bc dg bc325 400 450 500 600 700 800 900 68 105 00 00 00 5 175159219273所查手册按 la≈0.6l，并使 lb 满足上式的要求来确定 la 和 lb。 9.计算每四根管子之间的面积 f：f = 0.866t 2 π4 d 02则 f=3.959 × 10-4 。 胀 接 长 度 l1 取 管 板 厚 度 减 3mm ， 即 l1=40-3=37mm。所以在操作条件下，每平方米焊接周边所产生的力 qp 则qp =pf π
l1所以 qp=13641pa 计算管子中的温差应力 at、as ：a t =0.078m2 a=π
s s29化工原理课程设计煤油冷却器的设计a s =0.025 m2弹性模量 e：e=0.21×106mpa；膨胀系数κ：κ=11.8×10-6 所以有：σ =tκ
tts)1+代入数据有： σ t =6.616×106pa 温差应力导致的每平方米焊接周边上的拉脱力 q t：at asqt =σ (d 2
d 2 )t 0 i4
l1所以 q t =pa 由已知条件可知 q p 和 q t 作用方向相同，都是管子受压，则和 拉脱力为： q= q p + q t q==15129.6 因管端卷边或管板开槽焊接，则需用拉脱力为 [ q p ] =4.0mpa， 管板与换热管的许用拉脱力 [ q p ] 如下表 表六 连接形式 许用拉脱力 [ q p ] 胀接 40 焊接 0.5 σ t[q ]p因此拉脱力在需用范围之内。 10.壳体厚度的确定 计算得壳体内径 d=800mm，差标准尺寸如下 表七 壳体标准尺寸30化工原理课程设计煤油冷却器的设计壳体内径/mm 最小壁厚/mm325 8400，500，600，700 10800，900，1000 12 14壳体厚度选用 12mm。 11.计算是否需要安装膨胀节 膨胀节是装在固定板换热器上的挠性元件， 对于管子与壳体的膨 胀变形差进行补偿，以此来消除或减小不利的温差应力。 管、壳壁温差所产生的轴向力：f1 =ke
( tt-ts ) as + at5as
atf 1 = 2.817×10 nq2 =π
p4 0 0q2=2.94×104n压力作用于壳体上的轴向力：f2=q 2 as as + atf 2 = 6.02×103n压力作用于管子上的轴向力：f3=q 2 as as + atf 3 =3.129×104n所以σ =sf 1 +f 2 as31化工原理课程设计煤油冷却器的设计σ =s72.1×10 nα =t f1+f3 at-6α =-6.tn根据《钢制管壳式换热器的设计规定》 ，两项小于操作条件下的2 φ [σ] t ，故本设计的换热器不需要安装膨胀节。s通过对主题设备进行的计算，有国家标准规定选取各个零部件 的到匹配表如下.通过以上设计，根据 gb/t539，选用耐油石棉橡胶板作为垫片。 图纸） 八、主题装置图的绘制（见 a1 图纸） 主题装置图的绘制（ 九、附表及设计过程中主要符号说明； 附表及设计过程中主要符号说明；32化工原理课程设计煤油冷却器的设计表八换热器主要结构尺寸及计算结构换热器型式：带热补偿非标准的固定管板 管 子 规 φ25× 管数 442 管 长 式2格 管2.5 间 32根 排列方式4.5m 正 三 角形换热面积：152.7m距,mm 工艺参数 折 流 板 上下 型式 设备名称 管程 壳程间 距 ， 切 口 300mm 25%壳 体 内 800mm 保温层厚 无 需 径 度 保温物料名称循环水煤油 0.1 140/40接管表 序号 尺寸 用途 连 接 型式操 作 压 力 ， 0.1 mpa 操作温度，℃ 30/401dn200循环水入 平面 口流量，kg/h1.17×.14×10000 2dn200循环水出 平面 口密度，kg/m3994 1.01 1325.8825 0.1383 4 5 6dn100 dn100 dn20 dn50煤油入口凹 凸 面流速，m/s煤油出口凹 凸 面传热量，kw排气口凹 凸 面总传热系数， 330.67 w/m k 对 流 传 热 系 4843.22 2放净口凹 凸 面478.1数，w/m k 污垢热阻，m2 0.000344 k/w 阻力降，pa 程数 推荐使用材料
碳钢 0.00017233化工原理课程设计煤油冷却器的设计表九 热流体 水 轻油 重油 气体 水蒸汽冷凝 水蒸汽冷凝 低沸点烃类蒸汽冷凝 高沸点烃类蒸汽冷凝 水蒸汽冷凝 水蒸汽冷凝 水蒸汽冷凝列管式换热器传热系数经验值 冷流体 水 水 水 水 水 气体 水 水 水沸腾 轻油沸腾 重油沸腾 传热系数 w/（m2℃） 850- 60-280 17-280 -300 455- 5-34化工原理课程设计煤油冷却器的设计表十 流体 rs m2℃/kw常见流体污垢热阻 流体 rs m2℃/kw水（＞50℃） 蒸馏水 海水 清净的河水 未处理的凉水 已处理的凉水 已处理的锅炉 硬水、井水 气体 空气 溶剂蒸汽 0.26-0.53 0.172 0.09 0.09 0.21 0.58 0.26 0.26 0.58水蒸气 优质不含油 劣质不含油 液体 盐水 有机物 熔盐 植物油 燃料油 重油 焦油 0.172 0.172 0.086 0.52 0.172-0.52 0.86 0.172 0.052 0.09主要符号说明35化工原理课程设计煤油冷却器的设计p——压力，pa r——热阻，㎡·℃/w； s——传热面积，㎡； t——热流体温度，℃；s p ——实际传热面积， m 2v——体积流量 n——管数 d——壳体内径 d——管径 q——传热速率，w； re——雷诺准数； t——冷流体温度，℃； u——流速，m/s; m——质量流速，㎏/h;α ——对流传热系数 w/(㎡·℃); ——校正系数;λ ——导热系数，w/(m·℃) ——粘度，pa·s； ρ ——密度，㎏/3pr——普郎特系数； n——板数，块； k——总传热系数， w / m 2 ℃十、后记：化工原理课程设计的收获及感想。 后记：化工原理课程设计的收获及感想。 的收获及感想36化工原理课程设计煤油冷却器的设计本次化工原理课程设计，老师并不是像以往一样给精馏塔的设 计题目，而是换热器的设计。全班共有两组数据，分别为 15×104 吨/ 年和 17×104 吨/年。我们组的设计任务是 17×104 吨/年。确定任务 后，组员进行分工合作来确定实验方案、选择流程、查取资料、进行 过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的 分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。 在设计过程中，往往会遇到很多问题。设计过程中所涉及到得 一些知识来源于我们平时所学，联系最紧密的应该就是《化工原理》 和《工程制图》 。开始根本不知道从何下手，在第一天老师来辅导后， 大概知道了设计步骤。了解到整个计算过程后，我开始选择公式。最 先假设管程自来水的流速，有余有一个范围，先前没有经验，只能随 便设定一个值进行计算，再核算。刚开始选取的数据并不好，但后来 算过一遍后，有了点技巧，最终取管程流速为 1.0m/s。 在进行工艺计算过程中，因为有很多复杂的公式，所以我使用 了 mathtype 公式编辑器来输入，很方便快捷。如今工业发展迅速， 网上有很多管业换热器计算的信息及应用软件， 我们在设计过程中也 应该有选择的充分利用这些资源。 在进行结构设计时，需要查阅各种零件的尺寸及规定的标准， 必须按照国家标准规定来进行设计。 此外，整个设计过程中，制图占很大比例。由于我的工程制图 基础不好，所以在画图这一块我花费了很长时间，同学也帮助了我很 多，画图的技巧也学习了一些。37化工原理课程设计煤油冷却器的设计通过本次设计，我学会了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，以及如何计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。通 过课程设计可以巩固对主体设备图的了解， 以及学习到工艺流程图的 制法。对化工原理设计的有关步骤及相关内容有一定的了解。通过本 次设计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。在设计的过程培养了大胆假设，小心求证的学习态度。通过本次 课程设计，我还认识到，组员之间一定要多沟通，多交流意见，要不 然，一个人的能力再怎么强，在团体工作中也是不能够出色完成设计 任务。但由于本课程设计属第一次设计，而且时间比较仓促，查阅文 献有限，本课程设计还不够完善，不能够进行有效可靠的计算。 最后，非常感谢我的同组人员，正是有他们在一起讨论，有了他 们的帮助，才使我更快更顺利地在较短时间内完成本设计。38化工原理课程设计煤油冷却器的设计十一、参考文献： 十一、参考文献： 1.《化工原理课程设计》 （化工传递与单元操作课程设计） 贾绍义， 柴敬城主编，天津大学大学出版社 2.《化工原理》 ，下册，夏清，姚玉英 3.《换热器手册》 ，钱颂文主编，化学工业出版社 4.《管壳式换热器手册 gb151》 5. 《化工工程制图》 ，魏崇光，郑晓梅主编，化学工业出版社 6.《化工原理课程设计》 ，大连理工大学化工原理教研室编，大连 理工大学出版社 7. 中华人民共和国国家标准.gb151-89 钢制管壳式换热器.国家 技术监督局发布，1989 8. 时均等.化学工程手册(第二版，上卷).化学工业出版社39
14:05:22 11:45:55 07:59:48 07:32:28 05:35:20 01:21:56 01:21:55 00:47:21 00:46:35 00:25:24