化工原理換熱器課程設計

1、 重慶理工大學化工原理課程設計說明書題 目： 柴油預熱原油的管殼式換熱器 學生班級： 111150201 學生姓名： 何吉雨 學生學號： 指導教師： 白薇揚 化學化工學院 2014 年 6 月 13 日 目 錄1.設計任務書12.概述23.設計條件及物性參數(shù)表24.方案設計和擬定35.設計計算66.熱量核算117. 參考文獻168.心得體會171設計任務書1.1設計題目用柴油預熱原油的管殼式換熱器1.2設計任務1.查閱文獻資料，了解換熱設備的相關知識，熟悉換熱器設計的方法和步驟；2.根據(jù)設計任務書給定的生產任務和操作條件，進行換熱器工藝設計及計算；3.根據(jù)換熱器工藝設計及計算的結果，進行換熱器

2、結構設計；4.以換熱器工藝設計及計算為基礎，結合換熱器結構設計的結果，繪制換熱器裝配圖；5.編寫設計說明書對整個設計工作的進行書面總結，設計說明書應當用簡潔的文字和清晰的圖表表達設計思想、計算過程和設計結果。1.3操作條件物料溫 度 質量流量kg/h比 熱kJ/kg.密 度kg/m3導熱系數(shù)W/m.粘度Pa.s入口出口柴油170T2350802.487150.1330.64×10-3原油60105411042.208150.1283.0×10-32. 概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器,簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體,一種流體溫度較高,放出

3、熱量;另一種流體則溫度較低,吸收熱量在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設備,并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導地位。3.設計條件及物性參數(shù)表3.1操作條件原油：入口溫度60 出口溫度105 質量流量：41104 kg/h加熱介質柴油：入口溫度170 出口溫度T2 質量流量：(35080)kg/h允許壓降：不超過0.3×105Pa 3.2物性參數(shù)表物料

4、溫 度 質量流量kg/h比 熱kJ/kg.密 度kg/m3導熱系數(shù)W/m.粘度Pa.s入口出口柴油170T2350802.487150.1330.64×10-3原油60105411042.208150.1283.0×10-34.方案設計和擬訂根據(jù)任務書給定的冷熱流體的溫度，來選擇設計列管式換熱器中的浮頭式換熱器；再依據(jù)冷熱流體的性質，判斷其是否易結垢，來選擇管程走什么，殼程走什么。在這里，柴油走管程，原油走殼程。從手冊中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密度，比熱容，導熱系數(shù)，黏度。計算出總傳熱系數(shù)，再計算出傳熱面積。根據(jù)管徑管內流速，確定傳熱管數(shù)，標準傳熱管長為6m，算出傳熱管程

5、，傳熱管總根數(shù)等等。再來就校正傳熱溫差以及殼程數(shù)。確定傳熱管排列方式和分程方法。根據(jù)設計步驟，計算出殼體內徑，選擇折流板，確定板間距，折流板數(shù)等，再設計殼程和管程的內徑。分別對換熱器的熱量，管程對流系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進行核算，再算出面積裕度。最后，對傳熱流體的流動阻力進行計算，如果在設計范圍內就能完成任務。4.1列管式換熱器種類選取 根據(jù)固定管板式的特點：結構簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結垢的物料。U形管式特點：結構簡單，質量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結垢的物料。浮頭式特點：結構復雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應

6、力，應用普遍。我們設計的換熱器的流體是油，易結垢，再根據(jù)可以完全消除熱應力原則我們選用浮頭式換熱器。4.2管程與殼程的選取根據(jù)以下原則：1. 不潔凈和易結垢的流體宜走管內，以便于清洗管子2. 腐蝕性的流體宜走管內，以免殼體和管子同時受腐蝕，且管子也便于清洗和檢修3.壓強高的流體宜走管內，以免殼體受壓4.飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關系不大5.被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。6.需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。7.粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間因

7、流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)，我們選擇柴油走管程，原油走殼程。4.3流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經濟衡算才能定出。此外，在選擇流速時，還需考慮結構上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟?/p>

8、差下降。這些也是選擇流速時應予考慮的問題。在本次設計中，根據(jù)表換熱器常用流速的范圍，取管內流速4.4管子的規(guī)格和排列方法選擇選擇管徑時，應盡可能使流速高些，但一般不應超過前面介紹的流速范圍。易結垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標準中僅有25×2.5mm及19×mm兩種規(guī)格的管子。在這里，選擇 25×2.5mm管子。管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標準鋼管長為6m，則合理的換熱器管長應為1.5、2、3或6m。此外，管長和殼徑應相適應，一般取L/D為46(對直徑小的換熱器可大些)。在這次

9、設計中，管長選擇4m。管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列等，等邊三角形排列的優(yōu)點有:管板的強度高；流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產生污垢的場合；但其對流傳熱系數(shù)較正三角排列時為低。正方形錯列排列則介于上述兩者之間，即對流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當?shù)靥岣摺９茏釉诠馨迳吓帕械拈g距 (指相鄰兩根管子的中心距)，隨管子與管板的連接方法不同而異。通常，脹管法取t=(1.31.5)d，且相鄰兩管外壁間距不應小于6mm，即t(d+6)。焊接法取t=1.25d4

10、.5管程和管殼數(shù)的確定當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時，有時會使管內流速較低，因而對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導致管程流體阻力加大，增加動力費用；同時多程會使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設計時應考慮這些問題。列管式換熱器的系列標準中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時，通常應使每程的管子數(shù)大致相等。根據(jù)計算，管程為6程，殼程為單程。4.6折流擋板安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度，使湍動程度加劇，以提高殼程對流傳熱系數(shù)。最常用的為圓缺形擋板，切去的弓形高度約為外殼內徑的1040，一般取2025，過高或過低

11、都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離(板間距)B為外殼內徑D的(0.21)倍。系列標準中采用的B值為:固定管板式的有150、300和600mm三種，板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對流傳熱系數(shù)下降。這次設計選用圓缺形擋板。換熱器殼體的內徑應等于或稍大于(對浮頭式換熱器而言)管板的直徑。初步設計時，可先分別選定兩流體的流速，然后計算所需的管程和殼程的流通截面積，于系列標準中查出外殼的直徑。5設計計算5.1確定設計方案5.1.1 選擇換熱器的類型因為，所以， =得到=123.2256 兩流體溫度變化情況：熱流體（柴油）進口溫度170，出口溫度123.22

12、56；冷流體（原油）進口溫度60，出口溫度105。該換熱器用柴油預熱原油，為易結垢的流體。該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。5.1.2 流動空間及流速的測定為減少熱損失和充分利用柴油的熱量，采用柴油走管程，原油走殼程。選用25×2.5mm的碳鋼管，根據(jù)表三管內流速取u i=1.0m/s。.5.2確定物性數(shù)據(jù)根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。柴油的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度 定壓比熱容）導熱系數(shù) 黏度 原油的物性數(shù)據(jù)：密度 定壓比熱容）導熱系數(shù) 黏度 5.3計算總傳熱系數(shù)5.3.1 熱流量5.3.2 平均傳熱溫差 5.3.3 總傳熱系數(shù) K

13、 管程傳熱系數(shù) 殼程傳熱系數(shù) 假設殼程的傳熱系數(shù) 污垢熱阻 管壁的導熱系數(shù) 5.4計算傳熱面積 考慮15%的面積裕度， 5.5工藝結構尺寸5.5.1 管徑和管內流速 選用傳熱管(碳鋼),取管內流速5.5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù) 按單程管計算,所需的傳熱管長度為 按單程管設計,傳熱管過程,宜采用多管程結構。現(xiàn)取傳熱管長， 則該換熱器管程程數(shù)為 傳熱管總根數(shù)5.5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù) 按單殼程, 4管程結構,溫差校正系數(shù)應查附圖一對數(shù)平均溫度校正系數(shù)。 可得 平均傳熱溫差 5.5.4 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法,即每程內均按

14、正三角排列,隔板兩惻采用正方形排列.取管心距,則橫過管束中心線的管數(shù) 5.5.5 殼體內徑 采用多管程結構,取管板利用率,則殼體內徑為 圓整可取5.5.6 折流板 采用弓形折流板,取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%,則切去的圓缺高度為 取折流板間距， 則 可取B為200mm。 折流板數(shù) 折流板圓缺面水平裝配。5.5.7 接管 殼程流體進出口接管:取接管內流速為，則接管內徑為 取標準管徑為150mm。 管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速，則接管內徑為 取標準管徑為150mm。5.6熱量核算5.6.1.1 殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板,可采用凱恩公式 當量直徑,由正方形排列得 殼程流通

15、截面積 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普蘭特準數(shù) 粘度校正 5.6.1.2 管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積 管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普蘭特準數(shù) 5.6.1.3 傳熱系數(shù) K 5.6.1.4 傳熱面積 S 該換熱器的實際傳熱面積 該換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度大,該換熱器能夠完成生產任務5.6.2 核算壓力降5.6.2.1 管程壓力降 , , , 由，傳熱管相對粗糙度，查附圖二摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)及相對粗糙度的關系得，流速， 所以 管程壓降在允許范圍之內。5.6.2.2 殼程壓力降 流體流經管束的壓降 ， 1 流體流過折流板缺口的壓降 ， 總壓降 殼程壓降也比較適宜。5.6.2.3 換

16、熱器主要結構尺寸和計算結果表1冷熱流體物性數(shù)據(jù)表物料名稱操作壓操作溫度污垢系數(shù)導熱系數(shù)比熱流體密度粘度MPam2./WW/m.kJ/kg. kg/m3Pa.s 柴油<0.03170/123.22560.0001720.1332487150.00064原油<0.0360/1050.0001720.1282.208150.00300表2 工藝設備尺寸表換熱器型式換熱面積/管子規(guī)格管數(shù)管長管間距排列方式折流板型式間距切口高度殼體內徑浮頭式式72.7768176600032正方形上下2001305807.參考文獻1柴誠敬,張國亮等化工流體流動與傳熱M北京：化學工業(yè)出版社2馬江權，冷一欣等?；ぴ碚n程設計。北京：中國石化出版社，20093匡國柱，史啟才化工單元過程及設備課程設計M北京：化學工業(yè)出版社，20024夏清，賈紹義?；ぴ恚ㄉ蟽裕?天津：天津大學出版社，2013 5劉積文主編，石油化工設備制造概論，哈爾濱；哈爾濱船舶工程學院出版社，19898.心得體會在此次的課程設計中，由于處理的數(shù)據(jù)量龐大，對換熱器一塊的知識量需求較大也較深入，所以在做該次課程