逆流传热煤油冷却器计划书.docx

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逆流传热煤油冷却器计划书

逆流传热煤油冷却器计划书

一、设计题目：

根据条件设计合适的换热器（煤油冷却器的设计）

设计任务及操作条件：

1.煤油：

入口温度150℃，出口温度50℃；运行表压1bar。

2.冷却介质：

凉水塔中处理过的补给水，入口温度30℃，出口温度50℃；运行表压3bar。

二、流程和方案的说明和论证1.传热过程易采用逆流传热方式，因为逆流平均推动力大于并流；选用单壳程四管程固定式列管换热器；

2.流体空间的选择：

由于煤油流量为14T/h，且由于水的定性温度t＝1/2（50+30）=40℃，煤油定性温T=1/2（150+50）＝100℃，煤油的定性温度查得相应的物性值：

煤油的粘度：

μ油＝0.81×10-3Pa.S密度：

ρ油＝818kg/m3C油＝2.26kJ/（kg.℃）λ油=0.135W/（m.℃）

水的粘度：

μ水＝0.656×10-3Pa.S密度：

ρ水=992.2kg/m3C水＝4.174kJ/（kg.℃）λ水=0.6333W/（m.℃）高温流体一般走管程，因为高温会降低材料的许用应力，高温流体走管程可节省保温层和减少壳体厚度；腐蚀性较强的流体应该走管程，可以节省耐腐蚀材料；较脏和易结垢的流体走管程，以便于清洗和控制结垢，如必须走管程，则可采用正方形排列，并采用可拆式换热器。

且煤油为热物体，易放在管壳。

流体空间的选择还与粘度、压力降、流速、传热膜系数等因素有关。

根据上述原则及水和煤油的物性参数，最终设计煤油走管壳，水走管程。

结构与结构参数的选择

a）直径小的换热器不仅便宜，而且可以获得较好的传热膜系数与阻力系数的比值。

但管径愈小则换热器的压降愈大，在满足允许压力的前提下，一般推荐用外径为19mm，对于易结垢的流体，为方便清洗，采用外径为25mm的管子

b）管长无相变的换热器时，管子较长则传热系数也增大，在相同的传热面积的情况下，采用长管流动截面积小，流速大，管程数小，从而减小了回弯次数，因而压降也较小；但是罐子过长会带来制造的麻烦，因此一般选用4—6米，对于传热面积大的，若无相变的可用8—9米。

c）管子的排列和管心距三角形的有利于壳程流体达到湍流。

正方形有利于壳程的清洗。

因此产生了转过一定角度的正方形排列和留有清洗通道的三角形排列。

三、计算过程

1）温差校正系数

继续计算得

差温差修正系数图得Φ=0.84

2）热负荷Q=W1Cp1（T1-T2）=14000×2.26×100=3.164×106KJ/h

取η=0.85Q有效=ηQ=0.85×3.164×106=2.69×106KJ/h

平均推动力

△tm=[（T1-T2）-（t2-t1）]/ln[（T1-T2）/（t2-t1）]=49.7℃

取K=250W/（m.℃）

换热面积A=Q有效/（△tm·KΦ）=2.69×106÷49.7÷250÷0.84÷3.6=71.6m2

查管壳式热交换器系列标准（JB/T4715-92），初步选取管长L=4.5m，管子选用Ф=25×2.5mm的无缝钢管，壳直径DN=0.6m。

管子数n=A/（π×0.025m×4.5m）=202.7

取管子数NT=204，管子在壳内呈正三角形排列。

3）管程核算

（1）压降核算

Q有效=ηQ=W2Cp2（t2-t1）=W2×4.174×20=2.69×106KJ/h

求得W=8.95kg/s

管内水流速u=W2/（ρ2·n·π0.012）

=8.95÷992.2÷51÷π÷0.012

=0.56m/s

Re=duρ/μ=0.02×0.56×992.2÷0.000656=16940

无缝钢管ε取0.1，查表得在该Re下的摩擦系数λ=0.035

对于管正三角形排列，ft=1.5

管程压降ΔP=（λl/d+3）ftNpρu2/2

=（0.035×4.5÷0.02+3）×1.5×4×992.2×0.562÷2=7.45KPa

查表得，操作压力大于0.17MPa时，ΔP允许=34KPa，负荷压降要求。

（2）给热系数核算

Re>10000管程给热系数a1=0.023λ/d·Re0.8·（Cp·μ/λ）0.4

=0.023×0.633÷0.02×169400.8×4.70.4

=3159.8W/（m2·K）

a1>K，计算的管程给热系数符合要求。

4）壳程核算

（1）压降核算

折流板间距B选用200mm，折板数NB=21NTC=1.1×2040.5=16

流通面积A0=B（D-NTCd0）=0.2×（0.6-16×0.025）=0.04m2

油流速u0=G1/（ρ·3600·A0）

=14000÷818÷3600÷0.01=0.11875m/s

Re=duρ/μ=0.025×0.475×818÷0.00081=2998

F0=5.0×Re-0.228=0.806

对于液体，校正系数fs取1.15

壳程压降ΔP=[Ff0NTC（NB+1）+NB（3.5-2B/D）]fsρu02/2

=[0.5×0.806×16×22+21×（3.5-2×0.2÷0.6）]×1.15×818×0.118752÷2=1335.5Pa

查得操作压力P在0-0.1Mpa时，允许的压降ΔP=0.5P=0.5bar=50kpa

壳程压降复合要求。

（2）给热系数核算

对于管道正三角形排列，管中心距L取0.032。

流通面积A'=BD（1-d0/L）=0.20×0.6×（1-0.025÷0.032）

=0.026m2

流速u'=G1/（ρ·3600·A'）=14000÷818÷3600÷0.026=0.183m/s

对于管道正三角形排列，

当量直径de=4（/2·L2-π/4·d02）/πd0

=4（/2×0.0322-π/4×0.0252）÷π÷0.025

=0.02m

Re=de·u·ρ/μ=0.02×0.183×818÷0.00081

=3696>2000

Nu=0.36Re0.55Pr1/3（μ/μW）0.14

=0.36×36960.55×（13.56）1/3×0.950.14

=78

a0=λ/de·Nu

=0.137÷0.02×78

=527W/（m2·K）

a0大于K，故符合要求。

5）总传热系数K核算

查表，R水=0.21×10-3m2·K·W-1，R油=1.065×10-3m2·K·W-1,钢管传热率λ=45W/（m·℃）

K’=1/（1/a1+R水+R油+δ/λ+1/a0）

=1000÷（0.316+0.21+1.065+0.056+1.897）

=282.1W/（m2·K）

A/A计=K’/K=282.1÷250=1.13,符合要求。

4）细部结构的设计

1.筒体考虑到造作压力很小，选用8mm的A3F钢板，以节省钢材，降低设备重量和设备制造费用。

2.封头根据确定的筒体直径600mm，采用椭圆标准封头，查得公称直径600mm，直边高度25mm的封头，壁厚与筒体相同。

3.法兰采用JB/T4701-2000（压力容器法兰）标准，选用PN=0.6Mpa下，公称直径=600mm的甲型平焊标准法兰。

4.管板

尺寸根据壳体直径和操作压力，查GB151-1999标准，取DN=600mm，b=40mm的标准管板。

组合之前已经确定换热器为一壳程四管程，因此选用b，d组合的管板，详细图样见图纸。

5.接管考虑低黏度液体比较经济的传输速度，在此取u=1m/s来设计

管程接管接管横截面积A=W/ρu=8.95÷992.2÷1=0.009m2

计算得接管内径d=0.107m查取无缝钢管标准，取公称直径108mm，壁厚4.5mm的无缝钢管。

壳程接管接管横截面积A‘=G/ρu=14000÷3600÷818÷1=0.00475m2计算得接管内径d'=0.078m接管长度ll>h+h1+δ+15即可，在此选用240mm。

查取无缝钢管标准，取公称直径80mm，壁厚3.5mm的无缝钢管。

6.螺母和双头螺柱根据所选的法兰，选用配套的标准螺母和双头螺柱。

7.折流板形状：

选用弓形的折流板。

厚度：

由于板间取的200mm<300mm，折流板的厚度选用4mm

8.拉杆与定距拉杆的直径

换热管的直径为25mm，拉杆直径对应选用16mm。

拉杆数量

对应的拉杆直径和壳体公称直径，选用4根拉杆。

定距管一般与换热管的尺寸一样，选用Φ25×2.5mm的钢管。

9.其他部件

垫片选用对应的石棉橡胶板。

折流板间距小于600mm，不需要防冲板。

挡板选用与管板对应的挡板，厚度取8mm

5）强度核算

1.壳体强度核算

壳体能承受的压力

壁厚腐蚀余量为3mm，有效壁厚δ=5mm。

P=【σ】φ·2δ/D

=113×0.85×2×5÷616

=1.56Mpa

P>P水压=0.25Mpa

壳体强度符合要求

2.封头强度核算

封头有效壁厚同样为5mm

封头能承受的压力P=δ2【σ】φ/（0.5δ+Di·K）

形状系数K=1/6【2+（Di/2hi）2】

=1/6×【2+（600÷2÷150）2】

=1

所以P=0.005×2×113×0.85÷（0.5×0.005+0.6×1）

=1.59Mpa

P>P水压'=0.5Mpa

所以封头强度也符合要求。

3.换热管强度核算

钢管能承受的压力

钢管负偏差为10%，有效壁厚为2.5-2.5×10%=2.25mm

P=2δ【σ】/D

=2×2.25×113÷（20+2.25）

=22.85Mpa

P>P水压=0.5MPa

换热管强度符合要求。

四、流程图

1.工艺流程图

2.设计流程图

五、设计感想

经过此次对煤油冷却器的设计，我才开始对化工设计有了初步的了解。

首先，需要查询相关的书籍，要对设计的对象有一定的了解，而课本中学到的知识是远远不够的。

要清楚都有哪些部分组成，以及每一部分的作用和相互之间的联系。

并且要思路清晰，明白冷却器是如何工作的。

本次设计主要遇到的问题有两个方面：

第一，在设计的计算过程中，由于许多数据不能查出，只能先假设，算出结果后再验证校核。

由于缺少这一方面的经验，假设出不合理的数据也是在所难免的，再经过一次一次不断的修改，使结果符合要求。

第二，对于用AutoCAD画图还是有一定难度。

由于自身因素，没有掌握这一门技巧，使我在此次设计中显得束手无策，无从下手。

通过自己几天的摸索以及别人不断地指导，我才掌握了少部分技巧。

此次由于赵老师的悉心指导以及搭档的互相帮助，我才能够完成这个设计，不仅锻炼了我的自主设计能力，而且明白了团队合作的力量是巨大的，是任何困难都难以摧毁的。

六、参考文献

1.换热器设计手册钱颂文主编，化学工业出版社2002。

2.化工设备机械基础课程设计书蔡纪宁，张秋翔编化学工业出版社

3.化工原理陈敏恒等主编化学工业出版社

4.《化工设备机械基础》，赵军，张有忱，段成红编，化学工业出版社，2008。

5.《换热器》，秦叔经，叶文邦等编，化学工业出版社，2003。

6.化工设备算图手册马连湘等主编化学工业出版社2003