煤油冷却器的设计说明.docx

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煤油冷却器的设计说明

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.

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