列管式煤油冷却器设计项目计划书.docx
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列管式煤油冷却器设计项目计划书
列管式煤油冷却器设计计划书
、设计任务书
一、设计题目：
煤油冷却器的设计
二、设计任务及操作条件
1、设计任务
处理能力：
20万吨/年
设备型式：
列管式
2、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20℃出口温度40℃
（3）允许压降：
不大于0.1MPa
（4）煤油定性温度下的物性数据
c825kg/m3
c7.05104Pascpc2.22kJ/kgoC
c0.14W/moC
（5）每年按330天计算，每天24小时连续运行。
、设计书
1、概述
换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。
由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。
按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。
根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：
混合式、蓄热式、间壁式。
随着换热器在工业生产中的作用和地位的不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。
列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在换热器中占据主导地位。
列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成。
列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：
1.固定管板式换热器：
这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。
此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。
通常在管外装置
一系列垂直于管束的挡板。
同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。
因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。
为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。
但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。
一般壳程压强超过600kpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。
2.浮头式换热器：
换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。
其优点是：
管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产
生温差应力。
其缺点为结构复杂，造价高
3.U型管式换热器
U形管式换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。
且每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。
其特点是管束可以自由伸缩，热补偿性能好；双管程，流程长，流速高，传热性能好；承压能力强；管束可以从壳体中抽出，且结构简单，造价低。
但其管数少且易短流。
故仅适用于管壳壁温差较大，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。
4.填料函式换热器
这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。
但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。
2.设计方案的选择
2.1换热器类型的选择
根据操作条件，热流体入口温度140℃，出口温度40℃；冷却介质入口温度20℃，出口温度40℃，允许压降不大于0.1MPa。
由于煤油是易燃物质，故不宜选用填料函式换热器；由于不存在高温、高压、腐蚀性强的情形，故无需选用U形管换热器；又根据两流体温度变化情况，该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差（50℃以上），最大允许压降也不高，故可选用浮头式换热器或带补偿圈的固定管板式换热器。
又由于固定管板式换热器相对于浮头式换热器结构简单、造价便宜，故为首选。
2.2管子的排列方式的选择管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。
和正方形相比，等
边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。
正
方形排列比较松散，传热效果较差，但管外清洁较方便，对易结垢的流体较适用，此处管内流体为水，故可不考虑结垢的问题，因此管子排列可选用等边三角形排列的方式。
2.3流体的选择
操作条件中冷却介质为循环水，在运行过程中，随着挥发水量的消耗，水中各种杂质的浓度也会相应增大，结垢的概率也会同时增加，而固定管板式换热器要求壳程介质清洁，不易结垢，故应采用冷却水走管程，煤油走壳程。
2.4水和煤油的流向选择
对于流向问题，比较逆流和并流时的平均温差
并流时，有：
△T1=（40-40）℃=0℃,△T2=（140-20）℃=120℃
Tm,并
120℃
120ln0
逆流时，有：
△T1=（40-20）℃=20℃，△T2=（140-40）℃=100℃
Tm,逆
T2T1
ln
T2
10020℃
100℃ln
49.7℃
T1
20
由计算结果得出，逆流时的平均温差较并流的大。
故在换热器的传热量Q及总传热系数K相同的条件下，采用逆流操作可以节省传热面积，减少设备费；或可以减少换热介质的流量，降低运行费。
因此优先考虑逆流操作。
另外为了强化传热，列管式换热器的管程或壳程常常为多程，流体经过多次折流后流出换热器，使得换热器内流体流动形式偏离纯粹的逆流和并流。
3.确定物理性质数据
定性温度：
一般取流体进出口温度的平均值。
壳程流体煤油的定性温度为T11404090℃
2管程流体循环水的定性温度为T2204030℃
2
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
壳程流体——煤油在90℃的部分物性数据如下：
密度ρc（kg/m）
825
比热容Cpc（kJ/（kg·0C））
2.22
粘度μc（Pa·s）
0.000705
导热系数λc（W/（m2·0C））
0.14
管程流体——水在30℃的部分物性数据如下：
密度ρi（kg/m3）
995.7
粘度μi（Pa·s）
0.0008007
导热系数λi（W/（m2·0C））
0.6176
比热容Cpi（kJ/（kg·0C））
4.174
4.设计计算（逆流操作）
4.1计算总传热系数
20107
热流量：
q123030102425252.5（3kg/h）7.01（kg/s）
传热量：
6
Qo=q1Cpc△t1=25252.53×2.22×（140-40）=5.61×106kJ/h=1557.24kW
平均传热温差：
tm'
t1t2
Int1
t2
（14040）（4020）
14040In
4020
49.71（℃）
T1-T2
t2-t1
14040
4020
t2t1
T1t1
4020
14020
0.167
由《换热器设计手册》图
1-3-6查得校正系数为0.883，所以修
正后的传热温度差为
tmtt'm0.88349.7143.89oC
冷却水用量：
6
qicpQioti4.1754.61（410020）67201.72（kg/h）18.67（kg/s）
由《常用化工单元设备设计》表1-6，查得水与煤油之间的传热
系数在290-698w/（m2.oC），初步设定K=500w/（m2.oC）。
4.2计算传热面积估算的传热面积为
2
70.96m2
AQ1557240
Ktm50043.89
5.核算总传热系数及传热面积
5.1壳程对流传热系数壳程流通截面积A0，
A0hD1d00.150.61
0.0250.01969m2
0.032
式中h-折流板挡间距，取150mm
壳程流体流速及其雷诺系数分别为
u0
7.01
V08250.432m/s
A00.01969
Reo
deu00.0200.432825
0.000705
10110.6
普兰特准数
PCp2.220.00070510311.179
0.14
粘度校正
由于是正三角形排列，当量直径de，
de
322
423t24d02
430.0322
40.0252
d0
0.0202m
3.140.025
因为Re在2103~1106范围内，故可采用凯恩（Kern）法求算
0.14
0.360Reo0.55Pr1/3
eorde
0.14
其中，取1
w
00.360.00.2104210110.60.5511.1791/31898.4
5.2管程对流传热系数
管程流通截面积
Ai
di2N
44
3.140.022200
44
0.0157m2
uiVcAi
Rei
diui
0.021.2995.7
0.0008007
29844.89
管程流体流速以及其雷诺数分别为
18.67
1.2m/s
995.7
0.0157
普朗特准数
3
Pr
CP
4.1740.0008007103
5.41
0.6176
水在管程中是被加热
0.023diiRe0.8Pr0.4
故管程对流换热系数
0.0230.06.0127629844.890.85.410.45303.7
5.3污垢热阻和管壁热阻
查阅《化工原理（上）》P354，附录20，得
煤油侧的污垢热阻Rs01.7179104m2oC/w循环水侧的污垢热阻Rsi3.44104m2oC/w钢的导热系数为λ=45
5.4传热系数K
11Rbd0Rd0d0
RsoRsi
K0sodmsidiidi
1
898.4
0.000172
0.00250.025
450.0225
0.000344
0.025
0.02
0.025
5303.70.02
解得K=496.89W/（m2.OC）
传热面积A
1557240
496.8943.89
2
71.40m2
86.66m2
实际传热面积APdlN3.140.0256（20016）
5.5传热面积裕度
该换热器的面积裕度为
ApA100%
86.66-71.40
100%
17.6%
AP
86.66
结果处于要求的15%~20%的范围内，该换热器符合实际生产要求
6.主要设备工艺尺寸计算
6.1管径尺寸和管内流速的确定
考虑到流体的流速，选用Φ25×2.5的传热管（碳钢管），即管内
径di=0.025-0.0025×2=0.02，取管内流速ui=1.2m/s。
6.2传热面积、管程数、管数和壳程数的确定根据传热内径和流速确定单程传热管数
18.67
V
ns
diui
4
995.7
3.140.022
49.7650根
1.2
按单管程计算，所需的传热管长度为
Ad0ns
70.96
3.140.02550
18.08m
按单管程设计，传热管过长，现取传热管长l=6，则该换热器管
程数为NpL18.083.01（4管程）l6
热管总根数N=50×4=200（根）
由于平均传热温差校正系数为0.883大于0.8，且壳程流体流量
较大，故采取单壳程较合适
横过管束中心线的管数为
nc1.1N1.12001（6根）
c
采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，壳体内径为
D1.05tN/1.0532200567.9mm
故取D600mm
6.3接管尺寸及折流板数的确定
壳程流体进出口接管：
取接管内煤油流速为u＝1.0m/s，则接
47.01
管内径为d=4V=825=0.1040m
u3.141
经调整采用Φ114mm×5mm热轧无缝钢管（GB8163-87）,取标准管
径为114mm。
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
418.67
内径为d=4V=995.7=0.126m
u3.141.5
经调整采用Φ140mm×7mm热轧无缝钢管（GB8163-87）,取标准管
径为140mm.
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
切去的圆缺高度为
h0.25600150mm
取折流板间距B0.4D
0.4600240mm，取板间距为300mm
传热管长
折流板间距
16000119块
300
7.设计结果汇总
换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：
换热器型式：
固定管板式
换热器面积（㎡）：
86.66
工艺参数
项目
管程
壳程
物料名称
循环水
煤油
操作温度（℃）
20/40
40/140
流量（kg/s）
18.67
7.01
流体密度（kg/m3）
995.7
825
流速（m/s）
1.2
0.432
对流传热系数（w/㎡·）k
5303.7
898.4
污垢系数（㎡·k/w）
程数
4
1
使用材料
碳钢
碳钢
传热量（kw）
1557.24
总传热系数（w/㎡·k）
496.89
管子规格
Φ252.5
管数/根
200
管长/mm
6000
壳体内径，mm
600
折流板数
19
管程流体进出
口接管规格
1407
壳程流体进出口接
管接管规格
1145
三、附图
结构简图见附图
四、设计评述
首先，这次课程设计是我们所接触的实践任务中最繁琐的、专业性最强的，所要用到的知识很多，包括机械设计基础、机械制图、工程热力学、传热学、流体力学、制冷原理和换热器原理与设计等方面的知识。
这些知识不是机械的相加，而是需要全面的考虑和整体布局，不止一次因为考虑不全而要重新来过。
最后，整体计算了三次才选定初步的换热器型号。
另外，有时为了一个数据需要查找好几本书，还是找不到结果的时候，是挺烦躁的，很容易让人想放弃。
但功夫不负有心人，努力终会结果，特别是在其他同学都还没找到而你找到时，拿来跟同组其他同学共享，那更是一件乐事。
在辛苦的同时，享受着辛苦带来收获的喜悦。
其次，这次课程设计还考验了我们的团队合作精神，以及严谨的工作态度、平和的心态。
这次设计工作量大，用到的知识多，而且我们又是第一次设计，所以单独靠自己是无法完满的完成本次课程设计。
我们同组同学之间经常要进行讨论，甚至争论，进而发现问题，改正问题并产生较合理的结果和方法。
同时争论让我更加清楚地了解自己，让我明白我要更加耐心的表达我的想法，把问题解析清楚，也要耐心的听其他同学的意见。
如果有实在解决不了的问题，就去向老师咨询，老师会耐心地给我们讲解，直到我们完全弄明白了为止。
最后要提到的就是绘图了。
尽管CAD工程制图是我们的专业，但我们还未熟练掌握。
于是我们不免需要捧着厚厚的课本将其仔细的复习一遍，然后再进行正式的绘图工作。
绘图过程中遇到了不少的麻烦，，刚开始整体的布局规划就很繁琐，必须布局得当才能使图既能够画完，又表现得十分清晰。
另外由于换热器中有很多的零部件，它们的尺寸或者厚度很小，画的时候很难准确地按照比例将其绘画出来。
终于功夫不负有心人，最后将换热器图圆满顺利地完成了。
总的来说尽管在此次的煤油冷却器设计过程中遇到了很多的麻烦，但最终经过自己的努力以及同学的帮助，最终还是完成了任务。
通过这次的设计任务，我不仅巩固了以前所学习的知识，还让我对环工知识有了更深的认识和理解，并增强了我的查阅能力以及动手能力。
总之，收获还是颇丰的。
五、参考文献
[1]《环境工程原理》胡洪营、张旭、黄霞、王伟合编，高等教育出版社.2005
[2]《化工原理》（第二版）陈敏恒化学工业出版社.2000
[3]《热交换器原理与设计》是由史美中编著，东南大学出版社.2009
[4]贾绍义、柴诚敬化工原理课程设计.天津.天津大学出版社.2002
[5]《换热器设计手册》钱颂文主编，化学工业出版社2002
[6]杨树才.化工制图【M】.北京：
化学工业出版社
[7]《化工工艺设计手册》中国石化集团上海工程有限公司主编，化学工业出版社2003
[8]网上资源
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