化工原理课程设计 换热器的设计.docx
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化工原理课程设计换热器的设计
齐齐哈尔大学
化工原理课程设计
题目：
煤油冷却器设计
姓名：
潘珑
班级：
化工102班
学号：
2010012002
指导老师：
朱宪荣
设计日期：
2013年6月9日至2013年6月22日
目录
1、设计任书.....................5
1、设计题目...................5
2、设计任务及操作条件.........5
3、设计日期...................5
4、设计评述...................5
2、物性参数的确定...............6
3、设计方案的确定...............7
1、选择换热器的类型...........7
2、流程安排...................7
4、计算传热面积.................7
1、换热器的热负荷.............7
2、平均传热温差...............7
3、传热面积...................7
5、工艺结构寸..................8
1、管径和管内的流速...........8
2、管程数和传热管数...........8
3、平均传热温差校正及壳程数...8
4、传热管排列和分程方法.......8
5、壳体内径..................10
6、折流板....................10
7、其他附件..................11
8、接管......................11
6、换热器核算..................11
1、传热能力..................11
1.1管程传热膜系数.........11
1.2污垢热阻和管壁热阻.....11
1.3壳程对流传热膜系数.....12
1.4总传热系数K............13
1.5传热面积裕度...........13
2、壁温的核算................13
3、换热器内流体的流动阻力计算14
3.1管程流体阻力...........14
3.2壳程流体阻力...........14
七、换热器主要工艺结构尺寸和计算结果表（包括接管）............15
八、设备参数计算................16
1、壳体壁厚..................17
2、接管法兰..................17
3、设备法兰..................17
4、封头管箱..................18
5、设备法兰用垫片............18
6、管法兰用垫片..............18
7、管板.....................18
8、支座.....................19
9、设备参数总表.............20
九、参考文献....................21
十、学习体会与收获..............21
一、设计任务书
1、设计题目：
煤油冷却器设计
2、设计任务及操作条件
设备处理量16000kg/h
煤油：
入口温度140℃，出口温度50℃
冷却水：
自来水，入口温度30℃，出口温度40℃
热损失可忽略。
两侧污垢热阻分别为
Rso=0.00017m2℃/w
Rsi=0.00034m2℃/w
壳程压降不大于30kpa
初设k=290w/m2℃
3、设计要求
设计满足以上条件的换热器并写出设计说明书；
根据所选换热器画出设备装配（1号纸）及草稿。
4、设计日期
开始日期：
2013年6月9日
结束日期：
2013年6月22日
5、设计评述
换热器是许多工业生产中常用的设备,尤其是石油、化工生产应用更为广泛。
在化工厂中换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。
换热器的类型很多，性能各异，个具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。
进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。
换热器类型虽然很多，但计算传热面积所依据的传热基本原理相同，不同之处仅是在结构上需根据各自设备特点采用不同的计算方法而已。
二、物性参数的确定
被冷却物质为煤油，入口温度为140℃,出口温度为50℃
冷却介质为自来水，入口温度为
，出口温度为
煤油的定性温度：
=（140＋50）∕2=95℃
水的定性温度：
两流体的温差：
=95－35=60℃
根据定性温度，分别插取壳程和管程流体的有关物性数据。
煤油在95℃的有关物性数据如下：
密度ρ0
=810kg/m3
定压比热容Cph=2.3kJ/（kg·℃）
导热系数
=0.13W/（m·℃）
粘度
=0.91Ｘ10
Pa·s
冷却水在35℃的有关物性数据如下：
密度ρc994kg/m3
定压比热容Cpc=4.187kJ/（kg·℃）
导热系数λc=0.626W/（m·℃）
粘度
=0.727X10
Pa·s
两流体在定性温度下的物性数据
物性
流体
煤油
95
810
0.91
2.3
0.13
水
35
994
0.727
4.187
0.626
三、设计方案的确定
1、选择换热器类型
两流体温度变化情况：
热流体进口温度140℃，出口温度50℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。
由于该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差，大于50℃，因此需要考虑热补偿，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。
2、流程安排
本设计中的两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。
4、计算传热面积
1、换热器的热负荷
若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得,即
wc=Q/[Cpc（t1-t2）]=920×3600/[4.187×（40-30）]=79102㎏/h
2、平均传热温差
Δtm=（Δt1-Δt2）/ln（Δt1/Δt2）=（100-20）/ln（100/20）=49.7oC
3、传热面积
K=290w／﹙
·℃﹚
A=Q/kΔtm=（920×103）/（290×36.4）=63.8m2
A0=1.15×64=73.4m2
五、工艺结构尺寸
1、管径和管内的流速
选用Φ25×2.5较高级冷轧传热管（碳钢）。
取管内流速为ui=1.5m/s
2、管程数和传热管数
可根据传热管内径和流速确定单程传热管数:
n=Vs/0.785di2ui=79102/（994×3600×0.785×0.022×1.5﹚=46.9≈47（根）
按单管程计算，所需的传热管长度为
L=Ao/3.14don=73.6/﹙3.14×0.025×47﹚=19.9m
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。
根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长L′=6m,则该换热器的管程数为
NP=L/L′=19.9/6=4（管程）
传热管总根数：
N=47×4=188（根）
3、平均传热温差校正及壳程数
校正传热平均温度差
P=（t2-t1）/（T1-t1）=（40-30）/（140-30）=0.09
R=（T1-T2）/（t2-t1）=（140-50）/（40-30）=9
由
查图1得
=0.85，因为0.80<0.85，满足要求。
由此得：
Δtm=φΔtΔtm逆=0.85×49.7=42.4oC
4、传热管排列和分程方法
采用组合排列法，即毎程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方型排列。
取管心距t=1.25do,则t=1.25×25=31.25≈32mm
隔板中心到离其最近一排管中心距离为s=t/2+6=32/2+6=22mm
各程相邻管的管心距为22×2=44mm
管束的分程方法各程各有传热管47根。
图1
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：
Di=1.05t（N/η）1/2=1.05×32×（188/0.7）1/2=551mm
按卷制壳体的进级档，取Di=600mm
6、折流板
折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向做错流流动，以加大壳程流体流速和湍动速度，致使壳程对流传热系数提高。
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：
h=0.25×600=150mm，故可取h=150mm
取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×600=180mm，可取B为300mm。
折流板数目NB=传热管长/折流板间距-1=（6/0.3）-1=19
折流板的最大无支撑间距如表所示：
换热管外径（mm）
14
16
19
25
32
38
最大无支撑间距（mm）
1100
1300
1500
1850
2200
2500
折流板的厚度可由下表得出：
公称直径DN（mm）
换热管无支撑跨距
<300
300~600
600~900
900~1200
1200~1500
1500
折流板的最小厚度（mm）
<400
3
4
5
8
10
10
400~700
4
5
6
10
10
12
700~900
5
6
8
10
12
16
900~1500
6
8
10
12
16
16
所以取值为12mm
7、其他附件
本换热器壳体内径为600mm,故其拉杆直径为Φ12，拉杆数量不得少于4.
8接管
壳体流体进出口接管，取接管内流体流速为u1=1m/s,则接管内径为d1=（4Vs/πu1）1/2=（4×16000/3600/810/3.14）1/2=0.08m.查表后选用
89mm×4.5mm的钢管，则
＝89－4.5×2=80mm.故取标准内径80mm。
管程流体进出口接管，取接管内流体流速为u2=1.5m/s,则接管内径为d2=（4×79102/﹙3600×994×3.14×1.5）1/2=0.137m.查表后选用
146×4.5mm的钢管，则
=146－4.5×2=137mm.故取标准内径137mm。
六、换热器核算
1、传热能力
1.1管程传热膜系数
根据公式
ai=0.023（λ/ai）Re0.8Pr0.4
管程流体流通截面积为Ai=188×0.785×0.02×0.02∕4=0.0148m2
管程流体流速为ui=79102/（3600×994×0.0148）=1.573m/s
雷诺准数Re=（0.02×1.573×994）/（0.727×10-3）=41362
普兰特数为Pr=Cpcμ/λ=4.187×103×0.727×10-3/0.626=4.86
所以ai=0.023×（0.626/0.02）×413620.8×4.860.4=6686.6w／﹙
·℃﹚
1.2污垢热阻和管壁热阻
管内侧污垢热阻Rsi=0.00034m2oC/W（自来水）
管外侧污垢热阻Rso=0.00017m2oC/W（煤油）
管壁热阻查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为45W/（m·K）。
故
RW=0.0025/50=0.00005（m2·K/W）此值比较小所以忽略碳钢的影响。
1.3壳程对流传热膜系数
根据公式
ao=0.36（λ/de）Re0.55Pr1/3·
de=4（
-
）/πdo
=4（
×0.0322-0.785×0.0252）/﹙3.14×0.025﹚
=0.02m
壳程流体截面积为
Ao=B•Di（1-do/t）
=0.3×0.6（1-0.025/0.032）=0.039m2
壳程流体流速为u=16000/﹙3600×810×0.039﹚=0.14m/s
Re=（0.02×0.14×810）/0.00091=6197Pr=Cpμ/λ=（2300×0.00091）/0.13=16.1液体被冷却φμ﹦
≈1
采用凯恩法求ao=
=435.73w／﹙
·℃﹚
1.4总传热系数K
=1/ao+Rso+bdo/λdm+Rsido/di+do/aidi
K=1/（1/435.73+0.00017+0.0025×0.025/0.0225×45+0.00034×0.025/0.02+0.025/6686.6×0.02）=318.5w／﹙
·℃﹚
1.5传热面积裕度
所需传热面积为
An=Q/k•Δtm=920×103/﹙318.5×42.2﹚=68.4m2
实际传热面积为
Ao=πdoL′（N-nc）=3.14×0.025×6×（188-16）=81m2
面积裕度为
F=（Ao-An）/An=（81-68.4）/68.4=18.4%
2、壁温的核算
t=[Tm（1/ac+Rc）+tm（1/ah+Rh）]/（1/ac+Rc+1/ah+Rh）
Tm=0.4T1+0.6T2=0.4×140+0.6×50=86℃
tm=0.4t2-0.6t1=0.4×40+0.6×30=34℃
ac=ai=6686.6w／﹙
·℃﹚
ah=ao=435.73w／﹙
·℃﹚
t=（Tm/ac+tm/ah）/（1/ac+1/ah）
=（86/6686.6+34/435.73）/（1/6686.6+1/435.73）=37.2℃
壳体壁温T=95oC
壳程避温与传热管壁温之差为
Δt=95-37.2=57.8oC＞50℃
该温差较大，故需设温度补偿装置。
由于换热器壳程流体压力较高，因此，需选用浮头式换热器。
3、换热器内流体的流动阻力计算
3.1管程流体阻力
根据公式ΣΔPi=（ΔP1+ΔP2）·Ft·Ns·Np
Ns=1Np=4Ft=1.4
Re=41018λ=0.04u=1.5m/s
传热管的相对粗糙度为0.2/20=0.01
ΔP1=0.04×6×994×1.52/（0.02×2）
=13419Pa
ΔP2=ζ·ρ·ui2/2
=3×1.52×994/2=3355Pa
ΣΔPi=（13419+3355）×1.4×1×4
=93934Pa<
Pa
3.2壳程流体阻力
ΣΔPo=（ΔP1′+ΔP2′）·Fs·Ns
Fs=1.15Ns=1
ΔP1′=F·fo·nc（NB+1）ρ·uo2/2
F=0.5fo=
=5×
=0.168
ΔP1′=0.5×0.168×16×（19+1）×810×0.142/2≈
213Pa
缺口阻力损失
ΔP2′=NB（3.5-2B/Di）ρ.uo2/2
Di=0.6mB=0.3m
ΔP2′=19×（3.5-2×0.3/0.6）×0.142×810/2=377Pa
ΣΔPo=（213+377）×1.15×1=678.5Pa﹤30kpa
七、换热器主要工艺结构尺寸和计算结果表
管程
壳程
流率kg/h
79102
16000
温度℃进/出
30/40
140/50
压力MPa
1
1.6
物
性
定性温度℃
35℃
95℃
密度kg/m3
994
810
热容kJ/（kg.℃）
4.187
2.3
粘度Pa.s
0.727×10-5
0.91×10-5
导热系数W/（m℃）
0.626
0.13
普兰特数
4.86
16.1
设
备
结
构
参
数
型式
浮头式
台数
1
壳体内径mm
600
壳程数
1
管径
Φ25×2.5
管心距
32
管长
6000
管子排列
△
管数目（根）
188
折流板数/个
19
传热面积m2
68.4
折流板距/mm
300
管程数
4
材质
碳钢
接管壳程内径
Φ87×4.5
接管管程内径
Φ146×4.5
主要计算结果
管程
壳程
流速m/s
1.573
0.14
传热膜系数w/m2·℃
6686.6
435.73
污垢热阻m2·℃/w
0.00034
0.00017
阻力损失kpa
93.93
0.68
热负荷kw
920
传热温差℃
42.4
传热系数w/m2·℃
318.5
裕度
18.4％
八、设备参数计算
1、壳体壁厚
选热轧碳素钢Q-235-B。
则
采用双面焊接，则
故
查表
取筒体壁厚10mm
2、接管法兰
Dg
管子
平焊法兰
螺栓
焊缝
dH
S
D
D1
D2
f
b
d
重量（kg）
数量
直径
K
H
80
89
4
155
150
128
3
10
18
1.95
4
M16
5
6
150
159
4.5
260
225
202
3
16
18
3.49
8
M16
5
6
3、设备法兰
压力容器法兰（甲型）
DN
D
D1
D2
f
b
螺柱
规格
数量
600
755
705
670
5
20
25
M22
20
4、封头管箱
封头：
以内径为公称直径的椭圆形封头JB/154-73
公称直径Dg
曲面高度h1
直边高度h2
内表面积F（m2）
容积v（m3）
600
150
40
0.464
0.0396
3、设备法兰用垫片
公称直径Dg
垫片内径d
公称压力F（Mpa）
垫片外径D
600
615
16
655
由《材料与零部件》查得：
耐油橡胶石棉板（GB539-65）,垫片厚度为s=3mm
6、管法兰用垫片
法兰公称压力Mpa
介质温度
密封面型式
垫片名称
材料
冷却水
≤1.6
≤200
光滑
橡胶垫片
橡胶板
煤油
≤1.6
≤200
光滑
橡胶垫片
橡胶板
7、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、壳体和管箱的连接采用焊接形式，管板兼法兰，材料为16MnR。
DN=600管板尺寸表
Ps
MPa
Pt
MPa
D
D1
D2
D3
D4
D5
R
h
C
D2
螺柱（栓）
hf
b
规格
数量
1.0
1.6
730
690
655
597
642
600
12.5
23
M20
24
32
42▲
6、支座
公称直径Dg
每个支座允许负荷t
b1
L
B
l
K1
b
m
重量（kg）
600
36.8
180
550
120
260
420
90
220
26.3
本换热器为卧式内压容器，应该选用鞍式支座，依照JB/T4712-92双鞍式支座标准，选用DN=600mmB1型鞍式支座。
鞍式支座在换热器上的布置应该按照下列原则确定：
如下所示
9、设备参数总表
序号
图号标准
名称
数量
材料
单重
总量
1
JB1153-73
筒体Dg600×10
1
A3F
298
2
JB1167-81
固定鞍式支架
1
A3F
10
3
JB1158-73
简体法兰
1
A3
10
4
固定管板
1
5
JB1158-73
管箱法兰
1
A3
15.9
6
封头Dg600×10
1
A3
137
7
隔程挡板
1
16MnR
4.7
8
GB/T8163
换热管
188
16MnR
9
接管
4
20
1.5
3.0
10
JB1158-73
凸凹法兰
4
A3
5.1
20.4
11
GB539-65
垫片S=3
2
耐油橡胶棉板
12
折流挡板S=2.5
27
A3F
5.1
147.9
13
定距管
10
10
0.55
5.5
14
GB01-88
等长双头螺旋
24
A3
2.88
15
筒体法兰
1
A3
2.88
16
JB1158-73
外头盖法兰G10-100
1
A3
17.2
17
浮头钩圈
1
A3
30
18
浮头法兰
1
A3
19
无折边球形封头
1
20
JB1154-73
封头Dg600×10
1
A3F
21
JB1167-81
活动鞍式支座
1
A3F
九、参考文献
《化工原理》（上册）修订版.李然郑旭煦主编
.天津：
华中科技大学出版社,2009
《化工工艺算图手册》.杨长龙主编.
哈尔滨:
哈尔滨工程大学出版社,2009.8
《化工设备机械基础》.汤善甫朱思明第二版主编.
上海:
华东理工大学出版社,12004.12
《化工设备设计基础》.周志安尹华杰魏新利编.
北京:
化学工业出版社,1996
《换热器》.中国石化集团上海工程有限公司组织编写；董其伍编.北京：
化学工业出版社，2008.12
《材料与零部件》.《化工设备设计手册》编写组
上海:
上海人民出版社，1973.8
十、学习体会与收获
化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
它也是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.
随着九月二日的到来，课程设计也接近了尾声。
经过两周的奋战我的课程设计终于完成了。
在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。
课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。
自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。
通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而
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