完整版化工原理课程设计煤油冷却器的设计.docx

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完整版化工原理课程设计煤油冷却器的设计

课程设计

课程名称化工原理课程设计

题目名称煤油冷却器的设计

专业班级08级食品科学与工程

（2）班

学生姓名纪平平

学号50806022006

指导教师赵大庆

二O一O年十二月三十日

目

录

1

《化工原理》课程设计任务书..........................................................................................................

-1-

1.1

设计题目.....................................................................................................................................

-1-

1.2

原始数据及操作条件.................................................................................................................

-1-

1.3

设计要求.....................................................................................................................................

-1-

2

《化工原理》课程设计说明书..........................................................................................................

-2-

2.1

前言.............................................................................................................................................

-2-

2.2

工艺流程图及说明.....................................................................................................................

-3-

3

生产条件的确定..................................................................................................................................

-4-

4

换热器的设计计算..............................................................................................................................

-4-

4.1

选择换热器类型.........................................................................................................................

-4-

4.2

流动空间及流速的确定.............................................................................................................

-4-

4.3

确定物性数据.............................................................................................................................

-4-

4.4

计算总传热系数.........................................................................................................................

-5-

4.4.1

热流量............................................................................................................................

-5-

4.4.2

平均传热温差................................................................................................................

-5-

4.4.3

冷却水用量....................................................................................................................

-6-

4.4.4

总传热系数....................................................................................................................

-6-

4.5

计算传热面积.............................................................................................................................

-7-

4.6

工艺结构尺寸.............................................................................................................................

-7-

4.6.1

管径和管内流速............................................................................................................

-7-

4.6.2

管程数和传热管数........................................................................................................

-7-

4.6.3

平均传热温差校正及壳程数........................................................................................

-7-

4.6.4

传热管排列和分程方法................................................................................................

-8-

4.6.5

壳体内径........................................................................................................................

-8-

4.6.6

折流板............................................................................................................................

-8-

4.6.7

接管................................................................................................................................

-9-

4.7

换热器核算.................................................................................................................................

-9-

4.7.1

热量核算.........................................................................................................................

-9-

4.7.2

换热器内流体的流动阻力...........................................................................................

-11-

5

设计结果汇总表................................................................................................................................

-13-

6

设计评述............................................................................................................................................

-14-

7

心得体会..............................................................................................................................................

-15-

8

参考文献............................................................................................................................................

-16-

蚌埠学院本科课程设计

煤油冷却器的设计

1《化工原理》课程设计任务书

1.1设计题目

煤油冷却器的设计

1.2原始数据及操作条件

1、处理能力2.6×104t/Y

2、设备形式

列管式

3、煤油T入=140℃，T出=40℃

4、冷水T入=30℃，T出=40℃

5、⊿P<=105Pa

3

-4

Pa.SCV=2.22kJ/（Kg.℃）

6、煤油ρ=825Kg/m，μ=7.15×10

7、λ=0.14W/（m.℃）

8、每年按330天计，每天24小时连续进行。

1.3设计要求

试设计一台适宜的列管式换热器完成该生产任务，绘制设备图，编制一份设计说明书（电

子稿）。

-1-

纪平平：

列管式换热器的设计

2《化工原理》课程设计说明书

2.1前言

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各换热器，且它们是这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。

随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。

换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。

随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。

在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器大的机构尺寸。

列管式换热器的应用已有很悠久的历史。

在化工、石油、能源设备等部门，列管式

换热器仍是主要的换热设备。

列管换热器的设计资料已较为完善，已有系列化标准。

目

前我国列管换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式（即列管式）换热器”（GB151）

标准执行。

列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管换热器和填料函式

换热器等。

固定管板式换热器有结构简单、排管多等优点。

但由于结构紧凑，固定管板式换热

器的壳侧不易清洗，而且当管束和壳体之间的温差太大时，管子和管板易发生脱离，故

不适用与温差大的场合。

浮头式换热器针对固定管板式换热器的缺陷进行了改进。

两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端可相对与壳体移动。

故这种换热器的管束膨胀不受壳体的约束，而且易于清洗和检修，所以能适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。

但其结构复杂、笨重、造价高限制了它的使用。

U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。

这类换热器的特点有：

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。

填料函式换热器也只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。

它的管束也可自

-2-

蚌埠学院本科课程设计

由膨胀，结构比浮头式简单，造价较低。

但填料函易泄露，故壳程压力不宜过高，也不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒的场合。

列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及前度设计。

其

中以热力设计最为重要。

不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足使用要求，均需进行这方面的工作。

热力设计是指，根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。

流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备。

结构计算指的是根据传热面积的大小计算器主要零部件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目及布置以及连接管的尺寸，等等。

列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：

1.根据换热任务和有关要求确定设计方案；

2.初步确定换热器的结构和尺寸；

3.核算换热器的传热面积和流体阻力；

4.确定换热器的工艺结构。

2.2工艺流程图及说明

煤油

加

热

器换热器

泵-循环冷却水

泵

工艺流程图

-3-

纪平平：

列管式换热器的设计

主要说明：

由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。

如图，煤油经泵抽上来，经加热器加热后，再经管道从

接管C进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管A进入换热器管程。

两物质在换热器中进行换热，煤油从140℃被冷却至40℃之后，由接管D流出；循环冷却水则从30℃变为40℃，由接管B流出。

3生产条件的确定

设计一列管式煤油换热器，完成年冷却2.6×104t煤油的任务，具体要求如下：

煤

油进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃；每年按330

天计，24小时/天连续进行。

4换热器的设计计算

4.1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40℃；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，故选用带膨

胀节的固定版式换热器。

4.2流动空间及流速的确定

实际生产中，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

走管程，煤油走壳程。

选用φ20×2.5的碳钢管，管内流速设为ui=0.5m/s。

4.3确定物性数据

定性温度：

可取流体进口温度的平均值。

壳程煤油的定性温度：

T=14040=90（℃）

2

管程流体的定性温度：

-4-

蚌埠学院本科课程设计

T=4030=35（℃）

2

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90℃的有关物性数据如下：

密度

ρo=825kg/m3

定压比热容

C

=2.22kJ/（kg·℃）

po

导热系数

λ。

=0.140W/（m·℃）

粘度

μ=0.000715Pa·s

o

循环冷却水在35℃的有关物性数据如下：

密度

ρi=994kg/m3

定压比热容

C

pi=4.08kJ/（kg·℃）

导热系数

λi=0.626W/（m·℃）

粘度

μ=0.000725Pa·s

i

4.4计算总传热系数

4.4.1热流量

每小时处理力

w

26000

1000

m0

24

330

3283kg/h

330

24

Qom0Cp0t03283

2.22（140

40）

7.29

105kJ/h202.5kW

式中Wo—流体的质量流量kg／h

Cpo—流体的平均定压比热容，kJ／（kg·℃）

To—热流体的温度，℃

4.4.2平均传热温差

tm'

t1

t2

（14040）

（40

30）

39（℃）

ln

t1

ln

140

40

t2

40

30

-5-

纪平平：

列管式换热器的设计

4.4.3冷却水用量

w

Qo

7.29105

1.79104kg/h

i

cpiti

4.08（4030）

式中t—冷流体的温度，℃

4.4.4总传热系数

管层传热系数

Re=

diuii

0.015

0.5

994

10283

0.000725

i

i0.023

du

i）

0.8

（

cpi

）

0.4

i

ii

di

i

i

=0.0230.626（10283）0.8（4.08×2.1675）0.4

4838W/（m2.°C）

0.015

0.626

壳程传热系数

假设壳程传热系数

0

290W/（m2.°C）

污垢热阻

Rsi0.000344m2.°C/W

Rso0.000172m2.°C/W

管壁的导热系数

45W/m2.°C

K

1

do

Rsi

do

bdo

Rso

1

idi

di

di

o

1

0.02

0.000344×0.02

0.0025×0.02

0.000172

1

4838?

0.015

0.015

45×0.015

290

226.8W/（m2.°C）

-6-

蚌埠学院本科课程设计

4.5计算传热面积

S'

Q

202500

22.9（m2）

K

tm

226.839

考虑15%的面积裕度，S=1.15S'=1.1522.9=26.3（m2）

4.6工艺结构尺寸

4.6.1管径和管内流速

选用φ20×2.5传热管（碳钢），取管内流速ui0.5m/s

4.6.2管程数和传热管数

依据传热管内径和流速确定单程传热管数

ns

V

17900/（3600

994）

（根）

0.785

0.0152

56.757

4

diu

0.5

按单程管计算，所需的传热管长度

L

S

26.3

7.3（m）

3.140.0257

dons

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。

取传热管长LO=6m,则该换热器管程数

为

NP

L

7.3

（管程）

l

2

6

传热管总根数N572114（根）

4.6.3平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

140

40

R

10

40

30

40

30

P

0.091

140

30

按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。

但R=10的点在图上难以读出，

-7-

纪平平：

列管式换热器的设计

因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得

t0.82

平均传热温差

tmttm'0.823932（C）

4.6.4传热管排列和分程方法

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。

取管心距t1.25do，则

t1.252025（mm）

横过管束中心线的管数

nc1.19N1.1911412.713（根）

4.6.5壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径

D1.05tN/

1.0525114/0.7335（mm）

取整D=350mm

4.6.6折流