化工原理课程设计煤油冷却器的设计与选型.doc

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1、目录一、设计题目1二、课题条件1三、课程设计的基本内容1四、设计说明书的内容1五、确定设计方案21、换热器的选型22、 管程安排3六、 工艺设计41、确定物性数据41）定性温度的计算42）确定物性参数42、 计算平均温差41）逆流温差42） 管径53、计算热负荷54、 计算传热面积55、冷却水用量76、 管程数和传热管数77、传热管排列和分程方法88、壳体内径89、折流挡板和接管91）折流挡板92）接管910、核算传热系数101) 壳程表面传热系数102）管程表面传热系数113）污垢热阻和管壁热阻：114)传热系数125)传热面积裕度1211、壁温计算1212、确定压力降131）管程流体阻力1

2、32）壳程流体阻力1413、换热器主要结构尺寸和计算结果16七、结构设计161、固定管板设计162、膨胀节选择173、封头设计184、管箱结构设计195、分程管板设计206、接管设计207、支座设计218、拉杆设计219、折流板设计与布置2210、垫片设计与布置22八、 强度核算221、筒体壁厚计算222、管箱短节、封头厚度计算233、固定管板计算24九、 问题讨论26十、心得体会29主要参考文献31化工原理课程设计说明书一、 设计题目煤油冷却器的设计与选型二、 课题条件 1.煤油的流量：G1=17T/h； 2.煤油入口温度T1=160，出口温度T2=60； 3.冷却水入口温度t1=20，出口

3、温度t2=40；4. 运行表压：煤油为0.1MPa，冷却水为0.3MPa；三、课程设计的基本内容 （1）确定设计方案 （2）工艺设计 （3）结构设计 （4）写设计说明书，并绘制相应的工艺流程图和主体设备结构图；四、设计说明书的内容 （1）目录 （2）设计题目（任务书） （3）流程示意图 （4）流程和方案的说明和论证 （5）设计结果概要（主要设备尺寸、各种物料量和状态、能耗指标、 设计时规定的主要操作参数以及附属设备的规格、型号及数量） （6）设计计算与说明 （7）对设计的评述及有关问题的分析讨论 （8）参考文献目录五、确定设计方案1、换热器的选型表1 换热器类型特点比较比较类型类型型 列管式换

4、热器 固定管板式 浮头式结构 两端与壳体连为一体，管子固定于管板上 两端管板只有一端与壳体固定，另一端可相对于壳体做某些移动，该端称为浮头。优点 结构简单，排管最多，比较紧凑。换热管束膨胀不受壳体约束，不会产生热应力;易于清洗和检修；管内外均能承受高压，可用于高温高压场合。缺点结构使得壳侧清洗困难，不能用于易结垢和不清洁的流体温差大于60，壳程压强超过0.6MPa时，补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用。结构比较复杂，设备费用较大;相对于其他换热器来说.当其直径较大时，U型部分支撑有困难，管束抗震性较差。综上所述：两流体温度变化情况：热流体进口温度160 ,出口温度60 ；冷流体（循环水）

5、进口温度20，出口温度40。由所设温度值，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。因为固定管板式换热器旁路渗流较小、造价低、无内漏，是很常用的换热器。2、 管程安排 水走管程，煤油走壳程。 理由：环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度。壳程内径较管程大，冷却水为易结垢流体，走管程可保证其流速，防止换热器因内部结垢过多而致使热流量和热效率大大降低；煤油为被冷却介质，为便于散热应走壳程。3、 流向及流速的选择 采用逆流方式。 理由：逆流的对数平均推动力较并流大且均匀，因而传递同样的热流量，所需的传热面积较小。 管内冷却水为易结垢液体。依据表

6、2，我们选取管内流速。表2 列管换热器内常用的流速范围流体种类流速 m/s管程壳程一般液体宜结垢液体气 体0.51.315300.21.50.5315六、 工艺设计1、确定物性数据 1）定性温度的计算对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度为流体进出口温度的平均值。壳程流体定性温度：管程流体定性温度：2） 确定物性参数 依据【化学工业出版社常用化工物料物性数据手册】 煤油在110下的有关物性数据如下 密度 定压比热容 热导率 粘度 循环水在30下的物性数据： 密度 定压比热容 热导率 粘度 2、 计算平均温差 1）逆流温差2） 管径 依据【化学工业出版社化工原理（上册）第三版：P226】, 选

7、用25mm2.5mm,管心距32mm的较高级冷拔传热管（碳钢）。3） 平均传热温差和壳程的确定 依据【化学工业出版社化工原理课程设计付家新 P59公式3-11】 则平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.8，所以取单壳程合适。3、 计算热负荷 = 忽略换热器热损失，认为4、 计算传热面积 依据【化学工业出版社化工单元过程及设备课程设计匡国柱P60表3-1 见表3】表3 传热系数经验值管程壳程传热系数K 水（0.91.5m/s）净水（0.30.6m/s)582698水水（流速较高时）8141163冷水轻有机物116467盐水轻有机物233582有机溶剂有机溶剂（0.30.55m/s)198

8、233轻有机物轻有机物重有机物58233水（1m/s)水蒸气（有压力）冷凝23264652水溶液水蒸汽冷凝5822908水溶液水蒸汽冷凝116349水有机物蒸汽及水蒸汽冷凝5821163水重有机物蒸汽（常压）冷凝16349水重有机物蒸汽（负压）冷凝58174水饱和有机溶剂（常压）冷凝5821163水含饱和水蒸汽和氯气（2050）174349水(冷凝）8141163水（冷凝）698930水氟利昂（冷凝）756水水蒸气（常压或负压）冷凝17453489所选K值范围应为290698W/（），假设,则估算的传热面积为=5、 冷却水用量6、 管程数和传热管数 单程传热管数： 按单程管计算，所需的传热管长

9、度为 ：若按单程管设计，则传热管过长，故宜采用多管程结构。根据【化学工业出版社化工单元过程及设备课程设计：P62】，现取传热管长，则该换热器的管程数为：则传热管总根：7、 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。见【化学工业出版社化工原理（上册）（第三版）：图6-51】。依据【化学工业出版社化工原理课程设计付家新 P50表3-6】，即表4可知：换热管中心距 t=32mm 分程隔板槽两侧相邻管中心距 =44mm表4 换热管中心距换热管外径101214161920253032353845505557换热管中心距13141619222526323840

10、444857646472分层隔板两侧相邻管中心距Sn2830323538404450525660687678808、 壳体内径采用多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率，则壳体内径为： 圆整为 筒体直径校核计算：壳体的内径应等于或大于（在固定管板换热器中）管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为： 管子按正三角形排列 取 按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：9、折流挡板和接管 1）折流挡板 采用圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体内径的25%， 则切去的圆缺高度为 取折流板间距，则 ，即B为300mm。 折流板数目为： 2）接管 换热器中流体进出口接管直径的计算公式为：

11、液体流速u的经验值为：u=1.02 .0m/s；壳程流体进出口接管：取接管内液体流速为，则接管内径为：圆整后可取管内径为80mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为：圆整后去管内径为150mm。10、核算传热系数1) 壳程表面传热系数 用克恩法计算，见【化学工业出版社化工原理（上册）（第三版）P227式（6-146）】： 当量直径:依【化学工业出版社化工原理（上册）（第三版）P227式（6-148）】得 = 壳程流通截面积： 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数为 粘度校正 所以壳程表面传热系数为2）管程表面传热系数 计算式为： 流速和雷诺数分别为 普朗特数和管内表面传热系数

12、为 3）污垢热阻和管壁热阻： 由【天津工业出版社化工原理课程设计：P23表2-6】取： 管内侧污垢热阻 管外侧污垢热阻 查资料得碳钢在该条件下的热导率。 所以 4)传热系数 故假设的传热系数满足要求。5)传热面积裕度 计算传热面积： 该换热器的实际传热面积为： 该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。11、壁温计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式计算。依据【化学工业出版社化工原理课程设计付家新】P63 式3-32】可得： 算得传热管平均壁温壳体壁温和传热管壁温之差为12、 确定压力降已知运行表压：煤油为0.1MPa，冷却水为0.3MPa。由【化学工业出版

13、社化工单元过程及设备课程设计：表3-12】查得：由表和已知可得，煤油和冷却水的允许最大压降皆为0.05MPa。1） 管程流体阻力 其中：, ， Fs=1.4， (压力降较大，此值较小，可忽略不计) 由，取传热管相对粗糙度0.0005，查莫狄图:【化学工业出版社化工原理（上册）（第三版）：图1-32】得。由于流速, 密度,所以： 管程流体阻力在允许范围之内。2）壳程流体阻力 计算式为： 其中： , 流体流经管束的阻力 其中： 故 流体流过折流板缺口的阻力 , 其中 故 总阻力 故壳程流体阻力在允许范围之内。13、换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程流率4948517000进/出口温度/20/

14、40160/60压力/0.30.1物性定性温度/30110密度/（kg/m3）995.7759定压比热容/kJ/（kg）4.1742.43粘度/（Pas）0.80075.01热导率（W/（m） 0.61710.1027普朗特数5.415911.854设备结构参数形式固定管板式壳程数1壳体内径/600台数1管径/252.5管心距/32管长/4500管子排列正三角形排列管数目/根176折流板数/个14传热面积/62.172折流板间距/300管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.99960.1579表面传热系数/W/（K）445.354784.28污垢热阻/（K/W）0.00034

15、40.000172阻力/ 0.001880.000127热流量/W 1147500传热温差/K 65.62传热系数/W/（K） 314.26裕度/% 15.18%七、结构设计1、固定管板设计 由于换热器的内径已确定，采用标准内径决定固定管板外径及各结构尺寸。其结构如图所示：依据【化学工业出版社出版化工单元过程及设备课程设计：P145表4-14】可知：固定管板的结构尺寸为： 公称直径DN/mm600 D/mm730 D1/mm690 D2/mm590 D3/mm598 D4/mm643 D5/mm600 b/mm36 C/mm10 d/mm23螺栓孔数n/个数282、膨胀节选择 固定管板式换热器

16、换热过程中，管束和壳体有一定得温差存在，而管板、管束与壳体之间是刚性地连接在一起的，当温差达到某一个温度值时，由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏或造成管束弯曲。当温差很大（一般是大于50）时，需要设置温差补偿装置，如膨胀节。 由于壳体壁温和传热管壁温之差，大于50，故需要设置膨胀节。依据【化学工业出版社化工单元过程及设备课程设计P167】知：U型膨胀节具有结构紧凑简单、补偿性能好、价格便宜等特点，故选择U型膨胀节。膨胀节型号为GB 16749。3、封头设计 采用标注椭圆形封头 JB/T4737-95. 由【化学工业出版社化工设备机械基础第二版】及中华人民共和国行业标准查得:公称直径, 曲面

17、高度 ， 直边高度， 厚度， 内表面积 0.4374m2, 容 积0.0353m3, 质量 20.44kg4、管箱结构设计选用B型封头管箱，管箱最小长度可采用流道面积计算【化学工业出版社出版化工单元过程及设备课程设计（第二版）P157-158】 其中： 依据【化学工业出版社化工单元过程及设备课程设计（第二版）：P160】所示方法和设计数据作图如下： 并查P160图4-38得:由，取管箱长为490m5、分程管板设计 分程管板选用材料为碳钢a型。 依据【化学工业出版社化工单元过程及设备课程设计p127 表4-1】：当公称直径为600mm，材料为碳钢时，分程管板的最小厚度为8mm。6、接管设计管程接

18、管直径 D1=150mm壳程接管直径 D2=80mm接管高度选择160mm。依据【化学工业出版社化工单元过程及设备课程设计p141】:接管位置最小尺寸: 所以，取。7、 支座设计 依据【化学工业出版社化工单元过程及设备课程设计p169】： 选用JB/T4712鞍式支座A型，高度按200mm选取。 两支座之间距离： 8、拉杆设计依据【化学工业出版社化工单元过程及设备课程设计p135 表4-7，表4-8，表4-9】： 换热管外径 25mm 公称直径 600mm 故选择直径为16mm的拉杆，拉杆数量为4，其尺寸为：拉杆直径/mm16拉杆螺纹公称直径/mm16/mm20/mm60管板上拉杆的孔深/mm

19、209、折流板设计与布置 折流板尺寸： 折流板厚度： 折流板管孔直径： 允许偏差：+0.40 前后端折流板距管板的距离至少为实际折流板间距，总折流板数为14块， 参见【化学工业出版社化工单元过程及设备课程设计P133 表4-2,4-3,4-5】。10、垫片设计与布置 垫片的尺寸： 【化学工业出版社化工单元过程及设备课程设计P164 表4-24,4-25,】。八、 强度核算 1、筒体壁厚计算 设计参数： 设计温度 110 设计压力 0.1Mpa 依据【化学工业出版社化工设备机械基础第二版 】：选用钢号为Q235-B的碳钢材料，该材料许用应力为=113Mpa取焊缝系数，腐蚀裕度；对Q235-B钢板

20、的负偏差根据【化学工业出版社化工设备机械基础（第二版）：公式（9-1）】内压圆筒计算厚度公式： 从而：计算厚度： 设计厚度： 名义厚度： 圆整取有效厚度：水压试验压力：所选材料的屈服应力水式实验应力校核：水压强度满足气密试验压力：2、管箱短节、封头厚度计算 设计参数： 设计温度为30 设计压力为0.3M， 选用Q235-B碳钢，材料许用应力，屈服强度，取焊缝系数，腐蚀裕度。 计算厚度： 设计厚度： 名义厚度： 结合考虑开孔补强及结构需要取 有效厚度： 压力试验强度在这种情况下一定满足。 管箱封头取用厚度与短节相同，取 3、固定管板计算 固定管板厚度设计采用BS法。【化学工业出版社化工单元过程及

21、设备课程设计P1710】假设管板厚度。 ； 一根管壁金属横截面积为： 开孔温度削弱系数（四程）： 两管板间换热管有效长度(除掉四管板厚)L取4420mm. 计算系数K： 接管板简支考虑，依K值查【化学工业出版社化工单元过程及设备课程设计：P171-P173图4-45、图4-46和图4-47】得： 管板最大应力： 管子最大应力: 或 管子最大应力说明及计算： 筒体内径截面积： 管板上管孔所占的总截面积： 系数 系数管子与筒体的刚度比 Es筒体材料弹性模数，； ET管子材料弹性模数， 。 所以筒体壳壁金属的横截面积： 当量压差 最大压差 壳程压力： 管程压力: 管板采用Q235-B锻： 换热管采用

22、Q235-B碳系钢： 管板管子程度校核： 管板计算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取，隔板槽深取0.5mm，实际管板厚为44.5mm。九、 问题讨论1、换热器设计的一般步骤是什么？答：换热器设计步骤： 1）按照生产任务、物料的属性及进出口压力和温度变化要求，计算换热器的换热量、定性温度初算平均传热温度差。2）按经验和数据选取估算K值，综合预选择材料的在物料中的换热系数，初步计算出需要换热器的换热面积。3）根据初算的换热面积进行换热器的尺寸初步设计（包括管径、管长、管子数、管程数、管子排列方式、圆整壳体内经等）。4）核算K以及校核平均温度差D。5）校核传热量，要求有10%-15%的裕度，计算管

23、程壳程压力降。2、管程，壳程介质如何选择？答：宜走管程的流体： 1）不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便； m u% E& f7 _; j2）腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀； B# % V3 G2 _% i , o2 g3）压力高的流体宜走管内，以免壳体承受压力；; k2 4）对流传热系数明显小的流体宜走管程.； Q+ B* ? n+ ) d$ w 5）有毒流体宜走管程；|1 O3 m( , 4 x1 Q8 宜走壳程的流体： 8 K9 k t# R: m$ J. a1)饱和蒸汽宜走壳程，因为饱和蒸汽比较清静，给热系数与流 速无关而且冷凝液容易排出；7 K% U4 4 U

24、, 2）被冷却的流体宜走壳程，便于散热； 3）若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程，以减小热效力； 4）流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程100即可达到湍流。【参照化学工业出版社化工原理（上）P225】3、管程和壳程如何分程？分程的目的是什么？答：管程和壳程的分程选用分程隔板，分程的目的提高流速以提高传热系数，但程数不宜太多。 在管壳式换热器中，最简单常用的是单管程的换热器。如果根据换热器工艺设计要求，需要加大换热面积时，可以采用增加管长或者管数的方法。但前者受到加工，运输，安装以及维修等方面的限制，故经常采用后一种的方法。增加管数可以增加换热面积，但

25、介质在管束中的流速随着换热管数的增多而下降，结果反而使得流体的传热系数降低，故不能仅仅采用增加换热管数的方法来达到提高传热系数的目的 。为解决这个问题，使流体在管束中保持较大流速，可将管束分程若干程数，使流体一次流过各程管子，以增加流体速度，提高传热系数。4、折流板设计有何要求？壳程雷诺数多少能维持湍动？答：折流板是为了使管外流体的流速达到一定的数值而设置的，折流板的结构设计包括型式的确定, 形状的设计, 缺口高度设计和折流板间距设计。换热器壳程折流板可分为横向折流板和纵向折流板, 由于壳程加装纵向折流板在制造工艺上较困难, 而且造成壳程压降增加, 因此一般采用壳程加装横向折流板。壳程加装横向

26、折流板后, 壳程换热介质雷诺数100 时, 壳程介质即达湍流, 能有效提高换热器的传热能力, 横向折流板常采用弓形和盘- 环形, 弓形折流板加工、制造和组装较方便, 使用最普遍, 盘- 环形折流板主要用于小型换热器中。在换热器结构设计中, 合理设计折流板间距是保证壳程换热介质的压力降满足设计要求的关键。壳程大于1万能维持湍动。十、 心得体会 经过这十天的努力，我们终于将化工原理课程设计做完了。在这个过程中我们有过很多疑惑，解决不了的时候会烦躁，会着急，但是经过大家的齐心协力，我们顺利的完成了此次的课程设计。通过这次课程设计，让我受益匪浅。换热器是上学期的课程内容，很多知识都记得不太清楚，所以刚

27、开始拿到任务书的时候，觉得摸不着头脑。打开化工原理上册课本，认真看完关于换热器设计的内容后，渐渐也就有了了解，但是课本中的知识是远远不够的，我们还需要查阅更多的资料。脑子里的知识梳理好之后，我们开始了计算，但是在校核传热系数和裕度面积的时候遇到很多问题,我们一遍又一遍的修改设计方案，一遍又一遍的计算,这些都暴露出了前期我们在设计方面的知识欠缺和经验不足.。但经过反复的计算之后，我们最终完成了任务要求，确定了自己的设计方案。尽管这次课程设计的过程很曲折，但是我们的收获还是很大的，不仅掌握了关于换热器设计的知识，而且对CAD和Word的应用能力也有了很大的提升。我觉得在这个过程中，在我们将我们的设

28、计方案制成CAD制图的时候，计算结果和实际设计存在很大的不同，包括四管程中换热管的排列、管板的布局以及折流板的位置等。我们收获最大的是将理论计算与设计实际联系起来的能力。 通过这次的课程设计我充分的认识到团队力量的重要性，我们四个人是一个小组，在组长的带领下，大家相互协作。这次的课程设计包括设计说明书和图纸，对于一个人来说，想要在两周之内充分了解整个设计过程是相当困难的，但是这样大家齐心协力，分工合作，再通过相互交流发现自己对问题理解上的不足，更能深入的了解整个过程。说实话，这次的课程设计真的有点累，但是当整理我们的设计成果时，成功的喜悦让我觉得这两周的课程设计再辛苦都是值得的，在这两周的课程设计中，我觉得我们学到的知识很有限，我们查阅了很多资料，越是查的书多就越觉得自己的专业知识很贫乏，所以在以后的学习中，我一定更加努力，为将来走向工作岗位打好基础。主要参考文献1 陈敏恒等编；化工原理上册，化学工业出版社，2006.5；2 赵军、张有忱、段成红编；化工设备机械基础第二版，化学工业出版社，2007.7；3 匡国柱、史启才主编；化工单元过程及设备课程设计，化学工业出版社，2001.10；4百度文库各种换热器设计详细说明书,互联网；5付家新主编；化工原理课程设计，化工原理课程设计。