化工原理課程設計

1、任務書化工原理課程設計 學 院： 化學與環(huán)境工程學院 班 級： K0414411 姓 名： 汪桐 學 號： K041441103 指導教師： 譚志偉 2017年 化工原理課程設計列管式換熱器設計任務書 班級 k041441103 姓名 汪桐 一、設計題目：列管式柴油冷卻器的工藝設計二、設計任務及操作條件（1）設計任務非標準系列列管式柴油冷卻器的工藝設計。說明：對于非標準系列列管式換熱器的設計，因是非標，顯然不能按照標準系列列管式換熱器在標準系列規(guī)格中進行選型設計，而應按照非標準系列列管式換熱器的設計程序進行。（2）操作條件處理能力 3.3×104t/a柴油設備型式 列管式換熱器（或立

2、式、或臥式）。操作條件柴油入口溫度： 114 ，出口溫度： 39 冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度： 29 ，出口溫度： 49 允許壓降：不大于105Pa每年按330天計，每天24h連續(xù)運行已知柴油的有關物性數(shù)據(jù)：密度1=994kg/m3；定壓熱比容cp，1=2.22kJ/(kg·)；熱導率1=0.14W/(m·)；黏度1=7.15×10-4 Pa·s三、設計項目(說明書格式) 1、封面、任務書、目錄。2、設計方案簡介：對確定的換熱器類型進行簡要論述。 3、換熱器的工藝計算：1) 確定物性數(shù)據(jù)2) 估算傳熱面積3) 工藝結(jié)構(gòu)尺寸4) 換熱器核算：包括傳熱面積核

3、算和換熱器壓降核算4、換熱器的機械設計 5、繪制列管式換熱器結(jié)構(gòu)圖（CAD）。 6、對本設計進行評述。 7、參考文獻成績評定 指導教師 2016年 月 日課程設計內(nèi)容1 設計方案簡介1.1 選擇換熱器類型1.2 冷熱流體流動通道的選擇2 工藝設計計算2.1 確定物性數(shù)據(jù)2.2估算傳熱面積2.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.3.1 管徑和管內(nèi)流速2.3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)2.3.3 管子排列方式和分程方法2.3.4 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)2.3.5 殼體內(nèi)徑2.3.6 折流板2.4 換熱器核算2.4.1 傳熱面積校核2.4.2 換熱器內(nèi)流體流動阻力2.5 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果3 換熱器機械設計3

4、.1 殼體壁厚3.2 管板尺寸3.3 接管尺寸3.4 換熱器封頭選擇3.5 膨脹節(jié)選擇（根據(jù)設計可選可不選）3.6 其他部件4 評述4.1 可靠性評價4.2 個人感想5 參考文獻附表 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果附錄 換熱器結(jié)構(gòu)圖時間安排：2016-11-16發(fā)任務書，設計指導2016-12-06完成計算目錄 目 錄1 引 言62系統(tǒng)設計72.1 傳統(tǒng)模式研究的現(xiàn)狀分析82.2 課題研究的目的及意義83 系統(tǒng)方案介紹及比較93.1系統(tǒng)方案論證93.1.1設計9其總傳熱系數(shù)10管徑和管內(nèi)流速11管程數(shù)和傳熱管數(shù)11平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)12傳熱管排列和分程方法12殼體內(nèi)徑12折流板13接管13

5、換熱器內(nèi)流體的流動阻力154設計結(jié)果匯總表175設計評述196 心得體會20化工原理與課程設計1 引 言在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各換熱器，且它們是這些行業(yè)的通用設備，并占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計、制造、結(jié)構(gòu)改進及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器大的機構(gòu)尺寸。列管式換熱器

6、的應用已有很悠久的歷史。在化工、石油、能源設備等部門，列管式換熱器仍是主要的換熱設備。列管換熱器的設計資料已較為完善，已有系列化標準。目前我國列管換熱器的設計、制造、檢驗、驗收按“鋼制管殼式（即列管式）換熱器”（GB151）標準執(zhí)行。列管式換熱器主要有固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U型管換熱器和填料函式換熱器等。固定管板式換熱器有結(jié)構(gòu)簡單、排管多等優(yōu)點。但由于結(jié)構(gòu)緊湊，固定管板式換熱器的殼側(cè)不易清洗，而且當管束和殼體之間的溫差太大時，管子和管板易發(fā)生脫離，故不適用與溫差大的場合。浮頭式換熱器針對固定管板式換熱器的缺陷進行了改進。兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端可相對與殼體移動。故這種換

7、熱器的管束膨脹不受殼體的約束，而且易于清洗和檢修，所以能適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場合。但其結(jié)構(gòu)復雜、笨重、造價高限制了它的使用。U型管換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。這類換熱器的特點有：管束可以自由伸縮，熱補償性能好；雙管程，流程長，流速高，傳熱性能好；承壓能力強；管束可以從殼體中抽出，且結(jié)構(gòu)簡單，造價低。但其管數(shù)少且易短流。故僅適用于管殼壁溫差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強的情形。填料函式換熱器也只有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。它的管束也可自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價較低。但填料函易泄露，故殼程壓力不宜過高，

8、也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。列管式換熱器的設計和分析包括熱力設計、流動設計、結(jié)構(gòu)設計以及前度設計。其中以熱力設計最為重要。不僅在設計一臺新的換熱器時需要進行熱力設計，而且對于已生產(chǎn)出來的，甚至已投入使用的換熱器在檢驗它是否滿足使用要求，均需進行這方面的工作。熱力設計是指，根據(jù)使用單位提出的基本要求，合理地選擇運行參數(shù)，并根據(jù)傳熱學的知識進行傳熱計算。流動設計主要是計算壓降，其目的就是為換熱器的輔助設備。結(jié)構(gòu)計算指的是根據(jù)傳熱面積的大小計算器主要零部件的尺寸，例如管子的直徑、長度、根數(shù)、殼體的直徑、折流板的長度和數(shù)目及布置以及連接管的尺寸，等等。列管式換熱器的工藝設計主要包括以下內(nèi)

9、容：1. 根據(jù)換熱任務和有關要求確定設計方案；2. 初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸；3. 核算換熱器的傳熱面積和流體阻力；4. 確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。2系統(tǒng)設計工藝流程圖及說明換熱器-循環(huán)冷卻水煤油泵泵加熱器 工藝流程圖主要說明：由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。如圖，煤油經(jīng)泵抽上來，經(jīng)加熱器加熱后，再經(jīng)管道從接管C進入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來經(jīng)管道從接管A進入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進行換熱，煤油從140被冷卻至40之后，由接管D流出；循環(huán)冷卻水則從30變?yōu)?0，由接管B流出。2.1 傳統(tǒng)模式研究的現(xiàn)狀分析2.2 課題研究的目的及意義鍛煉學生的綜合能

10、力：資料查閱、知識綜合應用、理論計算、設備選型、繪制圖形、編寫說明書。 培養(yǎng)工程觀念：理論小試放大。 3 系統(tǒng)方案介紹及比較3.1 系統(tǒng)方案論證 3.1.1 設計1設計方案簡介 根據(jù)兩流體的溫度變化：熱流體進口溫度114 ，出口溫度為 39 ，冷流體入口溫度29，出口溫度49 ，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季時其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此，初步確定選用帶有膨脹結(jié)的固定板管式換熱器。從兩流體的操作壓力看。應使煤油走管程，循環(huán)冷卻水走殼程，但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度。式換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮，應使冷卻

11、水走管程，煤油走殼程。流向選用逆流。實際生產(chǎn)中，冷卻水一般為循環(huán)水，而循環(huán)水易結(jié)垢，為便于清洗，應采用冷卻水走管程，煤油走殼程。選用20×2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速設為ui=0.5m/s2工藝設計計算2.1 確定物性數(shù)據(jù) 管程冷卻水的定性溫度為：t=（29+49）/2=39 殼程煤油的定性溫度為：T=(114+39) /2=76.5 根據(jù)定性溫度下流體的物性，見下表圖表：定性溫度下流體的物性密度。kg/m3定壓熱比容cp。kJ/(kg·)熱導率。W/(m·)黏度/ Pa·s煤油9942.220.140.000715冷卻水992.54.1740.620.00

12、06682.2估算傳熱面積 先計算熱負荷和冷卻水流量qm1=3.3×107/(330×24)=4166.67kg/h熱負荷量：Q= qm1cp1(T1-T2)=4166.67×2.22×（114-39） =6.938×105kg/h=19.272kw冷卻水量：qm2=Q/cp2（T1-T2）=6.938×105/4.174×（49-29）=8310.38kg/h計算兩流體的平均溫差 ()其總傳熱系數(shù)管層傳熱系數(shù) Re= = 殼程傳熱系數(shù) 假設殼程傳熱系數(shù) 污垢熱阻 管壁的導熱系數(shù) 計算傳熱面積考慮15%的面積裕度，管徑和管內(nèi)

13、流速選用20×2.5傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速 管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)（根）按單程管計算，所需的傳熱管長度按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。取傳熱管長LO=6m,則該換熱器管程數(shù)為（管程）傳熱管總根數(shù) (根)平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應查有關圖表。但R=10的點在圖上難以讀出，因而相應以1/R代替R，PR代替P，查同一圖線，可得 0.8平均傳熱溫差傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距，則橫過管束中心線的管數(shù)（根）殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，

14、取管板利用率，則殼體內(nèi)徑取整D=430mm折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的，則切去的圓缺高度為。,取h=90mm。取折流板間距，則 取板間距B=150mm折流板數(shù)塊(快)折流板圓缺水平裝配。接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)油品流速為，則接管內(nèi)徑為取標準管徑為。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速為，則接管內(nèi)徑為取標準管徑為。換熱器核算熱量核算 殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板，可采取克恩公式當量直徑，由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準數(shù)粘度校正 管程對流傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準數(shù) 傳熱系數(shù)查有關文獻知

15、可?。汗芡鈧?cè)污垢熱阻 Rs0=0.000172 m2*0C /W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Rs1=0.000344 m2*0C /W碳鋼在該條件下的熱導率 =45W/(m*0C)傳熱面積 該換熱器的實際傳熱面積 該換熱器的面積裕度傳熱面積裕度不合適，該換熱器不能夠完成生產(chǎn)任務。換熱器內(nèi)流體的流動阻力 管程流動阻力 ，由，傳熱管相對粗糙度，查莫狄圖得 ，流速，所以，管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程阻力其中，P1,流體橫過管束的壓強降，PaP2,流體通過折流板缺口的壓強降，PaFS壓強降的結(jié)垢校正因數(shù),FS=1 , 流體流經(jīng)管束的阻力 P1,=Ffonc(NB+1)其中，F(xiàn)-管子排列方法對壓強降的校正因數(shù)，

16、對三角形排列取F=0.5 fo-殼程流體的摩擦系數(shù)，Reo>500時，取fo=5.0×Reo-0.228 nc-橫過管束中心線的管子數(shù) NB-折流擋板數(shù)故 fo=5×1731-0.228=0.7962流體流過折流板缺口的阻力，總阻力殼程流動阻力也比較合適。4設計結(jié)果匯總表 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表。參數(shù)管 程殼 程流量/（kg/h）8310.38進/出溫度/29/49114/39物性定性溫度/3976.5密度/（kg/m3）992.5994定壓比熱容/（kJ（kg×K）4.1742.22粘度/（Pa×s）0.0006680.000715熱

17、導率/w/（m×K）0.6260.140普朗特數(shù)4.7711.34設備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定版式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑mm430殼程數(shù)1管徑/mm20×2.5管心距/mm25管長/mm6000管子排列管數(shù)目/根189折流板數(shù)/塊39傳熱面積/m264.7折流板間距/mm150管程數(shù)7材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）0.1390.078表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/w/（m2×OC）4800.52225.78污垢阻力/（w/m2×OC）0.0003440.000172阻力/Pa12054.9866.8熱流量/kW693.8傳熱溫差/oC15傳熱系數(shù)/w/（m2×o

18、C）314.5裕度/%167.95設計評述我們設計的是煤油冷卻器，冷卻器是許多工業(yè)生產(chǎn)中常用的設備。列管式換熱器的結(jié)構(gòu)簡單、牢固，操作彈性大，應用材料廣。列管式換熱器有固定管板式、浮頭式、U形管式和填料函式等類型。列管式換熱器的形式主要依據(jù)換熱器管程與殼程流體的溫度差來確定。由于兩流體的溫差大于50 ，故選用帶補償圈的固定管板式換熱器。這類換熱器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但管外清洗困難，宜處理殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。因水的對流傳熱系數(shù)一般較大，并易結(jié)垢，故選擇冷卻水走換熱器的管程，煤油走殼程6 心得體會課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.經(jīng)過近一周的努力，我的課程設計終于完成了。在沒有做課程設計以前覺得課程設計只是對這幾年來所學知識的單純總結(jié)，但是通過這次做課程設計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面。課程設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 在這次課程設計中