煤油冷卻器課程設計計算部分

1、課程設計任務書1、設計題目：處理量為56000噸/年煤油冷卻器的設計2、操作條件：（1）煤油：入口溫度140；出口溫度40；（2）冷卻介質：采用循環(huán)水，入口溫度30，出口溫度40； （3）允許壓降：不大于105Pa；（4）煤油定性溫度下的物性數據：（5）每年按330天計，每天24小時連續(xù)生產。3、設計任務：（1）處理能力：5.6×104ta煤油；（2）設備型式：列管式換熱器；（3）選擇適宜的列管換熱器并進行核算；（4）繪制帶控制點的工藝流程圖和設備結構圖，并編寫設計說明書。摘 要本設計內容是處理量為4.3×噸/年煤油冷卻器的設計，本設計采用固定管板式換熱器，循環(huán)水作為冷卻劑

2、。本設計完成了換熱器的工藝計算，包括煤油和水的基礎物性數據，換熱器面積估算，換熱器工藝結構尺寸的計算，并分別進行核算，繪制了帶控制點的工藝流程圖，換熱器裝配圖。 關鍵詞：煤油；水；換熱器；AbstractThis design content is the capacity for 43000 tons/year kerosene cooler design，the design uses the fixed tube heat exchanger，circulating water as coolant。This design is completed the heat exchanger

3、technical calculation，including kerosene and water based physical property data，heat exchanger area estimated，heat exchanger process structure size calculation，and respectively accounting，drawing on the belt control process flow diagram，heat exchanger assembly drawing。Key Words：kerosene；water；heat e

4、xchanger目錄課程設計任務書I摘 要IIAbstractIII目錄IV§第1章緒論11.1換熱器技術概況1換熱器分類1固定管板式換熱器2設計要求21.2換熱器技術的發(fā)展31.3換熱器在工業(yè)生產中的應用3§第2章設計方案32.1換熱器類型的選擇32.2流程安排(流動空間的選擇)及流速確定4§第3章?lián)Q熱器的工藝計算43.1基礎物性數據43.2換熱器面積的估算4熱負荷4平均傳熱溫度差計算5總傳熱系數的假設5冷卻水的用量53.3換熱器工藝結構尺寸的計算6管內和管外流速計算6管程數和傳熱管數的計算6平均傳熱溫差校正及殼程數的校正7傳熱管排列和分程的選擇7殼程內徑計算7

5、折流板的選擇7其他附件的選擇73.4換熱器核算8傳熱能力的核算8殼程傳熱膜系數8管內傳熱膜系數8污垢熱阻和管壁熱阻9總傳熱系數9傳熱面積9§第1章 緒論1.1 換熱器技術概況1.1.1 換熱器分類在工程中，將某種流體的熱量以一定的傳熱方式傳遞給他種流體的設備，稱為熱交換器。在這種設備內，至少有兩種溫度不同的流體參與傳熱。一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體溫度較低，吸收熱量。換熱器的分類方式：（1） 按照用途來分：預熱器（加熱器）、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等。（2） 按照制造換熱器的材料來分：金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。（3） 按照溫度狀況來分：溫度工況穩(wěn)定的換熱器，熱

6、流大小以及在制定熱交換區(qū)域內的溫度不隨時間而變；溫度工況不穩(wěn)定的換熱器，傳熱面上的熱流和溫度都隨時間改變。（4） 按照熱流體與冷流體的流動方向來分：順流式（并流式）：兩種流體平行地向著同一方向流動。如圖（a）逆流式：兩種流體也是平行流動，但它們的流動方向相反。如圖（b）錯流式（交叉流式）：兩種流體的流動方向互相垂直交叉。如圖（c）當交叉次數在四次以上時，可根據兩種流體流向的總趨勢將其看成逆流或順流。如圖（d）及（e）混流式：兩種流體在流動過程中既有順流部分，又有逆流部分。如同（f）及（g）(g)(f)(e)（d）(c)(b)(a)（5） 換熱器的類型按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁

7、式。其中間壁式換熱器應用最廣泛，如表1-1所示。表1-1 換熱器的結構分類類型特點間壁式管殼式列管式固定管式剛性結構用于管殼溫差較小的情況（一般50），管間不能清洗帶膨脹節(jié)有一定的溫度補償能力，殼程只能承受低壓力浮頭式管內外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合U型管式管內外均能承受高壓，管內清洗及檢修困難填料函式外填料函管間容易泄露，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質內填料函密封性能差，只能用于壓差較小的場合釜式殼體上部有個蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮雙套管式結構比較復雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應器中套管式能逆流操作，用于傳熱面積較小的冷卻器、冷凝器或預熱器螺旋管式沉浸式用于管內流體的冷卻、

8、冷凝或管外流體的加熱噴淋式只用于管內流體的冷卻或冷凝板面式板式拆洗方便，傳熱面能調整，主要用于粘性較大的液體間換熱螺旋板式可進行嚴格的逆流操作，有自潔的作用，可用做回收低溫熱能傘板式結構緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈板殼式板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高混合式適用于允許換熱流體之間直接接觸蓄熱式換熱過程分階段交替進行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場合1.1.2 固定管板式換熱器固定管板式即兩端管板和殼體連結成一體，因此它具有結構簡單造價低廉的優(yōu)點。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應是較為潔凈且不易結垢的物料。當兩流體的溫度差較大時，應考慮熱補償。有具有補償圈（

9、或稱膨脹節(jié)）的固定板式換熱器，即在外殼的適當部位焊上一個補償圈，當外殼和管束的熱膨脹程度不同時，補償圈發(fā)生彈性變形（拉伸或壓縮），以適應外殼和管束的不同的熱膨脹程度。這種熱補償方法簡單，但不宜用于兩流體溫度差太大（不大于70）和殼方流體壓強過高（一般不高于600kPa）的場合。1.1.3 設計要求（1）滿足工藝過程所提出的要求，熱交換強度高，熱損失少，在有利的平均溫差下工作。（2）要有與溫度和壓力條件相適應的不易遭到破壞的工藝結構，制造簡單，裝修方便，經濟合理，運行可靠。（3）設備緊湊。這對大型企業(yè)、航空航天、新能源開發(fā)和余熱回收裝置更有重要意義。（4）保證較低的流動阻力，以減少換熱器的動力消

10、耗。1.2 換熱器技術的發(fā)展隨著我國工業(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、結構改進及傳熱機理的研究十分的活躍。一些新型的換熱器相繼問世。換熱器技術的研究必須滿足各種情況特殊而又條件苛刻的要求，因而各國在組織大規(guī)模工業(yè)生產的同時，都很重視換熱器的研究，并組織了較強的專業(yè)研究中心，例如早在20世紀60年代就在傳熱工程領域內出現了有影響的兩大國際性研究集團，即1962年成立的沒過傳熱研究公司和1968年成立的英國傳熱及流體流動服務公司。在我國，也有蘭州石油機械研究所等一些單位，在換熱器的研究和設計方面進行了多年的工作，推動了我國換熱器

11、的設計和改進、技術標準的制訂和推廣。1.3 換熱器在工業(yè)生產中的應用換熱器在工業(yè)生產中的應用極為普遍，例如動力工業(yè)中鍋爐設備的過熱器、省煤器、空氣預熱器，電廠熱力系統(tǒng)中的凝氣器、除氧器、給水加熱器、冷水塔；冶金工業(yè)中高爐的熱風爐，煉鋼和軋鋼生產工藝中的空氣或煤氣預熱；制冷工業(yè)中蒸汽壓縮式制冷機或吸收式制冷機中的蒸發(fā)器、冷凝器；制糖工業(yè)和造紙工業(yè)的糖液蒸發(fā)器和紙漿蒸發(fā)器，都是換熱器的應用實例。在化學工業(yè)和石油化學工業(yè)的生產過程中，換熱器也有較多的應用。在航天工業(yè)中，為了及時取出發(fā)動機及其輔助動力裝置在運行時所產生的大量熱量，換熱器也是不可缺少的重要部件。在化工廠，換熱器的費用約占總費用的10%2

12、0%，在煉油廠約占總費用35%40%。換熱器在其他部門如動力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應用。§第2章 設計方案2.1 換熱器類型的選擇兩流體的溫度變化情況如下：（1）煤油：入口溫度140，出口溫度40；（2）冷卻介質：自來水，入口溫度30，出口溫度40；該換熱器用循環(huán)冷卻自來水進行冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考略到這一因素，估計所需換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，需考慮熱膨脹的影響，相應地進行熱膨脹的補償，故而初步確定選用帶有膨脹節(jié)的管板式換熱器。2.2 流程安排(流動空間的選擇)及流速確定已知兩流體允許壓強降不大于100kPa；兩流體分別為煤油

13、和自來水。與煤油相比，水的對流傳熱系數一般較大。由于循環(huán)冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，考慮到散熱降溫方面的因素，應使循環(huán)自來水走管程，而使煤油走殼程。§第3章 換熱器的工藝計算3.1 基礎物性數據定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。殼程流體（煤油）的定性溫度為： T=140+402=90管程流體（水）的定性溫度為： t=40+302=35在定性溫度下，分別查取管程和殼程流體(冷卻水和煤油)的有關物性數據，如下：煤油在90 下的有關物性數據如下:密度 =825kg/m3定壓比熱容 Cp=2.22KJ/

14、(kg·）熱導率 =0.14W/(m·)粘度c=7.15×10-4Pa·S循環(huán)冷卻水在35下的有關物性數據密度i=994.3kg/m3定壓比熱容cpi=4.174KJ/(kg·K)熱導率i=0.624W/(m·K)粘度i=0.742×10-3Pa·S為便于查看，可列表如下：密度/（/m3）比熱容/（kJ/kg）導熱系數/（W/m）粘度/（Pas）煤油8252.220.147.15×10-4水(35)9944.080.6267.25×10-43.2 換熱器面積的估算穩(wěn)定傳熱，傳熱系數K值隨溫度變化

15、不大時,總傳熱速率方程式如下SO=QKOtm式中 SO換熱管外表面積，m2；Q傳熱速率（熱負荷），W；KO基于管外表面積的總傳熱系數，W/(m2·)；tm平均溫度差，3.2.1 熱負荷煤油的質量流量：qm=5.6×104330×24=7.07th=7070kgh熱流量：QO=qm·cpO·tO=7070×2.22×(140-40)=1.57×106KJh=435.98Kw3.2.2 平均傳熱溫度差計算此處按照單殼程，多管程計算。在逆流時：tm'=t1-t2lnt1t2=140-40-40-30ln10010

16、=393.2.3 總傳熱系數的假設總傳熱系數可借鑒書籍中的參數或者生產中的實際數據，初步假定。當基本條件（設備型式、雷諾準數、流體物性）相同時，傳熱系數K值可采用經驗數據。下表為常用換熱器K值的大致范圍：管程殼程（管間）總傳熱系數/W/（m3·）水（流速為0.91.5m/s）水冷水冷水冷水鹽水有機溶劑輕有機物0.5mPa·s中有機物=0.51mPa·s重有機物1mPa·s水（流速為1m/s）水水溶液2mPa·s水溶液2mPa·s有機物0.5mPa·s有機物=0.51mPa·s有機物1mPa·s水水水水水水

17、水水水（流速為0.91.5m/s）水（流速較高時）輕有機物0.5mPa·s中有機物=0.51mPa·s重有機物1mPa·s輕有機物0.5mPa·s有機溶劑=0.30.55mPa·s輕有機物0.5mPa·s中有機物=0.51mPa·s重有機物1mPa·s水蒸氣（有壓力）冷凝水蒸氣（常壓或負壓）冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝有機物蒸氣及水蒸氣冷凝重有機物蒸氣（常壓）冷凝重有機物蒸氣（負壓）冷凝飽和有機溶劑蒸氣（常壓）冷凝含飽和水蒸氣的氯氣（50）SO2冷凝NH3冷凝氟里昂冷凝5826988141

18、163467814290698116467233582198233233465116349582332326465217453489116310715822908582119329158211434958211631163495817458211631743498141163698930756此處，設KO=330W(M2·)3.2.4 冷卻水的用量qm'=QOcpit2=1.57×1064.08×(40-30)=38480kgh綜上，可初步估算換熱器的面積S'=QOKOtm'=122m2可以取15%的面積裕度S=S'×1.

19、15=140.3m23.3 換熱器工藝結構尺寸的計算3.3.1 管內和管外流速計算表3-1列管式換熱器內的適宜流速范圍介質流速循環(huán)水新鮮水一般液體易結垢液體低粘度油高粘度油氣體管程流速，m/s1.02.00.81.50.53>1.00.81.80.51.5530殼程流速。m/s0.51.50.51.50.21.5>0.50.41.00.30.8215表3-2不同粘度液體的流速（以普通鋼壁為例）液體粘度/mPas15001500500500100100353511最大流速/（m/s）0.60.751.11.51.82.4選用25×2.5的碳鋼管，管內流速取ui=0.5m/s

20、3.3.2 管程數和傳熱管數的計算選定管徑和管外流速后，可計算單程管數n=V4di2u其中：V管程流體的體積流量，m3/s；di傳熱管內徑，m；u管內流體流速，m/s。ns=V4di2ui=384803600×9940.785×(0.02)2×0.5=68.4969(根）按單管程計算，所需傳熱管長度為L=Snd=140.369×3.14×0.025=25.9m由上可知，如果按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構，現取傳熱管管長為：L=9m管程數Np=LV=25.994管程即大約取4管程，管數為：N=4n=4×69=276（根）3.

21、3.3 平均傳熱溫差校正及殼程數的校正實際換熱器內兩流體為錯流和折流時，平均溫度差介于逆流和并流之間，即tm=t·tm'式中 tm'按純逆流計算的對數平均溫度差，； t溫度差的校正系數。校正系數t的大小與冷、熱兩流體的溫度變化有關，也與換熱器的管程數、殼程數有關，它是p和R兩個因數的函數，計算p和R之后，可通過查圖像獲得t值，其中：R=熱流體溫降冷流體溫升=T1-T2t1-t2P=冷流體溫升兩流體最初溫差=t2-t1T2-t1 R=140-4040-30=10 P=40-30140-30=0.091此處為單殼程，四管程，查圖可得：t=0.86則可得校正后的平均傳熱溫差

22、tm=t·tm=0.86×39=33.54由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程較合適。3.3.4 傳熱管排列和分程的選擇3.3.5 殼程內徑計算采用多管程結構，取管板利用率=0.7，則多管程數的殼體內徑可求，如下：D=1.05tN=1.05×32×2760.7=667.18mm經過圓整后，可取內徑為 700mm 。3.3.6 折流板的選擇折流板間距B=0.3D=0.3×700=210mm折流板數NB=9000210-141(塊）3.3.7 其他附件的選擇接管：取接管內煤油流速 ui=1.0ms殼程進出口接管：D1

23、=4qvu1=70703600×8253.14×1.0=0.055m=55mm管程進出口接管：取接管內循環(huán)水流速為 u2=1.5msD2=4qv'u2=384803600×9903.14×1.50.096m=96mm圓整為100mm3.4 換熱器核算3.4.1 傳熱能力的核算3.4.1.1 殼程傳熱膜系數殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?對圓缺形折流板，可采用克恩公式：o=0.36odeReo0.55Pr13ow0.14當量直徑為正三角形排列時：de=432t2-4do2do=4×32×0.0322-0.785×0.02523.14

24、×0.025=0.02m殼程流通截面積：So=BD1-dot=0.21×0.7×1-0.0250.032=0.032m2殼程流體流速：uo=qvSo70703600×8250.032=0.1ms雷諾數為：Re=douo=0.02×0.1×8250.000715=2308普蘭特數為：Pr=Cpo=2.22×103×715×10-60.14=11.34粘度校正 w0.1410=0.36×odoRe0.55Pr13ow0.14o=0.36×0.140.02×23080.55×11.3413=4