用水冷却煤油产品的多程列管式换热器设计.doc

内蒙古科技大学课程说明书
内蒙古科技大学
本科生设计说明书

设计题目： 水冷却煤油产品的管式换热器设计
学生姓名： 韩月飞
学 号： 1066115125
专 业： 化学工程与工艺
班 级： 10级化工一班
指导教师： 郝文秀

2
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目录
第一章 设计任务书 1
1.1 设计题目 1
1.2 设计任务 1
1.3 操作条件 1
1.4 设计内容 1
1.5 设计日期 2
1.6 设计评述 2
第二章 设计方案简介评述 2
第三章 换热器设计理论计算 3
3.1 试算并初选换热器规格 3
3.1.1 定流体通入空间 3
3.1.2确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管式换热器的形式： 3
3.1.3计算热负荷Q 3
3.1.4计算两流体的平均温度差，并确定壳程数 4
3.1.5初步选择换热器规格 4
3.2 核算总传热系数K0 5
3.2.1计算管程对流传热系数 5
3.2.2计算壳程对流传热系数 5
3.2.3确定污垢热阻 6
3.2.4计算总传热系数 6
3.3 计算压强降 7
3.3.1计算管程压强降 7
3.3.2计算壳程压强降 7
第四章 换热器主要结构尺寸 8
4.1 管子的规格和排列方法 8
4.2 管程和壳程数的确定 9
4.3 外壳直径的确定 9
第五章 工艺设计计算结果汇总表 10
参考文献 11
致谢 12

12
第一章 设计任务书

1.1 设计题目
用水冷却煤油产品的列管式换热器设计

1.2 设计任务
1.2.1 合理的参数选择和结构设计
1.2.2 传热计算和压降计算：设计计算和校核计算
1.3 操作条件
① 煤油：入口温度140℃，出口温度40℃
② 冷却介质：自来水，入口温度15℃，出口温度25℃
③ 允许压强降：不大于
④ 煤油定性温度下的物性参数数据：密度为，粘度为，比热容为，导热系数为0.14W/(m·℃)
⑤ 自来水在20℃下的物性数据：密度为,粘度为，比热容为，导热系数为
1.4 设计内容
①传热面积。
②管程设计包括：总管数,程数，管程总体阻力校核。
③壳体直径。
④结构设计包括流体壁厚。
⑤主要进出口管径的确定包括：冷热流体的进出口管。
1.5 设计日期
开始日期：2013年6月25日
结束日期：2013年7月4日
1.6 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。

第二章 设计方案简介评述
我们设计的是煤油冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。列管式换热器有固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式等类型。列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。由于两流体的温差大于50 ，故选用带补偿圈的固定管板式换热器。这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理壳方流体较清洁及不易结垢的物料。因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。

第三章 换热器设计理论计算
3.1 试算并初选换热器规格
3.1.1 定流体通入空间
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，
并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。
3.1.2确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管式换热器的形式：
被冷却物质为煤油，入口温度为140℃,出口温度为40℃
冷却介质为自来水，入口温度为，出口温度为25℃
煤油的定性温度：
水的定性温度：
两流体的温差：
由于两流体温差大于50℃，故选用带补偿圈的固定管板式列管换热器。
两流体在定性温度下的物性数据
物性
流体

煤油
90
825
0.715
2.22
0.14
水
20
998
1.005
8．183
0．598

3.1.3计算热负荷Q
按管内煤油计算,即

若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得,即

3.1.4计算两流体的平均温度差，并确定壳程数
逆 流 温 差 ：

P=

由R和P查图……得温度校正系数为，所以
校正后的温度为
又因，故可选用单壳程的列管式换热器。
3.1.5初步选择换热器规格
根据管内为水，管外为有机液体，K值范围为280~710 ，
假设K=350
故
由于，因此需要考虑热补偿。
初选固定板式换热器规格尺寸如下：
外壳直径D600㎜ 管排方式——正三角形排列
管程流通面积S 90㎡ 公称压力P 1.0Mpa
管数n 180 管程数2
管长L 7m 管尺寸 φ25×2.5mm（碳钢管）
中心距 32㎜ 换热面积S 100㎡
换热器的实际传热面积

采用此换热面积的换热器，则要求换热过程的总传热系数为：

3.2 核算总传热系数K0
3.2.1计算管程对流传热系数
因为，管中水的质量流量为，则
水的体积流量为

所以：

3.2.2计算壳程对流传热系数
换热器中心附近管排中流体流通截面积为

式中 h——折流挡板间距，取500mm
t——管中心距，对于的管中心距为。
煤油的质量流量为，则
煤油的体积流量为
由于换热器为两壳程，所以煤油的流速为：

由于管为三角形排列，则有

煤油在壳程中流动的雷诺数为

因为在范围内，故可采用凯恩(Kern)法求算，即

由于液体被冷却 取0.95，所以

3.2.3确定污垢热阻

3.2.4计算总传热系数

选用该换热器时，要求过程的传热面积为90㎡，在传热任务所规定的流动条件下，计算出的=285.41 ，传热面积为所选择的换热器的安全系数为：

则该换热器传热面积的裕度符合要求。
3.3 计算压强降
3.3.1计算管程压强降

前已算出：
取不锈钢管壁的粗糙度，则
由摩擦系数图查得
所以

对于的管子，有

3.3.2计算壳程压强降

由于
所以
管子为正三角形排列，则取F=0.5

折流挡板间距h=0.5m
折流板数

所以

从上面计算可知，、﹤105，该换热器管程与壳程的压强降均满足题设要求，故所选换热器合适。

第四章 换热器主要结构尺寸

4.1 管子的规格和排列方法
考虑到流体的流速，选用规格的管子。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列，它的优点有：管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同壳程内可排列更多的管子。所以选择正三角形排列。

4.2 管程和壳程数的确定
管程数m可按下式计算，即

式中 ——管程内流体的适宜速度，m/s；
——单管程时管内流体的实际速度，m/s。
取 （参考《化工原理》上册）
水的流量为 =22.11kg/s，对于φ25×2.5mm的管子，

求得
所以选用2管程。在单壳程中，由R和P查得温度校正系数为 大于0.8，所以采用单壳程。
4.3 外壳直径的确定
初步设计中可用下式计算壳体的内径，即

式中
其中
则
按照此方法计算得到的壳内径应圆整，标准尺寸如下表：

壳体外径/mm
325
400，500，600，700
800，900，1000
1100，1200
最小壁厚/mm
8
10
12
14

所以取=600mm。
第五章 工艺设计计算结果汇总表

工艺设计计算结果汇总表

参数 数据

煤油流量kg/h

自来水流量/kg/h

实际传热面积S/㎡
97.497
要求过程的总传热系数/W/（㎡℃）
285.41
总传热系数/W/（㎡℃）
192.3
安全系数/%
22.62
管程压强降/Pa
12136.46
壳程压强降/Pa
7700

参数 数据

壳径D/mm
600
公称压强/Mp
1.0
公称面积S/㎡
100
管程数Np
2
管子尺寸/mm
φ25×2.5　
管长/m
7
管子总数n
180
管子排列方法
正三角形
管心距/mm
32
折流板数
13
板间距/mm
500

参考文献
[1]《化工原理》（上册）修订版.夏清 陈常贵 主编.天津:天津大学出版,2005
[2]《化工设备设计手册》. 潘国昌、郭庆丰主编.北京:清华大学出版社,1988
[3] 《化工流体流动与传热》.张国亮 主编.北京:化学工业出版社,1992
[4] 《化工工艺制图》.周大军 揭嘉 主编.北京:化学工业出版社,2003
[5] 中国石化集团上海工程有限公司 编.《化工工艺设计手册》
（第三版）.北京:化学工业出版社,1987
[6] 柴诚敬 王军 张缨 编. 《化工原理课程设计》.天津: 天津科学技术出版社,2005
[7] 《化工工艺算图手册》.刘光启 马连湘 主编 . 北京: 化学工业出版社,1990
[8] 《化工工程设计》.韩冬冰 李叙凤 主编.北京:学苑出版社,2000
[9] 《工程制图》.朱泗芳 徐绍军 主编 . 北京:高等教育出版社,2002
[10] 《 AutoCAD2002应用教程》.刘苏 编著.北京:科学出版社,2003
[11] 《化工设备机械设计基础》.潘永亮 刘玉良 编.北京:科学出版社,1991

致谢
本设计是在老师的帮助和指导下完成的，在设计的选题以及设计的方法上，老师给了我们莫大的帮助与关怀。老师在设计期间，对我们严格要求，要求我们能够独立完成设计任务，培养我们独立解决问题的能力，还从自己的宝贵时间中抽时间为我们审阅图，并提出修改意见和建议。渊博的理论知识、丰富的实践经验、严谨的治学作风、乐观的生活态度及热情待人的品格都深深地影响和教育了我们，我们从她身上学到了很多做人的道理。同时在生活上也很关心我们，经常问我们的设计情况，鼓励我们学习。在这里，谨向薛老师表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意
在此还要感谢我的其他老师。在过去的大学二年里，老师循循善诱的教导我们，为我们的付出了无数的汗水，还要感谢化学工程系的各位领导和老师对我们的辛勤培育与教导。
时间过得很快，这一学期的生活快要结束了。在这最后的时间里，我得到了同学的很多帮助。我们在一起设计，互相讨论，互相请教问题，大家共享资料。在我碰到困难的时候，他们帮我渡过了难关。这般友谊，弥足珍贵，我不会忘记。
谢谢你们！