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煤油冷却器的设计

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。
1.1列管式换热器的种类
固定管板式换热器
管板式换热器 浮头式换热器
填料涵式换热器
U型管换热器
1.2换热器的特点
列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：
（1） 固定管板式换热器
固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。
带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。
（2） 浮头式换热器
浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。
（3） 填料涵式换热器
填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。
（4）U型管换热器
U型管换热器的管子两端固定在同一管板上，管子两端可以自由伸缩，与其他管子机壳体无关。这种换热器结构比较简单，重量轻，适用于高温高压场合，但管内清洗比较困难且管板利用率较差。
1.3换热器的发展趋势
70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。近年来，随着制造技术的进步，强化传热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与换热工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，并已在化工、炼油、石油化工、制冷、空分及制药各行业得到应用与推广，取得了较大的经济效益。
2、确定设计方案
2.1换热器的类型
浮头式换热器如右图所示，两端管板之一不与外壳固定连接，该端称为浮头。当管子受热（或受冷）时，管子连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器不但可以补偿热膨胀，而且固定端的管板是以法兰与壳体相连接的，因此管束可以从壳体抽出，便于清洗和检修，故浮头式换热器应用比较普遍。
2.2材料的选择
（1）换热器
在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。
一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。①碳钢：价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。②不锈钢：奥氏体系不锈钢以1Cr18Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。
正三角形排列结构紧凑，正方形排列便于机械清洗，同心圆排列用于小壳径换热器、外圆管布管均匀、结构更为紧凑。我国换热器系列中，浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。
（2）管板
管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过 350℃的场合。
（3）封头和管箱
封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。
①封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。
②管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。
③分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路
2.3流动空间的确定
换热器内冷热流体通道的选择：
a 不洁或易结垢的物料应走易于清洗的一侧，如冷却水走管内；
b 需提高流速以增大传热膜系数的流体应走管内，因管程比壳程易增加流速；
c 有腐蚀性或高压流体多走管内，以减少设备腐蚀或降低壳体受压；
d 饱和蒸汽一般走壳程，因蒸汽较清洁，且冷凝液排出方便；
e 被冷却流体一般选壳程，便于散热；
f 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将传热膜系数大的流体通入壳程，以减少温差应力；
g 流量小而温差大的液体一般走壳程为宜，因在壳程Re>100即可达到湍流。但这并不是绝对，若流动阻力允许，将该种流体通入管内并采用多管程结构，反而能得到更高的传热膜系数。
煤油没有腐蚀性，碳钢的价格低，强度较高所以换热器的材料选择碳钢。由于水的对流传热系数一般比较大，且易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程
2.4流速的选择
增加流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上的沉积的可能，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流动阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济核算才能确定。
此外，在选择流速时，还需要考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，但管子度有一定的标准；单程变为多程使平均温度下降。这些也是选择流速时应考虑的问题。
下表列出了常用的流速适用范围，供设计时参考。所选流速，应尽可能避免处于层流状态。
流体种类
一般液体
易结垢液体
气体
流速/（m/s）
管程
0.5～3
>1
5～30
壳程
0.2～1.5
>0.5
3～15

液体粘度/mpa·s
>1500
1500～500
500～100
100～35
35～1
<1
最大流速
0.6
0.75
1.1
1.5
1.8
2.4
2.5 管子规格和排列方法
选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应该超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前管壳式换热器系列标准仅有及两种规格的管子。
管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗且易弯曲。一般出厂的标准管长为6m，合理的换热器管长为1.5m、2m、3m和6m。系列标准中也采用这四种管长。
如前所述，管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列。等边三角形排列的优点有：管板的强度高；流体走短路机会少，且管外流体扰动较大，因此对流传热系数较高；相同壳程可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是：便于清洗外观的外壁，适用壳程流体易结垢的场合；但其对流传热系数较正三角形排列时低。正方形错列排列则介于上述两者之间，与直排列相比，对流传热系数可适当提高。
管子在管板上排列的间距t（指相邻两根管子的中心距），随管子于管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t＝（1.3～1.5），且相邻两管外壁间距不应小于6，即t（+6）。焊接法取t＝1.25。
2.6 管程和壳程数的确定
当流体的流量较小或传热面积较大而需要管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是管程数过多，导致管内流动阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度下降；此外多程隔板使管板上的可利用面积减小。设计师应考虑这个问题。管壳式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。
管程数m可按下式计算，即

式中 ——管程内流体的是以速度，m/s；
——单管程时管内流体的实际速度，m/s；
当温度校正系数低于0.8时，可采用壳方多程。但由于壳程隔板在制造、安装和检修等方面都有困难，故一般不采用壳方多程。
2.7 折流挡板
安装折流挡板的目的，是为了增加壳程流体的速度，使湍流程度加剧，以提高壳程对流传热系数。
最常用的是圆缺形挡板，切去的弓形高度为外侨内径的10％～40％，一般取20％～25％，过高或过低度不利于传热。
两相邻挡板的距离（板间距）h为外内径的0.2～1倍。系列标准中采用的h值为：固定管板式的有150、300、600三种；浮头室的有150、200、300、480和600五种。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。
2.8 外壳直径的确定
对于斧浮头式换热器而言，换热器的壳体内径应等于或稍大于官办的直径。根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可作图法确定壳体的内径。一般在初步设计中，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需要的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。待全部设计完后，仍应用作图法画出管子排列图。为了使管子排列均匀，防止流体走“短流”，可适当增减一些管子。
另外，初步设计也可以用下式计算壳体内径，即

式中 ——壳体内径，；
——管中心距，：
——横穿过管束中心线的管数；
——管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，一般取＝（1～1.5），m。
值可由下面公式估算，即
管子正三角形排列
＝1.1
管子按正方形排列
＝1.19
式中n为换热器的总管数。
按上述方法计算得到的壳内径应圆整，标准尺寸见下表
壳体外径/mm
325
400，500，600，700
800，900，1000
1100，1200
最小壁厚/mm
8
10
12
14
2.9 主要附件
(1)封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小（一般小于400mm）的壳体，圆形用于大直径的壳体.
(2)缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。
(3)导流筒 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必经过这个空间。
(4)放气孔、排液孔 换热器的壳体上常按有放气孔和排液孔，以排出不凝气体和冷凝液等。
(5)接管 换热器流体的进、出口的接管的直径按下式计算，即

式中 ——流体的体积流量，；
——流体在接管中的流速，。
流速的经验值可取为
对液体 ＝1.5～2
对蒸汽 ＝20～50
对气体 ＝（0.15～0.2） （P为压强，Kpa; 为气体密度，Kg/）。
3定性温度下流体物性

密度
/
比热容/
粘度
/Pa·s
导热系数
/
煤油
810
203
0.91
0.13
水
994
4.187
0.727
0.626
4．工艺计算
4.1试算和初选换热器的规格
① 计算煤油流量、热负荷和冷却水流量

②计算量流体的平均温差。暂按单壳程、多管程进行计算。逆流时平均温差为

其中
而 ，
由图查得；。所以

③初选换热器规格。根据两流体的情况，假设K=520 W·m·℃，故

由于，因此需考虑热补偿。据此，由换热器系列标准中选定F500Ⅱ—2.5—58型换热器，有关数据参见下表。

壳径/
公称压强/
公称面积
管程数
700
2.5
124
2
管子尺寸/m
管长/
管子总数
管子排列方法
252.5
6
268
正方形斜转
实际传热面积
若选择该型号的换热器，则需要过程的总传热系数为

4.2核算压强降
①管程压强降

其中=1.4 ，=2.
管程流通面积

设管壁粗糙度，，由—Re关系图查得=0.034，所以

则
②壳程压强降

其中，

管子为正方形斜转排列，F=0.4。

取折流挡板间距h=0.15m。

壳程流通面积

所以，

计算表明，管程和壳程都能满足设计要求。
4.3 核算总传热系数
①管程对流传热系数

② 壳程对流传热系数

取换热器列管之中心距t=32mm。则流体通过管间最大截面积为

壳程中煤油被冷却，取。所以

③ 污垢热阻 参考附录，管内、管外污垢热阻分别取为

④总传热系数 管壁热阻可忽略时，总传热系数为

由前面可知，选用该型号换热器的总传热系数为377，在规定的流动条件下，计算的为，故选择的换热器是合适的。安全系数为

5 接管的计算
壳程流体进出接管：

煤油进出口接管的内径

6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
25252.5
自来水流量/kg/h
134306
实际传热面积S/㎡
124.1
要求过程的总传热系数/W/（㎡℃）
377
总传热系数/W/（㎡℃）
435
安全系数/%
15.3
管程压强降/Pa
14549
壳程压强降/Pa
13892

参数 数据

壳径D/mm
700
公称压强/Mp
2.5
公称面积S/㎡
124
管程数Np
2
管子尺寸/mm
φ25×2.5　
管长/m
6
管子总数n
268
管子排列方法
正方形斜转
管心距/mm
32
折流板数
49
板间距/mm
150
弓高/mm
75
拉杆直径/mm
12
拉杆数量
4

7 参考文献
[1] 化工原理（上、下册），谭天恩，麦本熙，丁惠华编著， 化工出版社， 1998 .
[2] 刁玉玮，王立业，喻健良.《化工设备机械基础》（第六版）[M].大连：大连理工大学出版社，2006.
[3] 上海医药设计院．《化工工艺设计手册》．北京：化学工业出版社，1996.
[4] 贾绍义、柴诚敬主编．化工原理课程设计[M]．天津：天津大学出版社，2002.
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[6] 夏清，姚玉英，陈常贵，等. 化工原理 [M]. 天津：天津大学出版社，2001.
[7] 魏崇光，郑晓梅.化工工程制图[M]. 北京：化学工业出版社，1998.
8 设计自评
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.
经过两周的奋战我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，使我认识到合作的重要性.我和组员们相互设计了不同的方案，然后集中讨论，选择最佳的设计方案。遇到难的地方，就各自去图书馆查找资料，询问老师或同学，既而进行攻坚，团队的力量是无穷的，没有克不了的难关。同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
在此也要感谢我们的指导老师刘鹏曾给予我们的的指导，感谢老师们教给我们那么多课本上学不到的知识。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我受益匪浅。

9 附表

表1管口表
符号
尺寸
用途
连接
a

循环水入口
平面
b

循环水出口
平面
c

丁二烯入口
平面
d

丁二烯出口
平面
e

排气口
凹凸面
f

排残液
凹凸面

表2 流体的污垢热阻

表3 流体的污垢热阻

表4 换热器常用流速范围

表5浮头式换热器的基本参数

公称直径/mm
管程数
管子总根数
中心排管数
管程流通面积／
计算的换热器面积
管子长度/mm
3000
4500
6000
管子尺寸/mm
19
25
19
25

19
25
19
25
19
25
325
2
60
32
7
5
0.0053
0.0055
0.0050
10.5
7.4
15.8
11.1

4
52
28
6
4
0.0023
0.0024
0.0022
9.1
6.4
13.7
9.7

436
400
2
120
74
8
7
0.0106
0.0126
0.0116
20.9
16.9
31.6
25.6
42.3
34.4
4
108
68
9
6
0.0048
0.0059
0.0053
18.8
15.6
28.4
23.6
38.1
31.6
500
2
206
124
11
8
0.0182
0.0215
0.0194
35.7
28.3
54.1
42.8
72.5
57.4
4
192
116
10
9
0.0085
0.0100
0.0091
33.2
26.4
50.4
40.1
67.6
53.7
600

2
324
198
14
11
0.0286
0.0343
0.0311
55.8
44.9
84.8
68.2
113.9
91.5
4
308
188
14
10
0.0136
0.0163
0.0148
53.1
42.6
80.7
64.8
108.2
86.9
6
284
158
14
10
0.0083
0.0091
0.0083
48.9
35.8
74.4
54.4
99.8
73.1
700

2
468
268
16
13
0.0414
0.0464
0.0421
80.4
60.6
122.2
92.1
164.1
123.7
4
448
256
17
12
0.0198
0.0222
0.0201
76.9
57.8
117.0
87.9
157.1
118.1
6
382
224
15
10
0.0112
0.0129
0.0116
65.6
50.6
99.8
76.9
133.9
103.4
800

2
610
366
19
15
0.0539
0.0634
0.0575

158.9
125.4
213.5
168.5
4
588
352
18
14
0.0260
0.0305
0.0275

153.2
120.6
205.8
162.1
6
518
316
16
14
0.0152
0.0182
0.0165

134.2
108.3
181.3
145.5

表6 列管式换热器中K值大致范围
热流体
冷流体
传热系数
K/(W·m²·K-1)
水
水
800～1200
轻油
水
340～910
重油
水
60～280
气体
水
17～280
水蒸汽冷凝
水
1420～4250
水蒸汽冷凝
气体
30～300
低沸点烃类蒸汽冷凝
水
455～1140
高沸点烃类蒸汽冷凝
水
60～170
水蒸汽冷凝
水沸腾
2000～4250
水蒸汽冷凝
轻油沸腾
455～1020
水蒸汽冷凝
重油沸腾
140～425
因此取K其中平衡值1000计算。
10 附图
图1——对数平均温差校正系数

图2——摩擦系数与雷诺数、相对粗糙度间的关系

图2——几种换热器的结构

11 设计中使用的符号与公式说明
英文字母
t—冷流体温度，℃；
A—流通面积，m2；
t—管心距，m；
b—厚度，m；
T—热流体温度，℃；
c—常数，m；
u—流速，m/s；
cp—定压比热容，kJ/(kg*℃)；
W—质量流量，kg/s。
d—管径，m；

D—换热器壳径，m；
希腊字母
h—挡板间距，m；
α—对流传热系数，W/(m2*℃)；
K—总传热系数，W/(m2*℃)；
λ—导热系数，W/(m*℃)；
l—长度，m；
μ—粘度，Pa*s；
L—长度，m；
ρ—密度，kg/m3
n—管数；
σ—表面张力，/m。
N—程数；

p—压强，Pa；
下标
Q—传热速率或热负载，W；
i—管内；
r—半径，mm；
m—平均；
R—热阻，m2*℃/W；
o—管外；
S—传热面积，m2；
Λt—温度差；