煤油卧式列管式冷却器的设计

化工原理课程设计

题 目：煤油卧式列管式换热器的设计

系 别：

班 级：

学 号：

姓 名:

指导教师：日 期：

2011 年 6 月

日

任务书

一、 设计题目：

煤油冷却器的设计

二、设计任务

1、处理能力 ：14×10³ t/年煤油

2、设备型号 ：卧式列管式换热器 3、操作条件 ：

煤油:入口温度140℃ ，出口温度40℃

冷却介质 ：循环水，入口温度25℃，出口温度35℃ 允许压降 ：不大于105Pa 每年按330天计 建厂地址 ：新乡

三、设计要求

1、选择适宜的列管式换热器并进行核算 2、要进行工艺计算

3、要进行主体设备的设计（主要设备尺寸、横算结果等）

4、编写设计任务书

5、进行设备结构图的绘制（设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。）

目 录

一、设计方案 .................................................................................................................................. 5

⒈ 换热器的选择 ..................................................................................................................... 5 2．流动空间及流速的确定 ..................................................................................................... 5 二、物性数据 .................................................................................................................................. 5 三、计算总传热系数：................................................................................................................... 6

1. 热流量 .................................................................................................................................. 6 2. 平均传热温差 ...................................................................................................................... 6 3. 冷却水用量 .......................................................................................................................... 6 4. 总传热系数K ...................................................................................................................... 6 四、计算换热面积........................................................................................................................... 7 五、工艺结构尺寸........................................................................................................................... 7

1. 管径和管内流速 .................................................................................................................. 7 2. 管程数和传热管数 .............................................................................................................. 7 3. 平均传热温差校正及壳程数 .............................................................................................. 4. 传热管排列和分程方法 ...................................................................................................... 5. 壳体内径 .............................................................................................................................. 6. 折流板 .................................................................................................................................. 7. 接管 ...................................................................................................................................... 六、换热器核算............................................................................................................................... 9

1. 热量核算 .............................................................................................................................. 9 2. 热量重新核算 .................................................................................................................... 10 3. 换热器内流体的流动阻力 ................................................................................................ 11 4. 换热器主要结构尺寸和计算结果 .................................................................................... 13 七、设计的评述............................................................................................................................. 14 八、参考文献................................................................................................................................. 14 九、主要符号说明......................................................................................................................... 15 十、主体设备条件图及生产工艺流程图 ..................................................................................... 15

一、设计方案

1 换热器类型的选择

在本次设计任务中，两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体(循环水)进口温度25℃，出口温度35℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，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式换热器。

2、流动空间及流速的确定

在固定管板式式换热器中，对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点： (1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。

(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。

(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。

(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。

(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。 (6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。

由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/ｓ。 二、确定物性数据

两流体在定性温度下的物性数据如下表

三、计算总传热系数

（一）计算热负荷（热流量）

按管间煤油计算，即

2.22103140401.54106WQW1cp1T1T219.8105/330243600



（二）冷却用水量

忽略热损失，则水的用量为

Q1.54106

W236.93kg/s 3

cpt2t14.174104030（三）计算逆流平均温度差

逆流温差Δtm,逆

14040403039.09C

ln140-40/4030（四）总传热系数K

1.管程给热系数

Re

diuiρi0.020.5994

1365410000，故采用下式计算αi μi0.000728

diuiρi

μ

i



0.8

λ

αi0.023i

di

cpμλ

0.4

0.6260.0200.599441740.000728

0.023

0.0200.0007280.626

0.02331.32033.31.88122753.7W/m2C

2.壳程给热系数

假设壳程给热系数αo290W/m2C 3.污垢热阻

0.80.4

Rsi0.00042m2C/WRso0.000172mC/W

2

4.管壁的导热系数

碳钢的导热系数λ45W/mC。 5.总传热系数

K

1

o1

RsiooRsoαididiλdmαo

1

[1**********]2500251

0.0.000172

2753.70.0200.020450.0225290





1

214.5W/m2C

0.0004540.0005250.0000620.0001720.003448

四、估算传热面积

Q1.54106

S183.7m2

KΔtm,逆214.539.09

考虑15%的面积裕度，S1.15S1.15183.7211.2m

2

五、工艺结构尺寸

1.管径和管内流速

选用Φ252.5的碳钢换热管，管内流速ui0.5m/s 2.管程数和传热管数

根据传热管内径和流速确定单程传热管数

ns

Vπ2diui4



36.93/994

236.6237（根） 2

0.7850.020.5

按单管程计算所需换热管的长度

L

S211.2

11.4m

nsπdo2373.140.025

按单管程设计，传热管过长，现取传热管长l6m，则该换热器的管程数为

L11.42（管程） l6

传热管的总根数N2372474（根） Np

3.平均传热温差校正及壳程数

P

t2t14030

0.091T1t114030

R

T1T214040

10

t2t14030

按单壳程双管程结构，查单壳程φPR图，因R10，P0.091在图上难以读取，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线得φ0.82。于是

Δt0.8239.0932.05C。

单壳程双管程属于1-2折流，现用1-2折流的公式计算平均温度差

Δtm

ln

2P1R

R21t2t1

22

2P1RR1

R1

ln

20.091110120.0911101

22

214030

32.2

℃

现对上述查图方法进行说明。对于1-2折流有：

φ

R211P2P1RR21

ln/ln

2R11PR2P1RR1

令R1/R，PPR，则R1/R，PPR。将R、P以P、R代入上式得

11/R1/R212PR1/R11PRφln/ln

21/R11P2PR11/R1/R1



2

1RR122PR11Pln/ln

2R11PR2P1RR1



2

显然，用P、R对φ作图应为同一图线。本设计取有效对数平均温度差为

Δtm32.2℃。

4.传热管排列和分程方法

采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。取管心距

t1.25do，则

t1.252532mm

横过管束中心线的管数nc1.N1.47426（根） 5.壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η0.7，则壳体内径

D1.05tN/η1.05474/0.7874.3mm

圆整取D900mm。 6.折流板

采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 h0.25900225mm，取h225mm。

取折流板间距为B0.3D，则B0.3900270mm，取B300mm。 折流板数NB

传热管长6000

1119（块）

折流板间距300

折流板圆缺水平面安装。

7.接管

壳程流体（煤油）进出口接管：取接管内煤油流速为1.0m/s，则接管内径

4V419.8107/33024360082540.008418d0.104m

πu3.141.03.141.0

取标准管径为100mm。

管程流体（循环水）进出口接管，取接管内循环水的流速为1.5m/s，则接管内径

d

4V436.93/994

0.178m（取标准管径为200mm） πu3.141.5

六、换热器核算

（一）热量核算

1.壳程对流给热系数

对于圆缺形折流板，可采用克恩公式

λ

αo0.36o

de

deuoρoμ

o



0.55

cpoμoλo



1/3

μoμw

0.14

当量直径由正三角形排列得

2π2

42t4dode

πdo

壳程流通截面积

3π22

40.0320.025240.020m

3.140.025

d0.0252

SoBD1o0.30.910.059m

t0.032

壳程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为

uo

0.008418

0.143m/s

0.059

0.0200.143825Reo3300

0.00071522200.000715Pro11.34

0.14

0.14

33000.5511.341/31487.7W/m2C 0.020

αo0.36

2.管程对流给热系数

αi0.023

λidi

diuiρiμ

i

0.8

cpiμiλi

 

0.4

管程流通截面积

Si0.7850.0202474/20.07442m2

管程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为

ui

36.93/994

0.499m/s

0.07442

0.0200.499994Rei13633

0.00072841740.000728Pri4.854

0.626

λ

αi0.023i

di

diuiρicpiμi

μλii0.626

136330.84.8540.40.023 0.020

0.02331.32030.81.88122750W/m2C

0.80.4

3.传热系数K

K

1

dodbd1

RsiooRsoαididiλdmαo

1

0.0250.0250.00250.0251

0.000420.000172

27500.0200.020450.0225487.7

1

306.4W/m2C0.0004550.0005250.0000620.0001720.002050

4.传热面积

Q1.54106

S156.1m2

KΔtm306.432.2

该换热器的实际换热面积

SpπdoLNnc3.140.02560.06047426208.9m2

面积裕度为

H

SpSS

100%

208.9156.1

100%33.8%

156.1

换热面积裕度合适，能够满足设计要求。

（二）换热器内流体的流动阻力

1.管程流动阻力

ΔpΔp

i

1

Δp2FtNpNs（Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）

取换热管的管壁粗糙度为0.01mm，则ε/d0.005，而Rei13633，查图得 λi0.037

Lρui269940.4992Δp1λi0.0371373.7Pa

di20.022Δp23

ρu9940.499

3371.3Pa22

2i

2

对φ252.5mm的管子有Ft1.4，且Np2，Ns1

ΔpΔp

i

1

Δp2FtNpNs1373.7371.31.4214886Pa105Pa

管程阻力在允许的范围之内。

2.壳程流动阻力

对壳程有折流挡板时，计算壳程阻力的方法有Bell法、Kern法和Esso法等。Bell法计算结果与实际数据的一致性较好，但计算比较麻烦，而且对换热器的结构尺寸要求较详细。工程计算中常采用Esso法，该法的计算公式如下：

ΔpΔpΔpFN（F为结垢校正系数，对液体F=1.15，N为壳程数）

o

1

2

s

s

s

s

s

2ρuo

FfoncNB1流体流经管束的阻力Δp1

2

F为管子排列方式对压强降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形直列F0.3，正方形错列时，F0.4。

0.228

Reo500时，fo5.0Reo5.03300

nc为横过管束中心线的管数，nc26。

fo

为壳程流体的摩

0.228

擦系数，当

0.7884

折流板间距B0.3m，折流板数NB19

8250.1432

0.50.788426191Δp11729.1Pa

2

流体流经折流板缺口的阻力

2Bρuo

NBΔp23.5

D2

20.38250.1432193.5Δp2454.1Pa0.92

2

Δp

o

1729.1454.11.1512511Pa105Pa

该换热器的管程与壳程压降均满足要求，故所设计的换热器合适。

七、设计的评价

这次化工原理课程设计是以小组为单位，然后组员进行分工合作来确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。

通过本次设计，我学会了根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，以及如何计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。通过课程设计可以巩固对主体设备图的了解，以及学习到工艺流程图的制法。对化工原理设计的有关步骤及相关内容有一定的了解。通过本次设计熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解。在设计的过程培养了大胆假设，小心求证的学习态度。通过本次课程设计，我还认识到，组员之间一定要多沟通，多交流意见，要不然，一个人的能力再怎么强，在团体工作中也是不能够出色完成设计任务。但由于本课程设计属第一次设计，而且时间比较仓促，查阅文献有限，本课程设计还不够完善，不能够进行有效可靠的计算。

最后，非常感谢我的同组人员，正是有他们在一起讨论，有了他们的帮助，才使我更快更顺利地在较短时间内完成本设计。

八、参考文献

[1] 贾绍文，柴诚敬. 化工原理课程设计.天津:天津大学出版社,2002.8. [2]谭天恩,窦梅,周明华等.化工原理.北京:化学工业出版社,2006.4

[3]中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布，1989 [4] 时均等.化学工程手册(第二版，上卷).化学工业出版社，1996 [5]魏崇光,郑晓梅.化工工程制图:化工制图.北京:化学工业出版社,1994.3

九、主要符号说明

P——压力，Pa ; Q——传热速率，W； R——热阻，㎡·℃/W； Re——雷诺准数； S——传热面积，㎡； t——冷流体温度，℃； T——热流体温度，℃； u——流速，m/s;

m——质量流速，㎏/h; ——对流传热系数W/(㎡·℃);

——导热系数，W/(m·℃) ——校正系数;

——粘度，Pa·s;  ——密度，㎏/m3;

Sp——实际传热面积，m2 Pr——普郎特系数

n——板数，块 K——总传热系数，W/m℃

2

V——体积流量 N——管数

D——壳体内径 d——管径

十、主体设备条件图及生产工艺流程图（附图）