煤油冷却器的设计换热器毕业设计(编辑修改稿)

煤油冷却器的设计换热器毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

........... 42 毕业设计（论文）用纸 1 毕业设计任务书 题目 煤油冷却器的设计 任务及操作条件 处理能力： 10 万吨 /年煤油 设备形式： 列管式换热器 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 30℃ ，出口温度 40℃ (3).允许压强降：不大于 100kPa (4).煤油定性温度下的物性数据：密度 825kg/m3，黏度 ，比热容(kg.℃ )，导热系数 (m.℃ ) (5).每年按 330 天计，每天 24 小时连续运行 列管式换热器的选择与核算 传热计算 管、壳程流体阻力计算 管板厚度计算 U 形膨胀节计算（浮头式换热器除外） 管束振动 管壳式换热器零部件结构 毕业设计（论文）用纸 2 概述 换热器概述 换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。 在化工厂，换热器的费用约占总费用的 10%～ 20%，在炼油厂约占总费用 35%～ 40%。 换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。 因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。 换热器的类型按传热方式的 不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。 其中间壁式换热器应用最广泛，如表 21 所示。 表 21 传热器的结构分类 类型 特点 间 壁 式 壁 管 壳 式 列 管 式 固定管式 刚性结构 用于管壳温差较小的情况（一 般 ≤ 50℃ ），管间不能清洗 带膨胀节 有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 浮头式 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合 U 型管式 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难 填料函式 外填料函 管间容易泄露，不宜处理易挥发、 易爆炸及压力较高的介质 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合 釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮 双套管式 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中 毕业设计（论文）用纸 间 式 套管式 能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器 螺旋管式 沉浸式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热 螺旋板式 可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收 低温热能 伞板式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净 板壳式 板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高 混合式 适用于允许换热流体之间直接接触 蓄热式 换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合 固定管板式 因设计需要，下面简单介绍一下固定管板式换热器。 固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。 但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。 当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。 有具有补偿圈（ 或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。 这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于 70℃ ）和壳方流体压强过高（一般不高于 600kPa）的场合。 毕业设计（论文）用纸 图 21 固定管板式换热器的示意图 1挡板 2补偿圈 3放气嘴 设计背景及设计要求 设计背景 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛地使用各种换热器，且他们是上述这些行业的通用设备 ，并占有十分重要的地位。 在化工厂，换热器的费用约占总费用的 10%20%，在炼油厂约占总费用的 35%40%。 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的活跃。 一些新型的换热器相继问世。 随着换热器在工业生产中地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器自然有各自不同的优缺点与性能；所以在换热器的设计中，首先应根据工艺要求选择使用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 设计要求 完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求： （ 1）合理地实现所规定的工艺条件：可以从： ① 增大传热系数 ② 提高平均温差 ③妥善布置传热面等三个方面具体着手。 （ 2）安全可靠 换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我毕业设计（论文）用纸 国《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。 （ 3）有利于安装操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。 设备与部件应便于运输与拆卸，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排 放口，检查孔与敷设保温层。 （ 4）经济合理 评价换热器的最终指标是：在一定时间内（通常 1 年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。 在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。 毕业设计（论文）用纸 3 热量设计 初选换热器的类型 两流体的温度变化情况如下： （ 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 30℃ ，出口温度 40℃ ； 该换热器用循环冷却自来水进行冷却，冬季操作时， 其进口温度会降低，考略到这一因素，估计所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，需考虑热膨胀的影响，相应地进行热膨胀的补偿， 故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器。 管程安排 (流动空间的选择 )及流速确定 已知两流体允许压强降不大于 100kPa；两流体分别为煤油和自来水。 与煤油相比，水的对流传热系数一般较大。 由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应使循环自来水走管程，而使煤油走壳程。 表 式换热器内的适宜流速范围 流体种 类 流速 /（ m/s） 管程 壳程 一般液体 ~3 ~ 易结垢液体 1 气体 5~30 3~15 表 （以普通钢壁为例） 液体粘度 /mPa． s ＞ 1500 1500～ 500 500～ 100 100～ 35 35～ 1 ＜ 1 最大流速 /（ m/s） 由上表，我们初步选用 Φ25 的碳钢管，管内流速取 ui=。 毕业设计（论文）用纸 确定物性数据 定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取 流体进出口温度的平均值。 壳程流体（煤油）的定性温度为： T= 2 40140 =90℃ 管程流体（水）的定性温度为： t= 352 3040  ℃。 在定性温度下，分别查取管程和壳程流体 (冷却水和煤油 )的物性参数，见下表： 密度 /（㎏ /m3） 比热容 /（ kJ/kg•℃ ） 粘度 /（ Pa•s） 导热系数 /（ W/m•℃ ） 煤油 825 104 水 (35℃ ) 994 104 计算总 传热系数 煤油的流量 已知要求处理能力为 15 万吨煤油每年（每年按 330 天计，每天 24 小时连续运行），则煤油的流量为： Wh=100000t/（ 33024） =12626kg/h Wh——热流体的流量， kg/h； 热流量 由以上的计算结果以及题目已知，代入下面的式子，有： Q= )( 21 TTcW phh  =12626kg/h•℃ (14040) ℃ =778603W 平均传热温差 计算两流 体的平均传热温差 暂时按单壳程、多管程计算。 毕业设计（论文）用纸 逆流时，我们有 煤油： 140℃ →40 ℃ 水： 40℃ ←30 ℃ 从而， 39。 mt =3040 40140ln)3040()40140( ℃ 而此时，我们有： 0 304011 12  tT ttP 103040 4014012 21  tt TTR 式 中 T1， T2——热流体 （煤油）的进出口温度， K 或 ℃ ； t1， t2——冷流体（自来水）的进出口温度， K 或 ℃ ； 由图 419（参见天津大学出版社的《化工原理（上册修订版）》 233 页）可查得：t =﹥ ，所以，修正后的传热温度差为： mt = 39。 mt t ==32℃ 冷却水用量 由以上的计算结果以及已知条件，很容易算得： Wc=)( 12 ttC Qpc =)3040(41802802972= kg/h 总传热系数 K 总传热系数的经验值见表 34，有关手册中也列有其他情况下的总传热系数经验值，可供设计时参考。 选择时，除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。 毕业设计（论文）用纸 表 34 总传热系数的选择 管程 壳程 总传热系数 /[W/（ m3℃ ） 水（流速为 ～ ） 水 冷水 冷水 冷水 盐水 有机溶剂 轻有机物 μ＜ s 中有机物 μ=～ 1mPas 重有机物 μ＞ 1mPas 水（流速为 1m/s） 水 水溶液 μ＜ 2mPas 水溶液 μ＞ 2mPas 有机物 μ＜ s 有机物 μ=～ 1mPas 有机物 μ＞ 1mPas 水 水 水 水 水 水（流速为 ～ ） 水（流速较高时） 轻有机物 μ＜ s 中有机物 μ=～ 1mPas 重有机物 μ＞ 1mPas 轻有机物 μ＜ s 有机溶剂 μ=～ s 轻有机物 μ＜ s 中有机物 μ=～ 1mPas 重有机物 μ＞ 1mPas 水蒸气（有压力）冷凝 水蒸气（常压或负压）冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 水蒸 气冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 有机物蒸气及水蒸气冷凝 重有机物蒸气（常压）冷凝 重有机物蒸气（负压）冷凝 饱和有机溶剂蒸气（常压）冷凝 含饱和水蒸气的氯气（＜ 50℃ ） 582～ 698 814～ 1163 467～ 814 290～ 698 116～ 467 233～ 582 198～ 233 233～ 465 116～ 349 58～ 233 2326～ 4652 1745～ 3489 1163～ 1071 582～ 2908 582～ 1193 291～ 582 114～ 349 582～ 1163 116～ 349 58～ 174 582～ 1163 174～ 349 毕业设计（论文）用纸 管程 壳程 总传热系数 /[W/（ m3℃ ） 水 水 水 SO2 冷凝 NH3 冷凝 氟里昂冷凝 814～ 1163 698～ 930 756 （ 1） .管程传热系数： 136700 0 0 7 2  i iiii ud   00 80Pr  i ipi uc  )()(iipiiiiii ucuddai  3 6 7 iid =2753 W/m2•℃ （ 2） .壳程传热系数： 假设壳程的传热系数是： o =500 W/m2•℃ 污垢热阻： Rsi=℃ /W Rso= m2℃ /W 管壁的导热系数： =45 m2℃ /W 管壁厚度： b= 内外平均厚度： dm= 在下面的公式中，代入以上数据，可得 osoioiosiiio RdbdddRddK11  毕业设计（论文）用纸 =1247。 =320W/m2•℃ 计算传热面。