1、化工原理课程设计题目名称煤油冷却器的设计学院（部）包装与材料工程学院专业应用化学学生姓名班级1002班学号10404600219指导教师姓名职称副教授最终评定成绩2014年06月摘要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，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，
2、对换热器的要求也日益增强。换热器的设计制造结构改进以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。根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。由于使用条件的不同，换热器可以有各种各样的形式和结构。在生产中，换热器有时是一个单独的设备，有时则是某一工艺设备的组成部分。衡量一台换热器好的标准是传热效率高、流体阻力小、强度足够、结构合理、安全可靠、节省材料、成本低，制造、安装、检修方便、节省材料和空间、节省动力。关键字煤油换热器列管式换热器膨胀节固定管式封头管板目录第一章前言1第二章方案设计说明121换热器的选型122材质的选择223换热器其他结构设计3231管程
3、机构3232壳程结构3233换热器材质的选择3第三章列管式换热器的设计计算431流动空间及流苏确定432确定物性参数433计算总传热系数5331热流量5332平均传热温差5333冷却水用量5334总传热系数534计算传热面积635工艺结构尺寸6351管径和管内流速6352管程数和传热管数6353平均传热温差校正及壳程7354传热管排列和分程方法7355壳体内径7366折流板8357接管836换热器核算8361热量核算8362换热器内流体的流动阻力10第四章计算结果一览表12结论13参文文献14附录1油冷却器的设计任务书15附录2符号说明16第1章前言化工原理课程设计，是将所学的化工原理理论知识
4、联系实际生产的重要环节。一方面，它要求综合运用物理，化学，化工原理，工程制图的理论知识，确定生产工艺流程和计算设备的尺寸；另一方面，又要求根据设计对象的具体特征，凭借设计者的经验（或借鉴前人的经验），灵活运用设计的诀窍，对所选设备，工艺过程以及各种参数进行合理的筛选，校正和优化，达到经济合理的生产要求。工业生产过程，两种物料之间的热交换一般是通过热交换器完成的，所以换热器的设计就显的尤为重要。换热器的设计，首先应根据工艺要求确定换热系统的流程方案并选用适当类型的换热器，确定所选换热器中流体的流动空间及流速等参数，同时计算完成给定生产任务所在地需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸且根据实际流体的
5、腐蚀性确定换热器的材料，根据换热器内的压力来确定其壁厚。第2章设计方案说明21换热器的选型在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体,一种流体温度较高,放出热量另一种流体则温度较低,吸收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。换热器按用途可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式、间壁式，其中间壁式应用最广泛。按其传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、版面式换热器和扩展表面式换热器。管壳式换热器又分
6、为列管式、套管式和螺旋管式。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，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。列管式换热器有以下几种1、固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。2、U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口
7、分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。3、浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。特点结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。本次生产设计要求中，两流体温度变化情况热流体进口温度130，出口温度40；冷流体（循环水）进口温度28，出口温度38。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
8、定选用带膨胀节的固定管板式换热器。固定管板式换热器两端管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单、价格低廉、管子里面易清洗。22材质的选择换热器的设计时，换热器的各种零件，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要求来选取。换热器的常用材料有碳钢和不锈钢。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比较合理的，如一般换热器的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号。不锈钢，以1CR18NI9为代表，它是标准的188奥体式不锈钢，有稳定的奥体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。据生产要求，冷热流体分别为水合
9、煤油，均无腐蚀性化学性质比较稳定，以及生产经济合理，选择碳钢作为换热器的材料。23换热器其他结构的选择231管程结构换热管的布置和排列间距常用的换热管有192MM,252MM,2525MM。因选择的为碳钢10，故可选择换2525MM换热管径。热管板上的排列方式有正方形直列，正方形错列，三角形直列，三角形错列和同心圆排列。正三角形排列结构紧凑，我国换热器系列中，固定板式多采用正三角形排列。管间距与管外径的壁纸，焊接时为125，胀接时13至15。232壳程结构壳体直径小于400MM的壳体通常用钢管制成，壳体大于400MM的壳用钢板卷焊而成。折流板常用的为圆形折流板，切缺率通常为20至50。垂直圆缺
10、用于水平冷凝器，水平再沸器等，选用垂直圆缺。推荐折流板间隔最小值为内径的1/5或小于50MM，此设计中使用折流板间隔为内径的1/4。233换热器材质的选择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。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。在本次设计中所涉及的换热器中的流体都是煤油或水，不存在腐蚀性。所以本次设计中的换热器的管材和壳材都选用碳钢。
11、第三章列管式换热器设计31流动空间及流速的确定由于冷却循环水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用2525MM的碳钢管，管内流速取错误未找到引用源。32确定物性数据定性温度可取流体进口温度的平均值。根据定性温度分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。流体物性定性温度/密度/（KG/M3）黏度/（MPAS比热容/KJ/KG热导率/W/M煤油858230732170135冷却水339948407344178062033计算总传热系数331热流量000122500021713040/3600135625MPQQCTTKW332平均传热温差012121303840283931303
12、8LNLN4028MTTTCTT333冷却水用量0135625360011686214/41783828MIPIIQQKGHCT334总传热系数K管程传热系数13040/285MTC煤油的定性温度3828/233MTC冷却水的定性温度44002059948413553710100000734IIIEIDUR08040023PIIIIIIIIICDUD3340804200620417810073410002313553100020620273166/WMC壳程传热系数假设壳程的传热系数200290/WMC污垢热阻202000000344/0000172/SISRMCWRMCW管壁的导热系数045
13、/WMCOSOMOIOSIIIORDBDDDRDADK111002500250002500251000034400001722731660020002045002252902188420/WMC34计算传热面积32135625101577021884393OMQSMKT考虑15的面积裕度，21151151577018136SSM35工艺结构尺寸351管径和管内流速选用5225传热管，取管内流速SM/50UI。352管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数221168621499484360020782080785002054SIVNDU按单程管计算，所需的传热管长度为18136L1
14、1113140025208OSSMDN按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L6M，则该换热管管程数为111126PLNL（管程）传热管总根数2082416N（根）353平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数12211304093828TTRTT21113828009813028TTPTT按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R10的点在图上难以读出，因而相应以1R代替R，PR代替P，查同一图线，可得08508T平均传热温差0853933341MTMTTC354传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列隔板两侧采用正方形排列。取管心距025
15、1DT，则12525312532TMM横过管束中心线的管数119119416242724CNN（根）355壳体内径采用多管程结构，取管板利用率70，则壳体内径为416105105328191007NDTMM圆整可取900DMM356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025900225HMM，故可取H225MM取折流板间距B03D，则03900270BMM，可取B300MM折流板数BN传热管长/折流板间距16000119300（块）折流板圆缺面水平装配。357接管壳程流体进出口接管取接管内油品流速为10/UMS，则接管内径为4425000/360082
16、3010373141VDMU取标准管径为114MM5MM。管程流体进出口接管取接管内循环水流速为15/UMS，则接管内径为4411686041/3600994840166531415VDMU取标准管径为180MM5MM。36换热器核算361热量核算（1）壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式00551/30140000036PREWRD当量直径，由正三角形排列得222200334400320785002524200203140025ETDMDD壳程流通截面积200002510300910059060032DSBDMT壳程流体流速及雷诺数分别为025000/36008230143/005
17、906UMS040020143823RE3224357310普兰特准数34217107310PR11730135PC粘度校正0141W0551/32000135036322435117346955/002WMC（2）管程对流传热系数08040023REPRIIID管程流通截面积22241607850020065312422SIINSMD管程流体流速11686041/36009948404996M/S0065312IU）（00204996994841354280000734IIIEIDUR普兰特准数3441781073410PR49460620PC080408042006200023REPR00
18、2313542849460022730/IIIDWMC（3）热系数KOSOMOIOSIIIORDBDDDRDADK112010025002500025002510000344000017227300020002045002254695530757/WMC（4）传热面积S321356251013198307573341QSMKT该换热器的实际传热面积PS20314002560064162418279PCSDLNNM该换热器的面积裕度为0000001827913198100100385013198PSSHS传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。362换热器内流体的流动阻力（1）管程流动阻力1
19、2ITSPPPPFNN1,2,14SPTNNF2212,ILUUPPD由RE13542，传热管相对粗糙度01/200005，查莫狄图得200037/IWMC，流速105IUMS3,99484KGM，所以216994840499600371378130022PPA2229948404996337247UPPA1213781337247141249016810ITSPPPPFNNPAKPA管程流动阻力在允许范围内。（2）壳程阻力012TSPPPFN1,115STNF流体流经管束的阻力201012CBUPFFNN022802280005,50RE5032243507926FF024,19,0142M
20、/SCBNNU201021282301430507926241911600682CBUPFFNNPA流体流过折流板缺口的阻力B027M，D090M20222352203082301431935452990902BUBPNDPA总阻力0121600684529911523617210TSPPPFNPAKPA壳程流动阻力也比较适宜工艺参数ADN180冷却循环水入口平面换热器主要结构尺寸和计算结果名称管程壳程ADN80循环水入口平面BDN80循环水出口平面物料名称循环水油CDN100煤油入口凹凸面操作压力，MPA0404DDN100煤油出口凹凸面操作温度，0C28/38130/40EDN80排气口凹
21、凸面流量，KG/H11686225000FDN80放净口凹凸面流体密度，3KGM99484823流速，M/S049960143传热量，KW135625总传热系数，2/WMK30757对流传热系数，2/WMK273046955污垢系数，2/MKW00003440000172阻力降，PA490168236172程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格2525管数416管长MM6000管间距，MM32排列方式正三角形折流板型式上下间距，MM300壳体内径，MM900结论化工原理课程设计是培养化工能力的的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握了化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及
22、物理性质、化学性质的查找方法和技巧；能画出工艺流程、塔板结构等图。在设计中要考虑理论的可行性，还要考虑生产的经济性和安全性。这是第一次我们真正的接触到与我们专业实际相联系的事物，我们都怀着十分期待的心情面对此次课程设计。在短短的两周内，我们刚开始意识到任务的艰难，开始讨论、计算，再到各种材料的选取，我们深切的感受到理论要与实际结合的重要性。化工原理本来是很难学的一门课程，而且课程设计带有大量的计算，画图过程对于细节的处理要求也很高，所以刚开始的时候，我们都感觉很困难，甚至还有点畏惧和抵触情绪，但是当我们开始画起开的时候，却在期中找到了乐趣，还有很高的成就感，真的应了那句古话，“万事开头难”。在
23、设计中，我们学到了很多平时学不到的东西。首先，我们充分地认识到我们所学的知识的重要性，深刻地体验到理论知识在实际生产中发挥的举足轻重的作用，一方面巩固了已有的知识，另一方面也拓展了新的视野。另外，我们也学会了“活到老学到老”的道理，设计过程相当于一个探索过程，在这个过程中，我们接触到许多课本中没有的知识，对于自身的不足也有了充分的了解，并做了几十的改正。但是，对实际应用还是义一无所知，还需要大量的学习与实践。同时，诸多步骤的繁琐的计算中，充分地培养了严谨的学习态度，做事必须细致认真，尤其在工程设计中，一个小小的错误可能导致不堪设想的后果。另外，通过本次课程设计，我们也充分认识到在实际生产中，更
24、多的药考虑设备的合理性，经济性对于此次课程设计，历时两周，虽然有些繁杂却不乏乐趣，在设计的过程中，我们组员之间团结相互合作，有什么问题大家共同讨论，共同分享快乐和学习过程中的艰辛，共同进步。让我们加强了退队合作精神。也加强了我们的专业知识。让问更进一步的加强了以后面对社会的资本。限于我们的水平，设计中难免有不足与谬误之处，恳请老师们批评指正。参考文献1贾绍义，柴诚敬化工原理课程设计天津大学出版社M，200216192陈声宗化工设计化学工业出版社M，200275813柴诚敬化工原理第二版上册高等教育出版社M，20092082644杨树才化工制图化学工业出版社M，200536595韩冬冰，李叙凤化
25、工工程设计学苑出版社M，200546696聂清德化工设备设计化学工业出版社M，20023642附录1煤油冷却器的设计任务书1设计题目煤油冷却器的设计。2设计任务及操作条件（1）处理能力25000KG/H煤油（2）设备型式列管式换热器（3）操作条件煤油入口温度130，出口温度40冷却介质自来水，入口温度28，出口温度38，循环冷却水的压力为04MPA（4）设计项目设计方案简介对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。换热器的工艺计算确定换热器的传热面积。换热器的主要结构尺寸设计。主要辅助设备选型。绘制换热器设备图。3设计说明书的内容（1）目录；（2）设计题目及原始数据任务书；（3）论述换热器总体
26、结构换热器型式、主要结构的选择；（4）换热器加热过程有关计算物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等；（5）设计结果概要主要设备尺寸、衡算结果等；（6）主体设备设计计算及说明；（7）参考文献；（8）后记及其它。4设计图要求绘制换热器设备图一张手绘，A2一主视图，一剖面图。附录2符号说明T热流体温度，；T冷流体温度，；CP比定压热容，KJ/（KG）；导热系数，W/（）；Q传热速率，K；Q,H_热流体质量流量，KG/H；Q,C冷流体质量流量，KG/H；TM平均传热温度，；RE雷诺数；D管径，MM；U流速，M/S；黏度，PAS；对流传热系数，W/M2；R导热热阻，M2/W；K总传热系数，W/M2；B平壁厚度，MM；S传热面积，M2；N管数；V体积流量，M3/S；L传热管长度，M；L特性尺寸，M；N程数；R,P因数；T平均温度校正系数，量纲为一；T管心距，MM；D壳体内径，MM；利用率；H圆缺高度，MM；B折流板间距，MM；NB折流板数；DE当量直径，MM；PR普兰特准数；H面积裕度；P压力，PA；FT结垢校正系数；NS串联壳程数；局部阻力系数；F管子排列方式对压力降的校正系数；F0壳程流体摩擦系数；下标H热流体的；C冷流体的；E当量的；I管内的；O管外的；M平均的；S污垢；W壁面；
