煤油换热器的设计

食品科学与工程学院

食品工程原理课程设计说明书

任务名称：列管换热器设计    

设计人员：

专    业：食品科学与工程专业

班级组别：

设计时间：2014年1月07日

1  设计任务书

一、设计题目：煤油换热器的设计

二、设计原始数据

1.处理能力：3.0*105吨/年煤油

2.设备型式:列管式换热器

3.操作条件:

煤油:入口温度160℃ ,出口温度 45℃

冷却介质:循环水,入口温度20℃,出口温度40℃.

允许压降:不大于105Pa

煤油定性温度下的物性数据:

ρ=825kg/m3

μ=7.15*10-4Pa•S

Cp=2.22kJ/(kg•℃)

λ=0.14W/(m•℃)

每年按330天计,每天24小时连续运行

三、设备型式:

列管式换热器

四、设计任务：

1.设计计算列管式换热器的热负荷、传热面积、换热管、壳体、接管等。

2.绘制列管式换热器的工作图。

2  换热器概述

换热器（Heat Exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。 列管式换热器工业上使用最广泛的一种换热设备。其优点是单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。

列管式换热器主要有以下几个类型：固定管板式换热器、浮头式换热器、 U 形管式换热器等。 设计一个比较完善的列管式换热器，除了能满足传热方面的要求外，还应该满足传热效率高、体积小、重量轻、消耗材料少、制造成本低、清洗维护方便和操作安全等要求。 列管式换热器的设计，首先应根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，确定管数、管程数和壳程数，然后进行机械设计[1~3]。

3  设计方案简介

3.1  换热器类型

两流体温度变化情况：热流体（煤油）进口温度为160℃，出口温度45℃；冷流体（循环水）进口温度为20℃，出口温度为40℃。 

壳程煤油的定性温度： 

管程流体的定性温度： 

 两流体温差：    

因为，所以选用浮头式换热器。

3.2  流动空间选择

由于循环冷却水易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程；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，所以水走管程[4~9]。因逆流时的平均温度差最小，传热推动力大，可节省冷却介质的用量，操作无特殊要求，故流动方式选逆流。

3.3  物性参数

对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度都可以取流体的进出口温度的平均值[10~13]。故煤油的定性温度为：Tm=102.5℃，管程流体的定性温度为：tm=30℃。

在定性温度下，流体的物性参数如下表所示：

表1  定性温度下煤油与冷却水的物性参数

Tab.1  Physical parameters of kerosene and cooling water qualitative temperature under 

4.1  热负荷

若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得，即：

4.2  平均传热温差

逆流温差：

由R和P查图得，故选用单壳程的列管式换热器。

5  初选换热器规格

根据管内为冷水，管外为煤油，K值范围，初选，所以 

考虑15%的面积裕度：

经过查表选择的换热器的总面积为125.12 m2，因此，初选固定管板式换热器规格如下[14~18]：

表2  固定管板式换热器初选规格

Tab.2  Primaries specifications of fixed tube plate heat exchanger 

换热器要求的总传热系数为：

6  参数核算

6.1  管程对流换热系数

Re>10000, Pr=0.7~160 ,

管长与管径之比：

所以（液体被加热）

错了，0.023

6.2  壳程对流换热系数

换热器中心附近管排中流体通截面积为

h—折流挡板间距，

t—管中心距，对的管子，

由正三角形排列，得：

因为在范围内，故可由下式计算。

液体被冷却 

6.3  污垢热阻

经查表得：

6.4  总换热系数

管子材料选用Q345R低碳合金钢，取其导热系数

选用该换热器时，要求过程的总传热系数为，在传热任务所规定流动条件下，计算出，所选择的换热器的安全系数为：

该数值在15%~25%之间，所以换热器传热面积的裕度符合要求。

6.5  管程进出管

进出口流通截面积为：

进出口管内径为：

取用的热扎钢管

6.6  壳程进出口管

进出口流通截面积为：

进出口管内径为：

取用热扎钢管。

6.7  浮头箱

外头盖内直径：

外头盖同样采用材质为钢的标准椭圆形封头，δ=12mm

曲面高度：

直边高度

6.8  浮头

如图示为浮头端的装配图，包括碟形盖，钩圈法兰和浮动管板，由于浮动管板要与管子胀接后从壳体一端伸到另一端，因此管板的外直径应小于壳体内径，其主要尺寸如下：

图1  浮头结构示意图

Fig.1  Schematic diagram of floating structure

浮动管板外直径： 

浮动管板厚：

浮头法兰外径：

浮头法兰内直径：

碟形盖内半径：

厚度：取15mm

7  校验压力降

7.1  管程压力降

前已计算出：

（湍流）

取钢管壁粗糙度0.2mm，则

由摩擦系数图查得，所以

对于的管子，，，，所以 

7.2  壳程压力降

其中

管子为正三角形排列，取

折流板数：

所以 

从上面计算可知，该换热器管程与壳程得压强降均满足题设要求，故所选换热器合适[19~22]。

8  设计结果一览表

换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见表3。

表3  换热器主要结构尺寸一览表

Tab.3  A list main structure size of the heat exchanger

经过对列管式换热器的参数计算，确定满足设计要求的换热器各项技术参数，利用Autodesk CAD2013进行换热器的整体设计，设计剖视图图如图所示，详细参数见附录一。

图2  浮头式换热器剖视图

Fig.2  The cutaway view of Floating head heat exchanger

8  设计评论

浮头式换热器的工艺设计主要包括以下内容：

①根据具体换热任务和有关要求确定设计的设备类型，查找资料确定流动液体的物性参数；

②初步计算过程工艺参数，确定换热器的规格和结构尺寸；

③根据初选情况，核算换热器的传热面积和流体阻力；

④确定换热器的设计结果，确定设计一览表中各项参数具体数值，绘制换热器的CAD图形。

在选择换热器的类型时，我们考虑到两种流体的进出口温度，在定性温度确定后，考虑到两流体的温度相差较大（72.5℃），就可能由于热应力而引起管子弯曲或使管子从管板上拉脱，因此需要考虑这种热膨胀对换热器的影响。但在确定哪一种流体走壳程哪一种走管程时，我们发现有一些相互矛盾的因素存在，在经过我们讨论与咨询之后，综合各种考虑因素，最终确定了管程与壳程的流体类型，同时也确定了选择浮头式内导流换热器作为本次课程设计的基本方案。

在换热器的类型、流动空间的选择以及物性参数确定后，我们首先对工艺过程的一些基本参数进行了计算，在算出换热面积之后，我们考虑到15%的面积裕度，并根据面积以及换热器的类型查表，选择一个换热面积相近的标准换热器。随后对实际数据进行参数核算。在核算换热系数时，我们返工了3次，因为选择的型号面积裕度并未在10%—25%之间，后来由返工了1次，实在校核压力降时发现压力降过大。

在数次的返工中，我们发现之前的选择以及考虑中存在的问题，同时也不断优化了计算的过程，同时也更加熟悉了整个换热器设计的过程。

设计评论：

（1）本设计满足设计任务的各项要求，同时设计的浮头式内导流换热器符合生产的标准要求。

(2)设计的浮头式列管换热器水走管程，煤油走壳程有效的提高了换热效率,降低了生产的投入，同时充分考虑到温差对换热器造成的影响。

(3)设计的浮头式列管换热器为一壳程二管程。

(4)在绘制CAD图、计算各项参数的过程中，我们已尽力做到自己可以完善的地步，但可能还与标准规定有一定的差异，也可能还有很多没有考虑周到的地方，敬请老师批评指正。

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