浮头换热器的课程设计说明书

化工原理课程设计

设计题目：浮头式换热器的设计

指导教师 李毅

学生姓名 凌风

2010 年 10 月 20 日

浮头式换热器设计任务书

一、 设计题目：浮头式换热器的设计

二、 设计原始数据 操作条件：

①大豆油：入口温度133℃，出口温度40℃

②冷却介质：循环水，入口温度30℃，出口温度40℃ ③大豆油处理量：5000kg/h ④允许压降：不大于1×105Pa ⑤大豆油定性温度下的物性数据：

根据液体相对密度共线图查得86.5℃下大豆油的密度为：

=925 kg/m3

根据液体粘度共线图得86.5℃下大豆油的粘度为：

0=0.000850 Pa/s

根据液体比热容共线图得86.5℃下大豆油的定压比热容为： CP0 =2.052 kJ/(kg·℃)

查表得86.5℃下大豆油的导热系数为

0=0.1559 W/(m·℃)

⑥循环冷却水在定性温度下的物性数据如下： 密度： i=994 kg/m3

定压比热容：CPi =4.08 kJ/(kg·℃) 导热系数：i=0.626 W/(m·℃) 粘度：i=0.000725 Pa/s

⑦每年按330天计算，每天24小时连续运行。

三、 设备型式 浮头式换热器

四、 设计任务

1. 编写课程设计说明书

2. 设计计算列管式换热器的管径尺寸、管内流速、热负荷、传热面积、管程数、管数、壳程数和接管尺寸等 3. 工艺流程图及换热器工艺条件图 4. 设计评述

目 录

一、设计方案 ......................................................................................................................................... 3

1.1选择换热器的类型................................................................................................................... 3 1.2流动空间及流速的确定........................................................................................................... 3 二、物性数据 ......................................................................................................................................... 4 三、计算总传热系数 ............................................................................................................................. 4

3.1热流量 ...................................................................................................................................... 4 3.2平均传热温差(逆流)............................................................................................................... 4

2

3.3冷却水用量 .............................................................................................................................. 4 3.4总传热系数K ........................................................................................................................... 4 四、计算传热面积 ................................................................................................................................. 5 五、工艺结构尺寸 ................................................................................................................................. 5

5.1管径和管内流速 ...................................................................................................................... 5 5.2管程数和传热管数................................................................................................................... 5 5.3平均传热温差校正系数........................................................................................................... 6 5.4传热管排列和分程方法........................................................................................................... 6 5.5壳体内径 .................................................................................................................................. 6 5.6折流板 ...................................................................................................................................... 6 5.7接管 .......................................................................................................................................... 7 六、换热器核算 ..................................................................................................................................... 7

6.1热量核算 .................................................................................................................................. 7 6.2换热器内流体的流动阻力 ....................................................................................................... 9 6.3换热器主要结构尺寸和计算结果 ......................................................................................... 10 七、主体设备图 ................................................................................................................................... 11 八、参考文献 ....................................................................................................................................... 11 九、主要符号说明 ............................................................................................................................... 11 十、总结 ............................................................................................................................................... 12

一、设计方案

1.1选择换热器的类型

两流体温度变化情况：

入口温度133℃，出口温度40℃

循环水，入口温度30℃，出口温度40℃

本设计任务为煤油冷却器的设计，两流体在传热过程中无相的变化，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换热器；固定管板式换热器结构比较简单，制造简单，制造成本低，管程可用多种结构，规格范围广，在生产中广泛应用。因壳侧不易清洗，故不适宜较脏或有腐蚀性的物流的换热，适用于壳壁与管壁温差小于70℃、壳程压力不高并可用化学方法清洗的场合。

1.2流动空间及流速的确定

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，大豆走壳程。管径选用Φ19mm×2mm碳钢管，取管内流速ui=0.5m/s。

3

二、物性数据

定性温度：可去流体进口温度平均值 壳程大豆油的定性温度为：

T=

13340=86.5（℃） 23040=35（℃） 2管程循环水的定性温度为：

t=

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 油在86.5℃下的有关物性数据如下：

30m密度 =925 kg/

定压比热容 CP0=2.052kJ/(kg.℃)

导热系数 λo=0.1559W/（m.℃） 粘度 μo=0.000850 Pa.s 循环冷却水在35℃下的物性数据： 密度 ρi=994kg/m 定压比热容 Cpi=4.08kJ/(kg.℃) 导热系数 λi=0.626W/（m.℃） 粘度 μi=0.000725 Pa.s

3三、计算总传热系数

3.1热流量

Q0= M0CP0t0=5000×2.052×103×(133-40)=9180(kJ/h)=265.05（KW)

3.2平均传热温差(逆流)

tmt1t2(13340)(4030)37.2℃ t113340lnln4030t23.3冷却水用量

iQ0918023386.8kg/h

Cpiti4.08(3830)3.4总传热系数K

1.管程传热系数

Rediuiii0.0151.099410283kg/h0.000725 4

i0.0230.023idiuii0.8Cpi0.4()()diii0.620800.0007250.4102830.8()4833W/(m2℃）0.0150.6262

2.壳程传热系数

假设壳程的传热系数0300W/(m℃） 3.污垢热阻

Rsi0.000344m2℃/W Rs00.000530m2℃/W

4.管壁的导热系数

λ=45W/(m℃）（《化工原理》上册，谭天恩主编，附录四）

所以，总传热系数K

2K1

d0d0bd01RsiRs0idididi0 =

10.0190.0190.0020.01910.0003440.00053048330.0150.0150.01703002

=216.9W/(m℃）

四、计算传热面积

265.05103Q

S===32.8（m2）

Ktm216.937.2'考虑8％的面积裕度，换热器才足够安全，所以

S=1.08×S'=1.08×32.8=35.4 （m2）

五、工艺结构尺寸

5.1管径和管内流速

选用Φ19mm×2mm传热管（碳钢），取管内流速ui=0.5 m/s

5.2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

5

ns=

V4=

di2u23386.8/(9943600)75（根）

0.7850.01521按单程管计算，所需的传热管长度为 L=

S35.4==7.9 （m） d0ns3.140.02575按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=4.5m,则该换热器管程数为

Np=

L7.92（管程） =

l4.5传热管的总根数 N=75×2=150（根）

5.3平均传热温差校正系数

133409.3

40304030R0.097 13330R按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R = 9.3 的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得：t=0.78 平均传热温差：tm=ttm=0.7837.2=29.0℃

'

5.4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t=1.25d0,则

t=1.2519=23.75≈24(㎜)

横过管束中心线的管数

nc=1.1N=1.1150=14(根)

5.5壳体内径

采用多程管结构，取管板利用率0.7 ，则壳体内径为

D=1.05t

N=1.05×24

304=368.9（㎜） 0.7圆整可取 D=400㎜

5.6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=0.25×400=100（㎜）可取170mm 取折流板间距B=0.3D，则

6

B=0.3×400=120（㎜）可取120mm

折流板数 NB=

传热管长45001=1=37（块）

折流板间距1200折流板圆缺面水平装配。

5.7接管

壳程流体进出口接管：取接管内苯流速u=0.8m/s,则接管内经为：

d=

4V45000/(3600825)==0.049m u3.140.8取标准管径为100mm,管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.2m/s,则接管内径为

d=

423386.8/(3600994)=0.083m

3.141.2取标准管径为80mm

六、换热器核算

6.1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

a0=0.36

0.55Re0Pr1/3(0/w)0.14 0de当量直径，由正三角形排列得

4(de=

33220.02420.7850.0192)td0)4(224==0.013（m）

3.140.019d0壳程流通截面积

S0=BD(1-

d00.019)=0.12×0.4×(1-)=0.01008（m）

t0.024壳程流体流速及其雷诺数分别为

5000/(3600925)=0.149（m/s）

0.010080.0150.149925Re0==2432

0.000850u0=

普兰特准数

2.0521030.000850Pr==11.19

0.1559 7

粘度校正 （

）0.14≈1 wa0=0.36×

0.150×24320.55×11.191/3=586（W/(㎡·℃)） 0.015（2）管程对流传热系数

ai=0.023

iRe0.8Pr0.4 di150=0.0132(㎡) 2管程流通截面积

Si=0.785×0.0152×

管程流体流速

23386.8/(3600994)=0.495（m/s）

0.01320.0150.495994Re==10180 30.72510ui=

4.081030.725103Pr==4.73

0.626ai=0.0230.626101800.84.730.4=2873（W/(㎡·℃)） 0.02(3)传热系数K

K=

1

d0d0bd01RsiRs0aidididia0=

10.0190.0190.0020.01910.0003440.00053028730.0150.0150.017586

=316.2（W/（㎡·℃））

（4）传热面积S

S=

Q265050==28.9（㎡） Ktm316.229该换热面积的实际传热面积Sp

Sp=d0L（N-nc）=3.140.019(4.5-0.045)×(150-14)=36.1(㎡)

该换热器的面积裕度为

H=

SpSS×100％=

36.128.9=24.9％

28.9 8

可见传热面积裕度合适，所以该换热器能完成生产任务

6.2换热器内流体的流动阻力

（1）管程流动阻力

P=（PP）FN

i12tsNp

Ns=1， Np=2，Ft=1.5

lu2u2P1i，P2

d22由Re=10180，传热管相对粗糙度

0.01=0.005，查莫狄图得i=0.032W/㎡·℃,流速20ui=0.495m/s i=994kg/m3,所以

0.49529946P=1558.8（Pa） 1=0.032×

20.0159940.4952P2=3=365.4（Pa）

2P=(1558.8+365.4)×1.5×2=5772.6 Pa﹤10 Pa

5

i管程流动阻力在允许范围之内。 （2）壳程阻力

P0''(P1P2)FtNs

Ns=1，Ft1

流速流经管束的阻力

PFf0nc(NB1)'12u02

F=0.5

f05.0Re=5.024320.228=0.8452

nc=14

NB=37,u0=0.149m/s

9250.1492P0.50.845214(371)=2308.5（Pa）

2'1流体流过折流板缺口的阻力

9

22Bu0PNB(3.5)

D2'2B=0.12m ,D=0.40m

20.129250.1492P37(3.5)=1101.8（Pa）

0.402'2总阻力：

P0=（2308.5+1101.5）=3410.3（Pa）﹤10Pa

5

壳程流动阻力也比较适宜。

6.3换热器主要结构尺寸和计算结果

表1-1换热器主要结构尺寸和计算结果

换热器型式：固定管板式 换热面积（m2）：36.0 工艺参数 名称 物料名称 操作压力，MPa 操作温度，℃ 流量，kg/h 流体密度，kg/m3 流速，m/s 传热量，KW 总传热系数，w/m2.K 对流传热系数，w/m2.K 污垢系数，m2.k/w 阻力降，MPa 程数

管口表 符号 a 壳程 大豆油 0.3 40/133 5000 925 0.149 b c d e f 尺寸 DN200 DN200 DN100 DN100 DN20 DN20 用途 循环水入口 循环水出口 油品入口 油品出口 排气口 放净口 连接型式 平面 平面 凹凸面 凹凸面 凹凸面 凹凸面 管程 循环水 0.4 30/40 23386.8 994 0.495 265.05 318.5 2873 0.000344 0.0057726 2 594 0.000530 0.0034103 1 10

(附图见A2装置图）

推荐使用材料 管子规格 管心距，mm 折流板型式 壳体内径,mm 24 上下 400 碳钢 管数 150 排列方式 间距，mm 120 碳钢 管长mm 正三角形 切口高度25% 4500 φ19×2 保温层厚度，mm 七、主体设备图

八、参考文献

1.郑志祥，机械零件，高等教育出版社，1995. 2.林大钧，化工机械设计制图（下册）科学出版社. 3.贺匡国，化工容器设备简明设计手册. 4.各种网络资料.

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，℃；

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T——热流体温度，℃； u——流速，m/s;

qm——质量流速，㎏/h; ——对流传热系数W/(㎡·℃);

——有限差值； ——导热系数，W/(m·℃);

——粘度，Pa·s;  ——密度，㎏/m3;

——校正系数。 r——转速，n/(r/min)

H——扬程，m (NPSH)r——必须汽蚀余量，m

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℃

2qv——体积流量 N——管数

十、总结

我们本次设计的任务是设计一个浮头式换热器。因为是团队协作完成的，所以我们再设计之初就对组员进行了任务分配，将七个组员分成三个小组，分别为计算小组、数据小组和绘图小组。开始设计后大家各司其职，相互配合，从而使我们比较有效率的完成了设计。

在设计之初我们就遇到了阻力，我们负责查找资料的组员通过多种途径查阅了很多资料都没有找到大豆油在86.5℃时的物理性质，这样我们就没有办法进行计算。后来在老师的帮助和我们的共同努力下，我们克服了这个困难。计算的过程进行的比较顺利，但是也出现了一些问题。我们事先没有考虑到含有杂质的大豆油比水的粘度大，让油走管程，所以得我们的计算小组又计算了一次。但是发现如果要达到设计任务的换热要求，管程数为24。所以我还是采用油走壳程的方式。绘图工作主要由我完成的，我觉得这是设计过程中最困难的工作了，因为要求绘制的装配图比较精细，要精确到装置中的每一个零部件。用老师的话说就是别人看到我们画的图就知道怎么去把它做出来。好在我学过工程制图，有一些基础。但是由于没有对浮头式换热器的内部构造没有一个直观的认识，所以在绘图之初感到无从下手。后来我和我的搭档去图书馆和网上查阅了很多有关浮头式换热器的结构的资料，慢慢的找到了头绪，并着手绘图工作。后面的装配图画的也比较顺利，但是其中的一些零部件的选择花去了我们很多的精力去查阅书籍资料，但是最终我们还是克服了重重困难，完成了本次的课程设计。

通过本次的课程设计，让我在理论的基础上进一步理解了浮头式和其他各种换热器的结构和工作原理。并且是我们第一次设计用于生产的机械，期间遇到了不少的阻力，锻炼了我们分析问题和解决问题的能力。这次的设计是团队协作完成的，依赖每一个组员的认真负责的态度，

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培养了我们团队与合作的意识。当然如果没有老师的指导，我们会遇到更多的麻烦。

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