柴油预热原油的管壳式换热器结构设计.docx
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柴油预热原油的管壳式换热器结构设计
柴油预热原油的管壳式换热器结构设计
1.设计任务书
1.1设计题目
用柴油预热原油的管壳式换热器
1.2设计任务
1.查阅文献资料,了解换热设备的相关知识,熟悉换热器设计的方法和步骤;
2.根据设计任务书给定的生产任务和操作条件,进行换热器工艺设计及计算;
3.根据换热器工艺设计及计算的结果,进行换热器结构设计;
4.以换热器工艺设计及计算为基础,结合换热器结构设计的结果,绘制换热器装配图;
5.编写设计说明书对整个设计工作的进行书面总结,设计说明书应当用简洁的文字和清
晰的图表表达设计思想、计算过程和设计结果。
1.3操作条件
物料
温度C
质量流量
kg/h
比热
kJ/kg.°C
密度
kg/m3
导热系数
W/m.C
粘度
Pa.s
入口
出口
柴油
170
T2
35080
2.48
715
0.133
0.64x10-3
原油
60
105
41104
2.20
815
0.128
3.0x10-3
2.概述
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。
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。
3.设计条件及物性参数表
3.1操作条件
原油:
入口温度60C出口温度105C质量流量:
41104kg/h
加热介质柴油:
入口温度170C出口温度T2质量流量:
(35080)kg/h
允许压降:
不超过0.3x105Pa
3.2物性参数表
物料
温度C
质量流量
kg/h
比热
kJ/kg.°C
密度
kg/m3
导热系数
W/m.C
粘度
Pa.s
入口
出口
柴油
170
T2
35080
2.48
715
0.133
0.64x10-3
原油
60
105
41104
2.20
815
0.128
3
3.0X10-
4.方案设计和拟订
根据任务书给定的冷热流体的温度,来选择设计列管式换热器中的浮头式换热器;再依据冷热流体的性质,判断其是否易结垢,来选择管程走什么,壳程走什么。
在这里,柴油走管程,原油走壳程。
从手册中查得冷热流体的物性数据,如密度,比热容,导热系数,黏度。
计算出总传热系数,再计算出传热面积。
根据管径管流速,确定传热管数,标准传热管长为6m算出传热管程,传热管总根数等等。
再来就校正传热温差以及壳程数。
确定传热管排列方式和分程方法。
根据设计步骤,计算出壳体径,选择折流板,确定板间距,折流板数等,再设计壳程和管程的径。
分别对换热器的热量,管程对流系数,传热系数,传热面积进行核算,再算出面积裕度。
最后,对传热流体的流动阻力进行计算,如果在设计围就能完成任务。
4.1列管式换热器种类选取
根据固定管板式的特点:
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。
U形管式特点:
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。
浮头式特点:
结构复杂、造价高,便于清洗和检修,完全消除温差应力,应用普遍。
我们设计的换热器的流体是油,易结垢,再根据可以完全消除热应力原则我们选用浮头式换热器。
4.2管程与壳程的选取
根据以下原则:
1.不洁净和易结垢的流体宜走管,以便于清洗管子
2.腐蚀性的流体宜走管,以免壳体和管子同时受腐蚀,且管子也便于清洗和检修
3.压强高的流体宜走管,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,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,我们选择柴油走管程,原油走壳程。
4.3流体流速的选择
增加流体在换热器中的流速,将加大对流传热系数,减少污垢在管子表面上沉积的可能性,即降低了污垢热阻,使总传热系数增大,从而可减小换热器的传热面积。
但是流速增加,又使流体阻力增大,动力消耗就增多。
所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。
此外,在选择流速时,还需考虑结构上的要求。
例如,选择高的流速,使管子的数目减少,对一定的传热面积,不得不采用较长的管子或增加程数。
管子太长不易清洗,且一般管长都有一定的标准;单程变为多程使平均温度差下降。
这些也是选择流速时应予考虑的问题。
在本次设计中,根据表换热器常用流速的围,取管流速
4.4管子的规格和排列方法选择
选择管径时,应尽可能使流速高些,但一般不应超过前面介绍的流速围。
易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。
我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有
©25X2.5mn及©19Xm两种规格的管子。
在这里,选择©25x2.5mn管子。
管长的选
择是以清洗方便及合理使用管材为原则。
长管不便于清洗,且易弯曲。
一般出厂的标准钢管长为6m则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m此外,管长和壳径应相适应,一般取L/D为4〜6(对直径小的换热器可大些)。
在这次设计中,管长选择4m。
管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等,等边三角形排列的优点有:
管板的强度高;流体走短路的机会少,且管外流体扰动较大,因而对流传热系数较高;相同的壳径可排列更多的管子。
正方形直列排列的优点是便于清洗列管
的外壁,适用于壳程流体易产生污垢的场合;但其对流传热系数较正三角排列时为低。
正方形错列排列则介于上述两者之间,即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提
管子在管板上排列的间距(指相邻两根管子的中心距),随管子与管板的连接方法
不同而异。
通常,胀管法取t=(1.3〜1.5)d,且相邻两管外壁间距不应小于6mm即
t>(d+6)。
焊接法取t=1.25d
4.5管程和管壳数的确定
当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时,有时会使管流速较低,因而对流传热系数较小。
为了提高管流速,可采用多管程。
但是程数过多,导致管程流体阻力加大,增加动力费用;同时多程会使平均温度差下降;此外多程隔板使管板上可利用的面积减少,设计时应考虑这些问题。
列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6
程等四种。
采用多程时,通常应使每程的管子数大致相等。
根据计算,管程为6程,壳
程为单程。
4.6折流挡板
安装折流挡板的目的,是为了加大壳程流体的速度,使湍动程度加剧,以提高壳程对流传热系数。
最常用的为圆缺形挡板,切去的弓形高度约为外壳径的10〜40%,一般取20〜25%,过高或过低都不利于传热。
两相邻挡板的距离(板间距)B为外壳径D的
(0.2〜1)倍。
系列标准中采用的B值为:
固定管板式的有150、300和600mr三种,板间距过小,不便于制造和检修,阻力也较大。
板间距过大,流体就难于垂直地流过管束,使对流传热系数下降。
这次设计选用圆缺形挡板。
换热器壳体的径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。
初步设计时,可先分别选定两流体的流速,然后计算所需的管程和壳程的流通截面积,于系列标准中查出外壳的直径。
5.设计计算
5.1确定设计方案
5.1.1选择换热器的类型
因为,QlQ2
所以,
qm1Cpi
Ti_qm2CP2T2
35080
3600
2.48(170T2)
41104
2.20(10560)
3600
得到T2=123.2256
两流体温度变化情况:
热流体(柴油)进口温度170C,出口温度123.2256C;冷流体(原油)进口温度60C,出口温度105C。
该换热器用柴油预热原油,为易结垢的流体。
该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大,因此初步确定选用浮头式换热器。
5.1.2流动空间及流速的测定
为减少热损失和充分利用柴油的热量,采用柴油走管程,原油走壳程。
选用©25
x2.5mm勺碳钢管,根据表三一管流速取ui=1.0m/s。
.
5.2确定物性数据
根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
柴油的有关物性数据如下:
密度1715kg/m3
定压比热容cp12.48kJ/(kg°C)
导热系数10.133W/(mC)
黏度i0.64103Pas
原油的物性数据:
密度
3
2815kg/m3
定压比热容Cp2
2.20kJ/(kgC)
导热系数
0.128W/(mC)
3
黏度23.°10Pas
5.3计算总传热系数
5.3.1热流量
4110436
Qqm1Cp1T12.2010(10560)1.225810W
13600
5.3.2平均传热温差
tm
ln」
t2
64.1087C
(170105)(126.707060)
170105
In
126.707060
5.3.3总传热系数K
管程传热系数
0.021.0715
1
6.410
4
2.234410
0.023」
d1u11
Cpi
di
0.023
0.133
0.020
2.23
340.4
104082.48106.410
0.133
970W/m2C
壳程传热系数
假设壳程的传热系数
540W/m2C
污垢热阻
Rd1Rd21.72104m2C/W
管壁的导热系数
45W/mC
d2
1d1
Rd1
d2
d1
bd2
dm
Rd2
1.72104遊5
9700.0200.020
0.00250.025
450.0225
1.72104
1
540
278.6W/m2C
5.4计算传热面积
1.1303106
278.664.1087
63.2842m2
5.5工艺结构尺寸
5.5.1
管径和管流速
选用252.5传热管(碳钢),取管流速u11.0m/s
5.5.2
管程数和传热管数
依据传热管径和流速确定单程传热管数
V350807153600““一一/出、
ns243.40314(根)
_d2u0.7850.0221.0
41
按单程管计算,所需的传热管长度为
L」72276821.0702m
d2ns3.140.02544
6m,
按单程管设计,传热管过程,宜采用多管程结构。
现取传热管长则该换热器管程程数为
Np半于4(管程)
传热管总根数N444176(根)
5.5.3
平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
R170123.22561.0394
10560
P105600.4091
17060
按单壳程,4管程结构,温差校正系数应查附图
对数平均温度校正系数
可得
平均传热温差
tmtt'm0.92364.108759.1723C
5.5.4传热管排列和分程方法
采用组合排列法,即每程均按正三角排列,隔板两恻采用正方形排列.取管心距
t1.25d2,则
t1.252531.2532mm
横过管束中心线的管数
nc1.19.N1.191761(根)
5.5.5壳体径
采用多管程结构,取管板利用率06,则壳体径为
D1.05t、N—1.0532.1760.6575.4661mm
圆整可取D580mm
5.5.6折流板
采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体径的25%则切去的圆缺高度为
h0.25580145mm
取折流板间距B0.3D,
可取B为200mm
折流板数
Nb
传热管长
折流板间距
6000129(块)
200
折流板圆缺面水平装配。
5.5.7接管
壳程流体进出口接管:
取接管流速为u1.0m/s,则接管径为
d4V44110436008150.1335m)
HuY3.141.0
取标准管径为150mm
d
4350803600715
3.141.0
管程流体进出口接管:
取接管循环水流速u1m/s,则接管径为
0.1317(m)
取标准管径为150mm
5.6热量核算
5.6.1.1壳程对流传热系数
对圆缺形折流板,可采用凯恩公式
0.14
20.55132
20.36—Re?
Pr—
dew
de
4t24d22
当量直径,由正方形排列得
22
4°.°32°.785°.°250.027(m)
壳程流通截面积
SoBD1d12
0.20.58100250.0253(m)
0.032
壳程流体流速及其雷诺数分别为
U2
411043600815
0.0314
0.4461(m/s)
Re。
0.0270.4461815
310
3.27211034
普兰特准数
Pr
3
2.20103
3103
0.128
51.56
0.14
粘度校正一1.2414
w
0128
2°36扇删21103)0.5551仙14676^612W/m2C
561
.2管程对流传热系数
Re
0.020.9875715
0.00064
普兰特准数
Pr
3
2.4810
3
0.6410
0.133
11.9
0.0230.133(2.2064104)0.811.903959.7562W/m2°C0.02
5.6.1.3传热系数K
Rd1
d2
d1
bd2
dm
Rd2
0.025
959.75620.020
0.000172
0.025
0.020
0.00250.025
450.0225
0.000172
1
676.0612
326.9794W/m2C
5.6.1.4传热面积S
Q
Ktm
2
53.9208m
1.1303106
326.979464.1087
该换热器的实际传热面积Sp
SpdzLNnc
3.140.02560.0617616
2
74.6064(m)
该换热器的面积裕度为
H100%
S
74.606453.9208
53.9208
100%
38.3629%
传热面积裕度大,该换热器能够完成生产任务
5.6.2核算压力降
562.1管程压力降
R
R1
Ns1,
Np
R1
l
1—
d
4,
Ft1.4
2
2
u
R2
u
2
2
P2FtNsNp
0.01
由Re2.2344104,传热管相对粗糙度20
0.005
诺准数及相对粗糙度的关系得1
0.032W/mC,流速U1
摩擦系数与雷
0.9875m/s,
715kg/m3,
所以
6
0.98752715
0.032-
0.02
2
P
3346.7362Pa
22
mUc7150.9875
P231045.8550Pa
22
RRRFtNsNp
3346.73621045.88501.4424598.6535Ra0.3105Ra
管程压降在允许围之
5.6.2.2壳程压力降
P2R'R2'FtNs
Ft1.15
流体流经管束的压降
Pl'
Ff2“cNb1
2
Uo
2
F0.4
f2532720.2280.7899
n16
Nb29,
Uo0.4461
P;0.40.789916291
8150.44612
2
12298.8754Pa
流体流过折流板缺口的压降
P2
Nb
3.5
2
2BU2
D2
B
0.2m,
D
0.53m
P2
29
3.5
20.2
8150.44616009°1仃Pa
0.58
2
总压降
P2
5
(12298.87546009.2117)1.1521054.3001Pa0.310Pa
壳程压降也比较适宜
562.3换热器主要结构尺寸和计算结果
表1冷热流体物性数据表
物料名
操作压
操作温
污垢系数
导热
比热
流体密
粘度
称
度
系数
度
MPa
m2「C/W
W/m.
kJ/kg.
kg/m3
Pa.s
C
C
柴油
<0.03
170/123
0.000172
0.133
2.48
715
0.00064
.2256
原油
<0.03
60/105
0.000172
0.128
2.20
815
0.00300
表2工艺设备尺寸表
换热器型式
换热面
积/
管子规
格
管数
管长
管间
距
排列
方式
折流板型式
间
距
切口
高度
壳体径
浮
72.7768
176
6000
32
正方
上
200
130
580
头
式
式
形
下
7.参考文献
:
1]柴诚敬,国亮等•化工流体流动与传热[M]化学工业
[4]夏清,贾绍义。
化工原理(上册)。
天津:
天津大学,2013
[5]积文主编,石油化工设备制造概论,;船舶工程学院,1989
8.心得体会
在此次的课程设计中,由于处理的数据量庞大,对换热器一块的知识量需求较大也较深入,所以在做该次课程设计之前,不得不去翻看以前化工原理中关于传热部分的知识点,在做课程设计的过程中,不得不去翻阅大量资料以及查找以前学长学姐们做出的本,在设计过程中也会遇到或多或少的困难,比如说这次的课程设计要需要用电子文档然后打印,在公式编辑方面上就是一个比较繁杂的过程。
在经过这次课程设计,收获颇多,总结如下1,面对一项复杂的任务时,学会了查阅资料并能从大量冗杂资料中提取有用信息2,复习了前面化工原理中的传热部分的知识
3,对于换热器有了更系统更全面的认识,了解了换热器在设计过程中的基本要求及过程
4,对于word文档的运用也有所熟悉
10.80.3
0.023—RePrd1
管程流通截面积
4
管程流体流速及其雷诺数分别为
35080/(3600715)09875
0.0138
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 柴油 预热 原油 管壳 换热器 结构设计