u型管换热器课程设计说明书2.docx

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u型管换热器课程设计说明书2

U型管换热器课程设计说明书2

U型管换热器课程设计

说明书

设计题目U型管换热器设计

专业班级建环1001

学生姓名xxxxx

学号xxxxxx

指导教师xxxxx

日期

一、化工原理课程设计任务书

（换热器的设计）

（一）设计题目：

煤油冷却器的设计

（二）设计任务及操作条件：

1.处理能力：

15万吨/年煤油

2.设备型式：

列管式换热器

3.操作条件：

（1）煤油入口温度125℃，出口温度40℃；

（2）冷却介质循环水，入口温度25℃，出口温度45℃；

（3）允许压强降不大于105Pa;

（4）煤油定性温度下的物性数据：

密度为825kg/m3；粘度为：

×;比热容为：

（kg.℃）；导热系数为：

（m.℃）

（5）每年按330天计，每天24小时连续运行。

（三）设计项目

1传热计算

2管、壳程数的确定及管、壳程流体阻力计算

3管板厚度计算

4U形膨胀节计算（浮头式换热器除外）

5管壳式换热器零部件结构

（四）绘制换热器装配图（A2图纸）

二、换热器的选用

换热器的选用（即选型）的过程大体如下,具体计算可参看列管式换热器设计中有关内容。

①根据设计任务要求计算换热器的热负荷Q。

②按所选定的流动方式,计算出平均温度差（推动力）Δtm及查出温差校正系数

�。

若�

<0.8,应考虑采用多壳程结构的换热器或用多台换热器串联。

③依所处理流体介质的性质,凭经验初选一总传热系数K0（估）,并由总传热速率方程计算传热面积S'0:

S'0=Q/K0估Δtm

式中Q———热负荷,W;K0（估）———凭经验选取的总传热系数,W/（m2·K）;

Δtm———平均温度差,℃。

④根根据计算出的S’0值,查有关换热器系列标准,确定型号规格并列出各结构主要基本参数。

⑤利用总传热系数关联式计算K0（计）,再由总传热速率方程式求出S0（计）。

考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素,应使得所选用换热器具有的传热面积S0留有的裕度10%～25%,即[（S0-S0（计））/S0（计）]=（10%～25%）。

否则需重新估计一个K0（估）,重复以上计算。

也可依所选用换热器具有的传热面积S0,通过总传热速率方程式求出K0（选）,然后比较K0（选）/K0（计）之值是否在1.15～1.25范围。

⑥计算出管、壳程压力降,验算是否满足要求。

三、工艺计算及主要设备设计

1、确定设计方案

选择换热器的类型：

两流体温度变化情况：

煤油进口温度为125℃，出口温度40℃，冷流体进口温度25℃，出口温度45℃；设煤油压力为，冷却水压力为。

该换热器用循环冷却水冷却，固定管板式换热器具有结构简单和造价低廉等优点,但它仅适用于壳程流体压强小于0.6MPa,管、壳程壁温温度差小于70℃,且管间只能通过清洁流体的场合，因此初步确定选用固定管板式换热器。

流程安排:

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，煤油走壳程。

选用ф25×的碳钢管（换热管标准：

GB8163）。

2、确定物性数据：

定性温度：

可取流体进口温度的平均值。

煤油的定性温度为：

（℃）

冷却水的定性温度为：

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

煤油在℃下的有关物性数据

循环冷却水在35℃下的物性数据

密度

ρo=825kg/m3

密度

ρi=994kg/m3

定压比热容

cpo=kJ/（kg·K）

定压比热容

cpi=（kg·K）

导热系数

λo=W/（m·K）

导热系数

λi=W/（m·K）

粘度

μo=Pa·s

粘度

μi=Pa·s

3、估算传热面积

计算热负荷和冷却水用量

Wh=

（kg/h）

Q=WhCphΔt0=××（125-40）=h=（kW）

忽略换热器的热损失，冷却水用量

计算两流体的平均温度差

先按理想逆流传热温度差进行计算，即

（℃）

温度校正

平均传热温差校正系数：

R=（125-40）/（45-25）=;

P=（45-25）/（125-25）=

由R和P值，按单壳程查温度差校正系数图，得温度校正系数φ=>，可行。

所以修正后的传热温度差为Δtm=φΔtm’=初步选型

传热面积

假设K=300W/（m2·K）,则估算面积为：

A=Q/（K×Δtm）=×103/（300×=（m2）

管径和管内流速

换热管选用碳钢管ф25×，取管内流速u=s

管程数和传热管数

换热管选用普通无缝钢管ф25×，管内径d=，于是单程管根数n'为

=

取n'=38根

按单程管计算，所需的传热管长度为：

=

初选换热器类型与型号

由于Tm-tm=（125+40）/2-（45+25）/2=（℃）<50（℃）,两流体间的温差不大，不需要温度补偿；但是为了便于壳程污垢清洗，以采用固定管板式列管换热器为宜，且初步选定的具体型号为

的具体参数

壳径/mm

600

管子尺寸

ф25×

公称压力/

1MPa

管长/m

6

公称传热面积/㎡

100

管子总数

216

管程数

6

管子排列方式

正三角形

壳程数

1

折流挡板形式

弓形折流板

传热管排列和分程方法

按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长为l=6m，则该换热器的管程数为：

NP=L/l=6=6；传热管总根数：

NT=38×6=228（根）

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=，则t=×25=≈32（mm）

横过管束中心线的管数

Nc=

=

=17根

壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η＝，则壳体内径为

=

圆整可取D=600mm。

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＝×600=150（mm）。

折流板间距B=,则B=×600=240mm。

折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=6000/240-1=24（块）

折流板圆缺面水平装配

接管

壳程流体进出口接管：

取接管内煤油流速为u＝s，则接管内径为：

D1=

（m），圆整后可取管内径为90mm。

管程流体进出口接管：

取接管内循环水流速u＝m/s，则接管内径为

（m）=100mm。

4.换热器的核算

热流量核算

壳程表面传热系数；

用克恩法计算：

当量直径，由正三角排列得：

de=

m

壳程流通截面积：

=（m2）

壳程中煤油流体流速及其雷诺数分别为：

u0=V0/A=

（m/s）

Re0=

=

=

普朗特数：

Pr=

；

粘度校正：

α0=

=〔W/（m2·K）〕

管内表面传热系数：

i

管程流体流通截面积：

Si=××216/6=（m2）

管程流体流速及其雷诺数分别为：

ui=

=（m/s）

Rei=

=

普朗特数：

Pr=

i=×

=〔W/（m2·K）〕

污垢热阻和管壁热阻

查有关文献知可取：

管外侧污垢热阻R0=m2·K/W

管内侧污垢热阻Ri=m2·K/W

计算传热系数K（忽略管壁热阻）：

＝

＋Rso＋

＋

＋

Ko=

=394

计算传热面积AC:

AC=Q/（KC×△tm）=×103/（394×）=（m2）

该换热器的实际传热面积A：

A=

=××6×（228-17）=（m2）

该换热器的面积裕度为：

H=

×100%=

×100%=%

为了保证换热器的可靠性,一般应使换热器的面积裕度大于15%～25%。

满足此要求,所设计的换热器较为合适传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

换热器内流体的流动阻力

管程流体阻力

计算公式如下：

△Pt=（△Pi+△Pr）NSNpFS;

NS=1,Np=6，FS=;

△Pi=

。

由Re=，传热管相对粗糙度20=，莫狄图（下图）得

=，流速u=s，ρ=994kg/m3，故

△Pi=

=

=（Pa）；

△Pr=

=1573（Pa）

△Pt＝（△Pi＋△Pr）FsNs=（+1573）×6×=（Pa）<105Pa

管程流体阻力在允许范围内

壳程阻力

公式有：

△PS=（△P0+△Pi）FSNS

其中FS=；NS=1；

△P0=Ff0NTC（NB+1）

;

又F=,

f0==5×Nc==×=17

NB=24;u0=s

则流体流经管束的阻力：

△P0=Ff0Nc（NB+1）

=××17×（24+1）×825×2≈（Pa）

流体流过折流板缺口的阻力

△Pi=NB（D）

其中B=;D=；故

△Pi=24×（×）×825×2≈（Pa），

则总阻力：

△PS=△P0+△Pi=+=（Pa）<105Pa。

故壳程流体的阻力也适宜。

综上所诉，该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压降100KPa，均符合要求，所以设计的换热器符合条件。

四、设计结果设计一览表

换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。

参数

管程

壳程

流率/（kg/h）

进/出温度/℃

25/45

125/40

物

性

定性温度/℃

35

密度/（kg/m3）

994

825

定压比热容/（kJ/（kg·K））

粘度/（Pa·s）

热导率/〔w/（m·K）〕

普朗特数

设

备

结

构

参

数

形式

固定管板式

台数

1

壳体内径/mm

600

壳程数

1

管径/mm

ф25×

管心距/mm

32

管长/mm

6000

管子排列

△

管数目/根

216

折流板数/个

24

传热面积/m2

折流板间距/mm

240

管程数

6

材质

碳钢

主要计算结果

管程

壳程

流速/（m/s）

表面传热系数/〔w/（m2·K）〕

污垢阻力/（w/m2·K）

阻力/MPa

热流量/kW

传热温差/℃

传热系数/〔w/（m2·K）〕

394

裕度/%

五、辅助设备的计算和选型

封头（JBT4729_94）

标准椭圆形封头的几何形状如附图1所示。

形成这种封头的母线是由14椭圆线和平行于回转轴的短直线光滑连接而成,故它由半个椭圆球和一个高度为h0的圆柱短节（称它为封头的直边部分）构成。

附表1所列椭圆封头尺寸与质量,摘自JBT4729_94标准。

附图1标准椭圆形封头

椭圆封头尺寸与质量（摘自JBT4729_94）

压力容器法兰（TB4702—92）

压力容器法兰（TB4702—92）的类型有甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰。

用于不锈钢容器时,法兰端面焊有不锈钢衬环。

就法兰的密封面来说,又有平密封面、凹凸密封面和榫槽密封面之分。

鞍式支座（JBT4712-92）

卧式容器的支座常用鞍式支座,简称鞍座。

它是由底板、腹板、筋板和垫板四种板组焊而成的焊制鞍座;或其中腹板与底板由同一块钢板弯制的弯制鞍座.这次设计采用重型弯制鞍座。

DN500～900鞍座尺寸（JBT4712—92）mm

DN500～900mm的型鞍式支座

DN500～900mm的型弯制鞍式支座

管板

焊接管板的最小厚度取决于焊接工艺及管板焊接变形的要求,对于固定管板式换热器的管板结构见图1_12,主要尺寸见表1_12。

拉杆与定距管

折流板的安装固定是通过拉杆和定距管来实现的。

拉杆是一根两端皆带有螺纹的长杆,一端拧入管板,折流板就穿在拉杆上,各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离,最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固。

拉杆直径及数量可依换热器壳体内直径选定,各种尺寸换热器的拉杆直径和拉杆数,可参考表1_17选取。

定距管通常采用与换热管材料、直径相

同的管子。

折流板

安装折流板的目的,是为了加大壳程流体的湍流速度,使湍流程度加剧,提高壳程流体的对流传热系数。

在卧式换热器中折流板还起到支承管束的作用。

常用折流板有弓形（或称圆缺形）和圆盘—圆环形两种。

弓形折流板结构简单,性能优良,在实际中最为常用。

折流板直径Dc取决于它与壳体之间间隙的大小。

间隙过大时,流体由间隙流过而根本不与换热器接触;间隙过小时又会引起制造和安装上的困难。

折流板直径Dc与壳体内直径Di间的间隙可依表1_13中所列数值选定。

六、设计评述

本次化工课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。

一开始接到这个任务很迷茫，因为本来对换热器的设计这个概念就不清楚，而且对于画图一直也是我的弱项，所以心情很浮躁，过去了几天还是毫无头绪。

后来在答疑课上借到了上届的作业，开始一步一步地研究。

课程设计需要学生自己做出决策，自己确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。

所以，课程设计是增强工程观念、培养提高学生独立工作能力的有益实践。

换热器的设计主要是核算比较麻烦，而且计算时遇到很多麻烦，关于管程壳径等概念很模糊，设计过程中遇到的麻烦很多，也正是因为这样，我开始不断地查阅资料问问题，突然间觉得自己虽然学过这些知识，但是还是有很多的疑问。

也正是因为不断地发现问题分析问题解决问题，才提高自己的理解和学习能力。

通过这次设计我了解了换热器的工艺流程，知道了各种换热器的优缺点，通过一次次地计算，对于换热器的型号的选择依据有了更深刻的理解。

第二周开始作图，一开始面对A1的纸却不敢下笔，不敢画页不知道该怎么画，于是先画了个边框，接着在图书馆找了一下午资料，才知道自己知道的只是冰山一角，第二天在宿舍呆了一天去查法兰还有支座的尺寸和型号。

在画图的时候一边画一边问，在大家的讨论中明白了很多，也找出了自己很多的错误。

虽然现在自己的说明书和图还有很多的问题，图纸的线条不够清晰，有些线条甚至是画斜了，但是从这次课程设计中我懂了很多，不仅是换热器的只是，还学到了很多课本上没有的，知道不耻下问，知道坚持不懈，知道静下心来去做事。

七、参考资料

［1］匡国柱、史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：

化工工业出版社，2002

［2］姚玉英.化工原理.天津：

天津：

大学出版社，1999

［3］刘巍.冷换设备工艺计算手册.北京：

中国石化出版社，2003

［4］黄璐、王保国.化工设计.北京：

化学工业出版社，2001

［5］谭天恩等.化工原理.北京：

化学工业出版社，2006

［6］董振珂.化工制图.北京化学工业出版社，2001

［7］王非、林英.化工设备用钢.北京：

化学工业出版社，2003

［8］秦叔经、叶文邦.换热器.北京：

化学工业出版社，2002

［9］李克永.化工机械手册.天津：

天津大学出版社，1991

［10］贺匡国.化工容器及设备简明设计手册.北京：

化学工业出版社，1989

八、主要符号说明

P——压力，Pa;Q——传热速率，W；

R——热阻，㎡·K/W；Re——雷诺准数；

S——传热面积，㎡；t——冷流体温度，℃；

T——热流体温度，℃；u——流速，m/s;

——质量流速，㎏/h;

——表面传热系数W/（㎡·K）;

——有限差值；

——导热系数，W/（m·K）;

——粘度，Pa·s;

——密度，㎏/m3;

——校正系数。

r——转速，n/（r/min）

H——扬程，m

——必须汽蚀余量，m

A——实际传热面积，

Pr——普郎特系数

NB——板数，块K——总传热系数，W/（㎡·K）

——体积流量Nt——管数，根

Np——管程数l——管长，m

KC——传热系数，W/（m·K）△tm——平均传热温差，℃