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1、化工原理课程设计 煤油冷却器的设计目录一化工原理课程设计任务书3二概述4换热器的发展和分类4列管式换热器的分类5设计背景以及设计要求8三换热器的设计论述以及计算11四确定设计方案204.1选择换热器的类型204.2 流程安排204.3确定物性数据20试算并初步选择换热器的型号214.5 壳体内径224.6折流板234.7 接管13五换热器的核算13六机械设计26七设计结果46八参考文献47九后记48一化工原理课程设计任务书（一） 设计题目：煤油冷却器的设计(3组：21- )（二） 设计任务及操作条件1 处理能力：18万吨/年煤油2 设备形式：列管式换热器3 操作条件（1） 煤油：入口温度100
2、，出口温度35（2） 冷却介质：自来水，入口温度25，出口温度40（3） 允许压强降：不大于100kPa（4） 煤油定性温度下的物性数据：密度825kg/m3，黏度7.1510-4Pa.s，比热容2.22kJ/(kg.)，导热系数0.14W/(m.)（5） 每年按330天计，每天24小时连续运行（三） 选择适宜的列管式换热器并进行核算3.1 传热计算3.2 管、壳程流体阻力计算3.3管板厚度计算3.4 U形膨胀节计算（浮头式换热器除外）3.5 管束振动3.6 管壳式换热器零部件结构（四） 绘制换热器装配图（A2图纸）二概述21换热器的发展和分类在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称
3、为换热器。它是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，有称为热交换器。换热器既可以是一种单独的设备，如加热器、冷却器和蒸汽器等；也可以使某个工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成了一种管壳式换热器，他不进单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国
4、用钎焊法制造出一种由铜以及其他合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。一般换热
5、器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多数用于制造中、抵押换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可做耐高、低温的材料；铜、铝以及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些一开始用于制作非金属材料的耐腐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。换热器按用途不同可分为加热器、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、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展时换热器（板翅式、管翅式等）。2.2、列管式换热器的分
6、类换热器种类繁多，形式各异，如列管式、釜式、板式、板翅式、螺旋板式、空冷器、套管式、蛇管式等。由于列管式换热器（亦称管壳式）易于制造、适应性强、处理量大、成本较低可供选用的材料范围广泛，仍是当前应用最广（约占），理论研究和设计技术最完善，运行可靠性良好的一类换热器。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：固定管板式换热器这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内
7、管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或是管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6MPa时，补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就是考虑其他结构。其结构如下图所示：（2）浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”,
8、所以这种换热器成为浮头式换热器。其优点：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因此当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点是结构复杂，造价高。其结构如下：（3）填料函式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低廉。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理一会发、易燃易爆和有毒的介质。其结构如下：（4）U型管式换热器这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。其结构如下所示：2.3设计背景以及设计要求在换热器中至少要有两种温
9、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。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的差别。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，并占有十分重要的地位。在化工厂，换热器的费用约占总费用的1020，在炼油厂约占总费用的3540,。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，因此对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进以及传热机理的研究也十分活跃，一些新型高效的换热器相继问世。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
10、样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器的设计中，首先应根据工艺的要求选择适用的类型，然后计算所需的传热面积，并确定换热器的结构尺寸。完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求：（1） 合理的实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能笑得传热面积，在单位时间内传热尽可能多的热量。其具体做法如下。增大传热系数 在综合考虑流体阻力以及不发生流体诱发震动的前提下，尽可能选择高的流速。提高平均温差 对于无镶边
11、的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件下，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。妥善布置传热面 例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。（2） 安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国钢制石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定等有关规定和标准。这对保证设备的安
12、全可靠起着重要作用。（3） 有利于安装、操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。（4） 经济合理评价换热器的最终指标是：在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。再设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。动力消耗与流苏的平房成正比，使得传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件
13、的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。 严格的讲，如果孤立地换热器本身来进行经济核算来确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。三换热器的设计论述及计算3.1、概述 1流体流经的选择哪种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择参考；1）不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。2）腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体与管子同时受到腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。3）压强高的流体宜走
14、管内，以免壳体受压。4）饱和蒸汽宜走管间，以便于即使排除冷凝液，且蒸汽较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。5)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳内的散热作用，以增加强冷却效果。6）需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，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，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re下即可达到湍流，以提高对流传热系数。解析：在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾。本题为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比较大，且易结垢，估选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。2.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，从而可减少换热器的传热面积。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
