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1、化工原理课程设计题目:原油加热器固定式换热器指导教师：李先生院士职 称:国家特级院士班 级:高分子材料与工程系学 号:学生姓名:目录一绪论3二. 设计条件及主要物性参数 41、设计条件42、定性温度的确定4三. 确定设计方案 51、选择换热器的类型52、流程安排四. 估算传热面积51、 热流量52、 平均传热温差53、 传热面积五工程结构尺寸61、管径和管内流速 62、管程数和传热管数 63、平均传热温差校正及壳数 64、传热管的排列和分程方法 75、 折流板76、接管六、换热器核算81、壳程传热系数 82、管程传热系数 83、污垢热阻和管壁热阻94、总传热系数 K 105、传热面积裕度 10
2、7、管程流动阻力 118、壳程流动阻力 11七、设计计算结果汇总12一、绪论1. 加热器简介1.1. 固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大 时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同 时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。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。1.2. U 形管式U 形管式换热器每根管子均弯成 U 形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。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
3、，管程流体必须是洁 净和不易结垢的物料。1.3. 浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连 同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。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。本实验采用的是浮头式加热器，包括输油管，输油管上套有密闭的外壳，外壳 的一段管道上设有加热体，该加热体用固定卡固定在外壳表面上，所述外壳的外表 面上包覆有保温层。本实用新型具有传热速度快、均温性好的特点，避免了在输送 过程中热损失大而导致油品凝固难以输送的问题。2. 设计目的培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基础知识完成某项单 元操作设备设计的实
4、践操作能力。设计的设备必学在技术上是可行的，经济上是合 理的，操作上是安全的，环境上是友好的 。二、设计条件及主要物性参数2.1设计条件由设计任务书可得设计条件如下表：体积流量进口温度出口温度设计压力类型(标准t/h)(C)(C)(Kpa)柴油3417580原油337011080项目密度(kg/m3)比热Cp(kJ/kgC)导热系数(W/m2 C)黏度卩(Pas)柴油7152.480.1330.64 10 3原油8152.20.1286.65 10 322定性温度的确定WC：原油流量(kg/h) Wh:柴油流量(kg/h)Cpc：原油比热容Cph：柴油比热容tl, t2：原油的岀、进口温度T1
5、、T2:柴油的进、岀口温度根据夏清陈常贵化工原理(上)P225,公式(4-33),热流量为Qc = Wc Cpc(tl t2)=33000 Z.2 X( 110 70) /3.6=806667 W柴油岀口温度： Qh = Qc = Wh Cph (T1 T2)806667=34000X2.48 (175 T2) /3.6T2=140.5 C可取流体进岀口温度的平均值。管程柴油的定性温度T= ( 175+140.5 ) / 2=157.5 C壳程原油的定性温度为t=(70+110) / 2=90 C三、确定设计方案3.1选择换热器的类型由设计任务选择固定管板式换热器。3.2流程安排柴油温度高，走
6、管程可减少热损失，原油黏度较大，走壳程在较低的Re数时即可达到湍流，有利于提高其传热膜系数。四、估算传热面积4.1热流量4.2平均传热温差根据化工原理课程设计P47,公式（3-9）tm=678C(Ti t2)仃2 切_(175 110)(140.5 70)2 = 24.3传热面积根据夏清 陈常贵 化工原理（上）P356表，初步设定K=160W m-2 C-1根据化工原理课程设计P47,公式（3-5）五工程结构尺寸5.1管径和管内流速选用 25X 2.5mr的传热管（碳钢管）5.2管程数和传热管数根据估算的传热面积，然后查JB1145-73得:公称直径D（mm）管程数管数管长(mm)管程流通面积
7、（m2 ）500216860000.0264传热面积A=77.9 m2外径D=500mm管程N=2单程传热管数n=168管程流通面积Si =0.02642 m该换热器型号为 G500 n -2.5-805.3平均传热温差校正及壳程数根据化工原理课程设计P47,公式(3-12) 平均传热温差校正系数P=t2TTti175 140.511070t11101757070=0.381根据夏清陈常贵化工原理(上)P231,公式(4-46)平均传热差校正为 tm= t tm=67.8 (X95=64.4C )由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适5.4传热管的排列和分程方
8、法采用正三角形排列法，则管间距t=32mm5.5折流板采用弓形折流板，取折流板间距B=400 mm折流板数“传热管长Nb=折流板间距仁6000 仁14块400折流板圆缺面水平装配。5.6接管(1)壳程流体进出口接管取接管内液体流速 u1=1.0m/s,/4 33000/(3600 815)U. =119.2mmU1；3.14 1圆整后取管内直径为 120mm.(2)管程流体进岀口接管取接管内液体流速U2=1.5m/s,圆整后取管内直径为130mm六换热器核算6.1总传热系数核算壳程传热系数根据夏清陈常贵化工原理（上）P253,公式94-77a） 得0 = 0.36* Re0de0.551/3
9、, o、0.14Pr (一) w其中:粘度校正为（匕）0.14=0.92 w当量直径，管子为正方形旋转450形排列时,根据化工原理（上）P253,公式(4-78)4(t2-d2o)4de=4do3 2432 103.14 0.025空 0.025 2=0.027 壳程流通截面积，根据化工原理（上）P253,公式（4-80），得Ao = BD（1 如）=0.400 区500 X（ 1 0 ）= 0.044m2t0.032式中B 两挡板间距离，mD换热器间的外壳内径，m 壳程原油的流速及其雷诺数分别为型0.26 m/sVo _ 33000/(3600Uo =A0.044Reo Po%de o815
10、 0.26 0.0276.65 10860 普朗特准数（ 传热传质过程设备设计P26,公式1-43）PrCpo o3322 106.65 10 =114.30.1280 = 0.36 * Re0de0.551/3 ,卩。、0.14Pr (一)卩W= 0.36 倬0.0278600551114.3 空 0.92 =308W/(m2 C)管程传热系数根据夏清陈常贵化工原理（上）P248，公式（4-70a）得i = O.O23R?.8Pr0.4di其中:管程流通截面积Si =0.0264m2管程柴油的流速及其雷诺数分别为UiSi出=34000/(3600 7佝=0.5 m/s0.0264.2 O5
11、715 = 111720.64 10普兰特准数Pr= CpL2i332.48 100.64 10=11.930.133因此，管程空气的传热膜系数i为0804 0.1332i = 0.023 11172 X11.93 X，=714W/(m 2 C )0.02污垢热阻和管壁热阻查阅夏清 陈常贵 化工原理（上）P354,附录表20,得原油侧的热阻Rso= 0.00034m2 C W-1柴油侧的热阻Rs= 0.00034m2 ;C W-1查阅化工原理（上）P354,附录表13,得碳钢的导热系数 入=50W- m-1 C -1总传热系数K因此，查夏清 陈常贵化工原理（上）P227,公式(4-40)丄二丄
12、+ Rso+処+Ka。dm di+企aid.10.0025 0.0250.025+ 0.00034+ 0.00034 -30850 0.02250.020+0.025714 0.02解得：K 172W/ (m2 -C)b:管壁的厚度do：管的外径dm:管的平均直径 di:管的内径传热面积裕度根据化工原理课程设计P47,公式(3-5)Si = Qi/(Ki tm)= 806667 = 69.2m2172 67.8该换热器的实际传热面积 Sp2Sp= dolN t=3.14 E.025 6X168=79.1m依化工单元过程及设备课程设计P76,公式3-36Sp SSi该换热器的面积裕度为100%
13、= 791 692 =14.3%69.2传热面积裕度合适。该换热器能够完成生产任务6.2换热器内流体的流动阻力（压降）管程流动阻力由Re=11172,传热管相对粗超度为0.01mm,内径di 20mm流速 u=0.5m/s.相对粗糙度孑弩0-0005查夏清陈常贵化工原理（上）P54莫狄图得0.034Pi6715 0.520.034 -0.02 2912 (pa)Pr715 0.522268 (pa)总压降： 仝Pi=(AP1+Ap2)Ft Ns Np=(912+268) X1.4 X2=3.3KPa 80KPa (符合设计要求)其中，Ft为结垢校正系数，取1.4;Ns为串联壳程数，取1; Np为管程数，取2。壳程流动阻力：根据化工原理
