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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date化工设备设计化工原理课程设计Yibin University设 计 说 明 书题 目 用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计 系 别 化学与化工学院 专 业 应用化工技术 学生姓名 雷静 学 号 110706028 年级 2011级6班 2013 年 6 月 13 日化工设备设计基础课程设计设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计一、 设计任务及条件(1) 使煤油
2、从140冷却到40，压力1bar；处理量为21万吨/年(2) 冷却剂为水，水压力为3bar。二、 设计内容1. 主体设备和零部件材料选择；2. 主体设备尺寸和零部件尺寸计算及选择规格；3. 设备壁厚以及封头壁厚的计算和强度校核；4. 各种接管以及零部件的设计选型；5. 设备支座的设计选型；6. 法兰的设计选型；7. 设备开孔及开孔补强计算；8. 设计图纸一张，包括设备总装配图，至少画三个重要构件的局部图；技术特性表，接管表和总图材料明细表。要求比例适当，字体规范，图纸整洁。三、 设计成果（1） 设计说明书一份；（2） A1设计图纸包括：换热器的设备尺寸图及机械设计。目 录设计任务1第1章 绪论
3、411 概述41.2 换热器设计依据41.3 几种管式换热器的介绍41.3.1 固定管板式换热器41.3.2 浮头式换热器41.3.3 U形管式换热器41.3.4 外填料函式换热器51.3本文研究的主要内容5第2章 确定设计方案52.1 换热器类型的选择52.2 管程安排52.3 流向的选择6第3章 确定物性参数6第4章 工艺计算64.1 估算传热面积6 4.1.1 热流量64.1.2 平均传热温差64.1.3 冷却水用量74.1.4 总传热系数74.2 主体构件的工艺结构尺寸74.2.1 管径和管内流速74.2.2 管程数和传热管数84.2.3 传热管的排列和分程方法84.2.4 壳体内径8
4、4.2.5 折流板84.2.6 接管94.2.7 换热管的结构基本参数94.3 换热器主要传热参数核算94.3.1 热流量核算94.3.2 壁温核算114.3.3 换热器内流体的流动阻力（压强降）12第5章 结构设计145.1 壳体直径、长度、厚度设计145.2 换热器封头尺寸145.3 法兰及各连接材料的选择155.3.1 选定法兰结构155.3.2 选定垫片结构155.4 管箱165.5 开孔补强165.5.1 壳体接管的开孔补强165.5.2 确定补强圈的结构185.6 支座选用18第6章 汇总19第7章 设计感想21参考文献22第一章 绪论1.1 概述管式换热器在炼油、石油化工、医药、
5、化工以及其它工业中使用广泛，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。管式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗等方面不如其它新型的换热设备，但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。可以根据介质的种类、压力、温度、污垢和其它条件，管板与壳体的连接方式，换热器的形式与传热条件，造价，维修检查方便等情况，根据各种结构形式的特点来选择设计制造各种管式换热器。1.2 换热器设计依据1.3 几种管式换热器的介绍 1.3.1 固定管板式换热器 固定管板式换热器的两端管板，采用焊接方式与壳体连接固定，结构简单，制造成本低，能得到最小的壳体
6、内径，管程可分成多程，壳程也可分成双程，规格范围广，故在工程中广泛应用。缺点是壳程不能清洗，检查困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。优点是传热面积比浮头式换热器大20%-30%，旁路漏流较少，锻件使用较少，没有内漏。它宜用于壳程结垢不严重或能化学清洗的场合。在热膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。 1.3.2 浮头式换热器浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计为可拆结构，使管束能容易地插入或抽出壳体（也可设计为不可拆卸的），这样为
7、检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况，因此在安装时要特别注意其密封。浮头部分设计为可以自由移动，虽然浮头部分可以自由移动，但管束不能抽出壳体。优点是在相同的壳体直径下，布管数多，换热面积增加，但对换热管外壁要求经常清洗的情况下，不宜采用此结构形式。钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起重要作用。一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。 1.3.3 U形管式换热器U形管式换热器是将换热管弯成U型。换热管两端固定在同一块管板上。由于壳体与换热管分开，可以不考虑热膨胀。因U形管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单
8、，造价比其它换热器低。管束可以从壳体内抽出，换热管外壁便于清洗。但换热管内清洗困难，所以换热管内的介质必须是清洁且不易结垢的物料。由于换热管的结构形式关系，换热管的更换除外侧一层外，内部换热管大部分不可能更换。管束中心部分存在空隙，所以流体易短路，影响传热效率。而且管板上排列的换热管较少，结构不紧凑。U形管的弯管部分曲率不同，换热管长度不一致，因而物料分布不如固定管板换热器均匀。换热管因渗漏而堵死后，将造成传热面积的损失。U形管式换热器一般用于高温高压的情况下。在壳程需要清洗的管束，则要求采用正方形排列，管程为偶数程。 1.3.4 外填料函式换热器外填料式换热器适用于壳程压力不高、较严重腐蚀的
9、介质、温差较大而经常要更换管束的冷却器，从结构上说它比浮头式换热器或固定管板换热器优越得多。它具有浮头式换热器的优点，又克服固定管板换热器的缺点，结构较浮头简单，制造方便，易于检修清洗。在壳程内为易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，不宜采用外填料函式换热器。目前外填料函式换热器的使用不宜直径过大，且操作压力和温度也不宜过高，一般用于压力不超过2.0MPa。第二章 确定设计方案2.1 换热器类型的选型本设计任务是列管式换热器的设计，用冷水冷却煤油。煤油为热流体，水为冷流体。煤油的进口温度是140，出口温度是40；水的进口温度是25，出口温度为35。该换热器用循环冷却水冷却，冬季时气进口温度会降低
10、，考虑此因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度只差较大，所以初步确定选用带有膨胀节的固定板管式换热器。2.2 管程安排决定何种流体走管程，何种流体走壳程的所遵循的一般原则如下：（1） 应尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。（2） 在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失。（3） 管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。（4） 应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。从这个角度来说，逆流式就优于顺流式，因为逆流式进出口端的温度比较平均，不像顺流式那样，热、冷流体的高温部分均集中于一端，低温部分集中于另一端
11、，易于因两端胀缩不同而产生热应力。（5） 对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄漏，应特别注意其密封，密封不仅要可靠，而且还应要求方便及简单。（6） 应尽量避免采用贵金属，以降低成本。以上这些原则有些是相互矛盾的，所以在具体设计时应综合考虑。由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应使循环水走管程，煤油走壳程。2.3 流向的选择 当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递相同的热流体所需的传热面积较小。逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流
12、。第三章 确定物性参数定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可去流体进出口温度的平均值。壳程流体（煤油）的定性温度为：T=（140+40）/2=90管程流体（水）的定性温度为：t=（35+25）/2=30在定性温度下，分别查取管程和壳程流体（冷却水和煤油）的物性参数，见表3-1：密度m比热容kg粘度热导率煤油8252.220.0007150.140水995.74.1740.0008010.618第四章 工艺计算4.1 估算传热面积4.1.1 热流量 煤油流量：=2.1/（33024）=26515kg/h=7.3653kg/s热流量：Q=2.2226515（140-40）=5.886
13、kg/h=1635000W4.1.2 平均传热温差逆流传热温差：=39传热平均温差校正系数P=R=按单壳程四管程结构，温差校正系数应查有关图表，但R=10的点在图中难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一线图，修正后的传热温度差：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，故单壳程可行。4.1.3 冷却水用量=141015.8kg/h=39.17kg/s4.1.4 总传热系数 查阅资料可知，水与煤油之间的传热系数在280-710 W/（），取总传热系数K= 350W/（） 估算的传热面积：A=145.984.2 主体构件的工艺结构尺寸 4.2.1 管径和管内流速 选用
14、252.5的传热管（碳钢管），管内径=0.025-0.00252=0.02，取管内流速=1.0m/s4.2.2 管程数和传热管数传热管数：=125.28125根按单管程计算，所需的传热管长度为L=14.88m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=5m，则该换热器的管程数为 （管程）传热管总根数：N=1253=375（根）4.2.3 传热管的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。其中，每程内的正三角形排列，其优点为管板强度高，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程内可排列更多的管子。取关心距t=1.2
15、5，则t=1.2525=31.2532mm横过管束中心线的管束：22根隔板中心道离其最近一排中心距离S=t/2+6=32/2+6=22mm，取各程相邻管的管心距为44mm。4.2.4 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7壳体内径：D=1.05t=777.69mm，圆整可取D=800mm。4.2.5 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=0.25D=0.25800=200mm取折流板间距B=0.3D，则B=0.3800=240mm，取板间距B=300mm折流板数：块4.2.6 接管1.壳程流体进出口接管:取接管内煤油流速为u=1.0m/s
16、，则接管内径为 d=0.1066m 经圆整后取管内径为100mm。2.管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内径为 d=0.1828m 经圆整后取管内径为180mm。4.2.7 换热器的结构基本参数外壳内径：D=800mm换热面积：S=145.98换热管数量：N=375根管长：L=4.5m管子规格：（碳钢）管中心距：t=32mm管子排列方式：正三角形壳程数：1管程数：3折流板数量：14块折流板间距：B=300mm通过管板中心的管子数：22根4.3 换热器主要传热参数核算4.3.1 热流量核算1.壳程对流传热系数采用克恩公式，其中，取=1当量直径由于是正三角形排列，所以：
17、=0.020m壳程流通截面积：=0.0525壳程流体流速及其雷诺系数分别为： =0.17m/s =3923.08普朗特准数：=11.3故壳程对流传热系数： =0.36=535.69W/（）2.管程对流传热系数水在管程中是被加热，所以公式中的n=0.4，得： 其中，管程流通截面积：=0.02944管程流体流速以及其雷诺数分别为：=1.3363=33222.32普朗特准数：=5.41故管程对流传热系数：=0.023=5782.41W/()3.污垢热阻和管壁热阻查阅附录得煤油侧的热阻/w自来水侧的热阻/w钢的导热系数为=454.传热系数根据=0.002447解得K=413.74)传热面积=123.4
18、9所选用的换热器的实际传热面积A=145.985.传热面积裕度该换热器的面积裕度为 =18.21%传热面积裕度合适，该换热器满足设计要求。4.3.2 壁温核算 该换热器用自来水冷却水，设定冷却水进口温度为25，出口温度为35来计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳程和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑。因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。 式中，=0.5（35+25）=30 =0.5(140+40)=90 传热管平均壁温：=35.09壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即=90壳
19、体壁温和传热管壁温之差：90-35.09=54.150该温差较大，故需设温度补偿装置。选用带膨胀节的固定管板式换热器。膨胀节选用波形膨胀节B型。4.3.3 换热器内流体的流动阻力（压强降）1.管程流动阻力管程总压力降：其中： 流体流过直管段由于摩擦所引起的压力降可由下式计算： 流体流过回弯管（进、出口阻力忽略不计）因摩擦所引起的压力降可由下式计算： 式中：摩擦阻力系数 l传热管长度，m 传热管内径，m 管内流速，m/s 流体密度，kg/m =0.5+1+0.5+1=3因为Re=33222.3210，设管壁粗糙度=0.1mm，则相对粗糙度/=0.005，查图得，=0.035W/m，流速=1m/s
20、,所以：=3920.57Pa =1493.55Pa总压强降：=22739.3Pa=22.74KPa=0.3MPa即封头满足要求。5.3 法兰及各连接材料的选择5.3.1 选定法兰结构工艺操作条件所给出的各参数如下；公称直径：DN=800mm压力：温度：t=140由此查表可得，法兰类型：甲型平焊法兰法兰材料：Q235-C压紧面：凹凸面5.3.2 选定垫片结构根据上述数据，查表可得，垫片形式：耐油垫垫片压紧面形状：凹凸形压紧面垫片材料：橡胶石棉板由此可得，垫片系数：m=2.75比压力：y=25.5MPa垫片接触宽度：N=20mm垫片基本密封宽度：=10mm垫片有效密封宽度：b=2.53=8mm垫片
21、压紧力作用中心圆计算直径：=700-28=684mm预紧时需要的压紧力：=3.14684825.5=438143.04N操作状态下，需要的最小垫片压紧力：=23.1468482.750.3=28350.43N5.4 管箱管箱因各种工作条件、环境和筒体的一样，并且材料一致时，可以减少应力集中，以及它的局限性，故选择与筒体同材Q235-C管箱的长度一般取同筒体中接管法兰的直径2-3倍。壳体与管箱短节材料选用Q245R卷制。5.5开孔补强GB150规定，如果壳体开孔同时满足下列三个条件时可以不另行补强（1）设计压力不大于2.5MPa（2）相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之和的2倍（3）管公称外径小
22、于或等于89mm5.5.1壳体接管的开孔补强a、确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径由已知条件知壳体的计算厚度=0.336mm接管的计算厚度：（直径180mm，材料为20号钢）式中，计算压力，取0.6MPa接管的计算厚度：壁厚附加量：C=0.3+2=2.3mm开孔直径：d=100+22.3=104.6mmb、确定壳体的实际厚度，开孔有效补强厚度B及外侧有效厚度h，已知壳体的名义厚度为5mm，接管名义厚度5mm有效补强宽度范围：B=2d=2104.6=209.2mm B=d+2124.6mm故取大值，则B=209.2mm接管外侧有效补强厚度：h取=5-2.3=2.7mmc、计算需要补强的金属面积和
23、可以作为补强的金属面积。开孔削弱所需的面积：A=壳体多余截面：（） =（209.2-104.6）（2.7-0.336） =247.27mm接管多余截面： =0.27mm =222.87（2.7-0.27）+2（2.7-2.3） =111.95mm焊缝金属截面积,取焊角高度为8mm，故焊缝截面积 =用来补强的金属面积 =247.27+111.95+64=423.22 mm由于,故不需要另行补强。5.5.2 确定补强圈的结构根据设备的工艺条件，可选择B型坡口补强圈，其孔为锥形部分深度。 S=0.7 内径：5）=100+4=104mm5.6 支座选用壳体质量m：DN=800mm，的筒体 单位长度的筒
24、体质量：=67Kg 则m678=536Kg封头质量m： DN=800mm，直边h=25mm的标准椭圆形封头，其质量m=30Kg,所以水的质量 储罐体积V=20.08+4.50.503=2.42m 则 m =12.421000=2420Kg 附件质量m=300Kg 管子质量 单重7.82Kg有3757.82=2932.5Kg法兰质量：PN=0.6MPa，DN=800mm，法兰质量44.3Kg则m=444.3=177.2Kg设备总质量：m=536+48+2420+300+177.2=3481.2支座计算Q=17057.88N=17.06KN每个支座承受17.06KN，小于鞍座的允许载荷。选用重型B
25、焊制，120包角，带垫板，双筋的鞍座。鞍座的标记为JB/T4712-92鞍座B800-F第六章 汇总换热器型式：带膨胀节的固定管板式换热器换热面积：145.98工艺参数设备名称管程壳程物料名称循环水煤油操作压力，MPa0.30.1操作温度，253514040流量，kg/h141015.826515密度，kg/m995.7825工艺主要计算结果流速，m/s10.17传热量，KW1635平均传热温差，32传热面积裕度，%18.21总传热系数，413.74对流传热系数，5782.4153569污垢系数，0.0003440.000172阻力降，Pa22.741581.25设备结构设计程数31推荐使用材
26、料碳钢碳钢壳体厚度，mm5切口高度，mm200管子规格管子排列方式正三角形管心距，mm32管数，根375管长，mm4500中心管束，根22折流板形式上下隔板，mmb=10壳体内径，mm800折流板数，块14折流板间距，mm300封头法兰，mm=800封头类型标准椭圆封头封头厚度，mm5封头材料Q235-C封头短半径200mm法兰类型甲型平焊法兰垫片类型耐油垫法兰紧压面凹凸面垫片系数2.75垫片材料橡胶石棉板第七章 设计感想化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培训学生独立工作能力的重要作用。在换热器的设计过程中明文感觉我的理论运用
27、于实际的能力得到了提升，主要有以下几点：在计算方面，这是设计第一阶段的主要任务，数据计算的准确性直接影响到后面的阶段，这就需要我们具有极大的耐心。在查找资料方面，通过本次设计，我学会了根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较合适的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，以及如何计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。通过课程设计可以巩固对主体设备图的了解，以及学习到工艺流程图的制法。在设计的过程培养了大胆假设，小心求证的学习态度。耐心、细心是本次课程设计的最大感受。由于本设计的时间有限，而且我对于实际工业生产这方面知识的欠缺以及我经验欠缺，难免有错误之处，恳请老师批评指正。参考文献1 R.Smith.化工过程设计M.北京：化学工业出版社，20022 中国石化集团上海工程有限公司编.化工工艺设计手册M.北京：化学工业出版社，2003.73 贾绍义，柴诚敬.化工原理设计M.天津：天津大学出版社，2002.84 董大勤，高炳军，董俊华.化工设备机械基础M.北京：化学工业出版社，2011,35 中国石化集团上海工程有限公司编.换热器M.北京：化学工业出版社，2008.126 秦叔经，叶文邦.换热器M.北京：化学工业出版社，2002.127 大连理工大学编.化工原理（上册）M.北京：高等教育出版社，2009.11-