化工原理课程设计说明书-煤油冷却器的设计

课 程 设 计 任 务 书

一、 摘要

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传

递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在换热器中，至少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，且它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。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，对换热器的要求也日益增强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。由于使用条件的不同，换热器可以有各种各样的形式和结构。在生产中，换热器有时是一个单独的设备，有时则是某一工艺设备的组成部分。

衡量一台换热器好的标准是传热效率高、流体阻力小、强度足够、结构合理、安全可靠、节省材料、成本低，制造、安装、检修方便、节省材料和空间、节省动力。 二、 关键字

煤油 换热器 列管式换热器 膨胀节 固定管板式 封头 管板

目 录

一、概述…………………………………………………………………… 1

二、工艺流程草图及设计标准…………………………………………… 1

2.1工艺流程草图………………………………………………………… 1 2.2设计标准……………………………………………………………… 2

三、换热器设计计算……………………………………………………… 2

3.1确定设计方案………………………………………………………… 2

3.1.1选择换热器的类型……………………………………………………2 3.1.2流体溜径流速的选择…………………………………………………2

3.2确定物性的参数……………………………………………………… 3 3.3估算传热面积………………………………………………………… 3

3.3.1热流量…………………………………………………………………3 3.3.2平均传热温差…………………………………………………………3 3.3.3传热面积…………………………………………………………… 3 3.3.4冷却水用量………………………………………………………… 4

3.4工艺结构尺寸………………………………………………………… 4

3.4.1管径和管内流速………………………………………………………4 3.4.2管程数和传热管数……………………………………………………4 3.4.3平均传热温差校正及壳程数…………………………………………4 3.4.4传热管排列和分程方法………………………………………………5 3.4.5壳体内径………………………………………………………………5 3.4.6折流板…………………………………………………………………5

3.4.7接管……………………………………………………………………5

3.5换热器核算 ……………………………………………………………6

3.5.1热流量核算……………………………………………………………6 3.5.1.1壳程表面传热系数…………………………………………………6 3.5.1.2管内表面传热系数…………………………………………………7 3.5.1.3污垢热阻和管壁热阻………………………………………………7 3.5.1.4计算传热系数KC……………………………………………………7 3.5.1.5换热器的面积裕度…………………………………………………8 3.5.2换热器内流体的流动阻力……………………………………………8 3.5.2.1管程流体阻力………………………………………………………8 3.5.2.2壳程阻力……………………………………………………………8 四、设计结果设计一览表………………………………………………… 10 五、设计自我评价………………………………………………………… 11 六、参考资料……………………………………………………………… 12 七、主要符号说明………………………………………………………… 13

一、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。 列管式换热器有以下几种： 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。 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，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。 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，消除温差应力，应用普遍。

二、 工艺流程草图及设计标准

2.1工艺流程草图

由于循环冷却水易结垢，为便于水垢的清洗，选择循环水做管程流体，煤油做壳程流体。

管程与壳程流体的进出方向为上图所示，并选择逆流传热。图中水由泵1经过管程沿所示方向

流动，煤油由泵1经过壳程沿所示方向流动。

冷却循环水与煤油在设计的换热器中进行热交换，煤油由初温140℃降温至，40℃冷却循环水由初温升30℃温至40℃。

2.2设计标准

（1）JB1145-73《列管式固定管板热交换器》 （2）JB1146-73《立式热虹吸式重沸器》

（3）中华人民共和国国家标准.GB151-89《钢制管壳式换热器》.国家技术监督局发布，1989

（4）《钢制石油化工压力容器设计规定》

（5）JBT4715-1992《固定管板式换热器型式与基本参数》 （6）HGT20701.8-2000《容器、换热器专业设备简图设计规定》 （7）HG20519-92《全套化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》

（8）中华人民共和国国家标准 JB4732-95 《钢制压力容器—分析设计标准》 （9）中华人民共和国国家标准 JB4710-92 《钢制塔式容器》

（10）中华人民共和国国家标准 GB16749-1997 《压力容器波形膨胀节》

三、换热器设计计算

3.1确定设计方案 3.1.1选择换热器的类型

本次设计为煤油冷却器的工艺设计，工艺要求煤油（热流体）的入口温度140℃，出口温度40℃。采用循环冷却水作为冷却剂降低热的没有温度，冷却水的入口温度30℃，根据经验结合选厂地址的水资源现状况，选定冷却水的出口温度40℃。

根据间壁式换热器的分类与特性表，结合上述工艺要求，最大使用温差小于120℃,选用固定管板式换热器，又因为管壳两流体温差大于60℃，故因选用带膨胀节的固定管板式换热器。

3.1.2流体流径流速的选择

根据流体流径选择的基本原则，循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且循环冷却水的推荐流速大于煤油的推荐流速，故选择循环冷却水为管程流体，煤油为壳程流体。根据流体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为ui=1.0m/s,管子选

用252.5mm的较好级冷拔换热管（换热管标准：GB8163）。

3.2确定物性参数

定性温度：可取流体进口温度的平均值。

管程流体的定性温度为：

T

14040

90

（℃） 2

煤油90℃下的物性数据：

T

3040

35(℃) 2

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

3.3、估算传热面积 3.3.1热流量

19.8104

m0=

30024

27500（kg/h）

Qo=m0cp0Δt0=27500×2.22×(140-40)=6.15×106kJ/h=1695.8 kW

3.3.2平均传热温差

t'

tt12(14040)(4030)39(℃) 

mt14040

1lnln4030t2

3.3.3传热面积

假设壳程传热系数：α0=400 W（m2•℃），管壁导热系数λ=45 W（m2•℃）

则K=298.7W/(m2·K),则估算面积为：

S’=Q0/(K×Δtm)=1.696×106/(298.7×39)=145.86(m2) 考虑15%的面积裕度则：S=1.15×145.86=167.74(m2)

3.3.4冷却水用量

0w

icpt

Q

i

6.105106

149632.4（kg/h）

34.0810(4030)i

3.4、工艺结构尺寸 3.4.1管径和管内流速

选用ф25×2.5较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速ui= 1.5m/s

3.4.2管程数和传热管数

依据传热管内径和流速确定单程传热管数

n

s



qVd2u

4ii



149632.4/3600994

=88.78≈89（根）

20.7850.021.5

按单程管计算，所需的传热管长度为：

L

S167.78

=24（m）

d0ns3.140.02589

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=24/6=4

传热管总根数： NT=89×4=356（根）

3.4.3平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数： R=(140-40)/(40-30)=10; P=(40-30)/(140-30)=0.091

按单壳程，4管程结构，温差校正系数应查有关图表可得φΔt=0.82

平均传热温差

Δtm=φΔtΔtm =0.82×39=32（℃）

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，故取単壳程合适。

3.4.4传热管排列和分程方法

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。取管心距t=1.25d0，则

t=1.25×25=31.25≈32(mm) 横过管束中心线的管数

（根） nc1.N1.35623

3.4.5壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为 D=1.05t

N356

1.0532=757.7 (mm) 0.7

按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=800mm。

3.4.6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＝0.25×800=200（mm） 折流板间距B=0.3D,则

B=0.3×800=240mm取250mm。 折流板数 NB=

6000传热管长

-1=-1=23 (块)

250折流板间距

3.4.7接管

壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u＝1.0m/s，则接管内径为：

4V

427500

3600825)，取管内径为110mm。 1.10（m）

3.141.0

D1=

u1

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u＝1.5 m/s，则接管内径为

D

2



4149632.3600994)193mm 3.141.5

圆整可取D2 =200mm 。

3.5换热器核算 3.5.1热流量核算 3.5.1.1壳程表面传热系数

可采用克恩公式：

0.550

00.36Re0Prdew

0.14

当量直径，由正三角排列得：

4(

32

td2)

4(0.03220.7850.0252)2400.020（m）

d3.140.0250

de=

壳程流通截面积：

S0BD(1

d00.0252

)0.80.25(1)=0.044（m） t0.032

壳程流体流速及其雷诺数分别为：

27500

u0=

Re0=

3600825)

0.21（m/s）

0.044

0.020.21825

=4846

0.000715

普朗特准数

2.22103715106

Pr=11.34；

0.140

粘度校正 

w



0.14

1

0.14020.55484611.34=1013.57 W/(m·K) ɑ0=0.36

0.02

3.5.1.2管内表面传热系数

ɑi0.023



Re0.8Rr0.4 di

管程流体流通截面积：

Si=0.785×0.022×356/4=0.028（m2） 管程流体流速及其雷诺数分别为： ui=

149632.4/(3600994)

=1.499（m/s）

0.02790.021.499994

=40939.1

0.000725

Rei=

普朗特准数

4.08103725106Pr=4.73

0.626

ɑi=0.023×

0.626

40939.10.84.730.4=6560.4 W/ (m2·K) 0.02

3.5.1.3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=0.000172 m2·K/W 管内侧污垢热阻 Ri=0.000344m2·K/W

管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为λ=45 W/(m·K)。

3.5.1.4计算传热系数

K =

1

dodbdo1

RsioRsoidididi0

1

=

0.0250.0250.00250.0251

0.000340.000172

6560.40.0200.0200.0225451013.57=436.9 W/（m·℃）

计算传热面积S:

Q1695.8103

S===121.3（m2）

436.932Ktm

该换热器的实际传热面积：

Sр=d0L(Nnc)=3.14×0.025×(6-0.06)×(356-23)=155.27（m2）

3.5.1.5换热器的面积裕度

H=

155121.3SPS

×100%=×100%=28.01%

121.3S

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

3.5.2换热器内流体的流动阻力 3.5.2.1管程流体阻力

计算公式如下：

ΣPi=（△P1+△P2）NSNpFt; NS=1, Np=4，FS=1.4;

u22l

△P1=i,△P2= 

2di2

由Re=41103.6，传热管相对粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄图得i=0.034(W/ (m2·℃)，流速u=1.499m/s，ρ=994kg/m3，所以

59941.2682

△P1=0.0388=10643.7（Pa）； 

0.022

△P2=

2

29941.2682

=3130.5（Pa） 3

2

ΣPt=（10643.7+3130.5）×1.4×1×4=77135.5（Pa）

3.5.2.2壳程阻力

ΣP0=（△P1+△P2）FSNS

FS=1.15 ―NS=1

u

△P1= Ff0nC(NB+1) 0;

2

F=0.5

f0=5×41103.6-0.228=0.722

nC=23

2

NB=23,u0=0.21m/s

△P1=0.5×0.722×23×（23+1）×825×0.212/2≈3625（Pa） 流体流过折流板缺口的阻力

u0

△P2 =NB（3.5-2B/D）,

2

B=0.25m; D=0.8m；

故△P2=23×（3.5-2×0.25/0.8）×825×0.22/2≈1202（Pa）， 则总阻力：△P0=3625+1202=4827（Pa）

2

四、设计结果设计一览表

五、设计自我评价

作为、、、专业的学生，我深知《化工原理》是一门非常重要的专业基础课程，进行适当的设计训练对于加深我对课程的理解是非常重要和有意义的。这是第一次做化工原理课程设计，通过本次设计，我认为自己已经初步掌握化工设计的一些基本知识了。本次设计的是煤油冷却器，根据温差和物性确定本设计的换热器为带膨胀节的固定管板式换热器或浮头式换热器，而鉴于浮头式换热器的造价一般比固定管板式换热器的造价高出二十多个百分点，以降低投资成本为目的，选择带膨胀节的固定管板式换热器。

通过本次设计，我学会了如何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适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。但由于时间较为仓促，查阅的文献有限，本次设计还有很多不完善的地方。

本次设计非常感谢。。。老师的指导，有了他的指导使得我们更快的进入课程设计的状态，使我们少走弯路。同时非常感谢我的同学，正是有他们在一起讨论，才使我较快及顺利地在较短时间内完成本设计。

六、参考文献

[1] 贾绍义、柴诚敬主编．化工原理课程设计．天津：天津大学出版社，2002 [2] 柴诚敬、张国亮主编．《化工流体流动与传热》．北京：化学工业出版社，2008

[3] 中国石化集团上海工程有限公司．《石油化工设备设计选用手册—换热器》．北京：化学工业出版社，2009

[4] 李国庭等编著．《化工设计概论》．北京：化学工业出版社，2008 [5] 杨世铭、陶文铨编著．《传热学》．北京：高等教育出版社，2006 [6] 上海医药设计院．《化工工艺设计手册》．北京：化学工业出版社，1996 [8] 李国庭等编著．《化工设计概论》．北京：化学工业出版社，2008

[9] 刁玉玮，王立业，喻健良.《化工设备机械基础》（第六版）[M].大连：大连理工大学出版社，2006:1-232.

[10] 柴诚敬.《化工原理》（上册）[M].北京：高等教育出版社，2005，263-281. [11] 钱颂文。《换热器手册》[M].浙江：化工原理出版社.

[12] GB151-89：中华人民共和国国家标准[S].国家技术监督局，1989.

[13] 刘玉良，潘永亮.《化工设备机械设计基础》[M].北京：科学出版社，1991. [14] 郭庆丰，潘国昌.《化工设备设计手册》[M].北京：清华大学出版社，1998. [15] 韩冬冰，李叙凤.《化工工程设计》[M].北京：学苑出版社，2000. [16] 周大军.《化工工艺制图》[M].北京：化学工业出版社，2003.

七、主要符号说明

英文

A——流通面积，m2；

b——管壁厚度，m2；

cp

——定压质量热容，kJ/kg℃；

CR——热容流率比；

d——换热管直径，m；

D——换热器壳径，m；

f——范宁摩擦系数；

F——校正系数；

h——对流传热系数，k——导热系数，

W/m2℃

； ； ；

W/m2℃

K——总传热系数，

l——长度，m；

W/m2℃

L——换热管长度，m； n——管数；

N——程数；

p——压力，Pa；

P——平均传热温差校正系数；

Q——传热速率（热负荷），W；

R——平均传热温差校正系数；

RS

——垢阻系数，m℃/W；

2

S——传热面积，m2；

t——管中心距，m； t——冷流体温度，℃；

t——温差，℃；

T——热流体温度，℃；

u——流速，m/s；

W——质量流率，kg/s；

B——折流挡板间距，m。 希文

——无相变对流传热系数，

W/m2℃

；

——传热效率； ——管板利用率；

——管壁导热系数； ——摩擦系数；

——差分算符；

——黏度，Pas； ——密度，kg/m3；

——校正系数。

无因次数群

Pr

cpkdu

，普朗特数（Prandtl number ）；

——求和算符；

Re



，雷诺数（Reynolds number ）。