【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ........... 42 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 題目 煤油冷卻器的設(shè)計(jì) 任務(wù)及操作條件 處理能力： 10 萬(wàn)噸 /年煤油 設(shè)備形式： 列管式換熱器 操作條件 (1).煤油 ：入口溫度 140℃ ，出口溫度 40℃ (2).冷卻介質(zhì)：自來(lái)水，入口溫度 30℃ ，出口溫度 40℃ (3).允許壓強(qiáng)降：不大于 100kPa (4).煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度 825kg/m3，黏度 ，比熱容(kg.℃ )，導(dǎo)熱系數(shù) (m.℃ ) (5).每年按 330 天計(jì)，每天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行 列管式換熱器的選擇與核算 傳熱計(jì)算 管、殼程流體阻力計(jì)算 管板厚度計(jì)算 U 形膨脹節(jié)計(jì)算（浮頭式換熱器除外） 管束振動(dòng) 管殼式換熱器零部件結(jié)構(gòu) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 2 概述 換熱器概述 換熱器是化工、煉油工業(yè)中普遍應(yīng)用的典型的工藝設(shè)備。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的 10%～ 20%，在煉油廠約占總費(fèi)用 35%～ 40%。換熱器在其他部門(mén)如動(dòng)力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)和選擇得到使用、高效的換熱器對(duì)降低設(shè)備的造價(jià)和操作費(fèi)用具有十分重要的作用。 在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，即簡(jiǎn)稱換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。 換熱器的類型按傳熱方式的 不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛，如表 21 所示。 表 21 傳熱器的結(jié)構(gòu)分類 類型 特點(diǎn) 間 壁 式 壁 管 殼 式 列 管 式 固定管式 剛性結(jié)構(gòu) 用于管殼溫差較小的情況（一 般 ≤ 50℃ ），管間不能清洗 帶膨脹節(jié) 有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力 浮頭式 管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場(chǎng)合 U 型管式 管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難 填料函式 外填料函 管間容易泄露，不宜處理易揮發(fā)、 易爆炸及壓力較高的介質(zhì) 內(nèi)填料函 密封性能差，只能用于壓差較小的場(chǎng)合 釜式 殼體上部有個(gè)蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場(chǎng)合和固定床反應(yīng)器中 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 間 式 套管式 能逆流操作，用于傳熱面積較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器 螺旋管式 沉浸式 用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱 噴淋式 只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱 螺旋板式 可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔的作用，可用做回收 低溫?zé)崮? 傘板式 結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈 板殼式 板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高 混合式 適用于允許換熱流體之間直接接觸 蓄熱式 換熱過(guò)程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場(chǎng)合 固定管板式 因設(shè)計(jì)需要，下面簡(jiǎn)單介紹一下固定管板式換熱器。 固定管板式即兩端管板和殼體連結(jié)成一體，因此它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(yīng)是較為潔凈且不易結(jié)垢的物料。當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，應(yīng)考慮熱補(bǔ)償。有具有補(bǔ)償圈（ 或稱膨脹節(jié)）的固定板式換熱器，即在外殼的適當(dāng)部位焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，當(dāng)外殼和管束的熱膨脹程度不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形（拉伸或壓縮），以適應(yīng)外殼和管束的不同的熱膨脹程度。這種熱補(bǔ)償方法簡(jiǎn)單，但不宜用于兩流體溫度差太大（不大于 70℃ ）和殼方流體壓強(qiáng)過(guò)高（一般不高于 600kPa）的場(chǎng)合。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 圖 21 固定管板式換熱器的示意圖 1擋板 2補(bǔ)償圈 3放氣嘴 設(shè)計(jì)背景及設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)背景 在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛地使用各種換熱器，且他們是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備 ，并占有十分重要的地位。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的 10%20%，在煉油廠約占總費(fèi)用的 35%40%。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開(kāi)發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分的活躍。一些新型的換熱器相繼問(wèn)世。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器自然有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)與性能；所以在換熱器的設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇使用的類型，然后計(jì)算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。 設(shè)計(jì)要求 完善的換熱器在設(shè)計(jì)和選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求： （ 1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件：可以從： ① 增大傳熱系數(shù) ② 提高平均溫差 ③妥善布置傳熱面等三個(gè)方面具體著手。 （ 2）安全可靠 換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵循我畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 國(guó)《鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定》和《鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定》等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。 （ 3）有利于安裝操作與維修 直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與拆卸，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排 放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。 （ 4）經(jīng)濟(jì)合理 評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定時(shí)間內(nèi)（通常 1 年內(nèi)的）固定費(fèi)用（設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)）等的總和為最小。在設(shè)計(jì)或選型時(shí)，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一標(biāo)準(zhǔn)就尤為重要了。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 3 熱量設(shè)計(jì) 初選換熱器的類型 兩流體的溫度變化情況如下： （ 1） 煤油：入口溫度 140℃ ，出口溫度 40℃ ； （ 2）冷卻介質(zhì)：自來(lái)水，入口溫度 30℃ ，出口溫度 40℃ ； 該換熱器用循環(huán)冷卻自來(lái)水進(jìn)行冷卻，冬季操作時(shí)， 其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考略到這一因素，估計(jì)所需換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，需考慮熱膨脹的影響，相應(yīng)地進(jìn)行熱膨脹的補(bǔ)償， 故而初步確定選用帶有膨脹節(jié)的管板式換熱器。 管程安排 (流動(dòng)空間的選擇 )及流速確定 已知兩流體允許壓強(qiáng)降不大于 100kPa；兩流體分別為煤油和自來(lái)水。與煤油相比，水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大。由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降，考慮到散熱降溫方面的因素，應(yīng)使循環(huán)自來(lái)水走管程，而使煤油走殼程。 表 式換熱器內(nèi)的適宜流速范圍 流體種 類 流速 /（ m/s） 管程 殼程 一般液體 ~3 ~ 易結(jié)垢液體 1 氣體 5~30 3~15 表 （以普通鋼壁為例） 液體粘度 /mPa． s ＞ 1500 1500～ 500 500～ 100 100～ 35 35～ 1 ＜ 1 最大流速 /（ m/s） 由上表，我們初步選用 Φ25 的碳鋼管，管內(nèi)流速取 ui=。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取 流體進(jìn)出口溫度的平均值。 殼程流體（煤油）的定性溫度為： T= 2 40140? =90℃ 管程流體（水）的定性溫度為： t= 352 3040 ?? ℃ 。 在定性溫度下，分別查取管程和殼程流體 (冷卻水和煤油 )的物性參數(shù)，見(jiàn)下表： 密度 /（㎏ /m3） 比熱容 /（ kJ/kg?℃ ） 粘度 /（ Pa?s） 導(dǎo)熱系數(shù) /（ W/m?℃ ） 煤油 825 104 水 (35℃ ) 994 104 計(jì)算總 傳熱系數(shù) 煤油的流量 已知要求處理能力為 15 萬(wàn)噸煤油每年（每年按 330 天計(jì)，每天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行），則煤油的流量為： Wh=100000t/（ 33024） =12626kg/h Wh——熱流體的流量， kg/h； 熱流量 由以上的計(jì)算結(jié)果以及題目已知，代入下面的式子，有： Q= )( 21 TTcW phh ? =12626kg/h?℃ (14040) ℃ =778603W 平均傳熱溫差 計(jì)算兩流 體的平均傳熱溫差 暫時(shí)按單殼程、多管程計(jì)算。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 逆流時(shí)，我們有 煤油： 140℃ →40 ℃ 水： 40℃ ←30 ℃ 從而， 39。mt? =??????3040 40140ln)3040()40140( ℃ 而此時(shí)，我們有： 0 304011 12 ??????? tT ttP 103040 4014012 21 ??????? tt TTR 式 中 T1， T2——熱流體 （煤油）的進(jìn)出口溫度， K 或 ℃ ； t1， t2——冷流體（自來(lái)水）的進(jìn)出口溫度， K 或 ℃ ； 由圖 419（參見(jiàn)天津大學(xué)出版社的《化工原理（上冊(cè)修訂版）》 233 頁(yè)）可查得：t?? =﹥ ，所以，修正后的傳熱溫度差為： mt? = 39。mt? t?? ==32℃ 冷卻水用量 由以上的計(jì)算結(jié)果以及已知條件，很容易算得： Wc=)( 12 ttC Qpc ?=)3040(41802802972?= kg/h 總傳熱系數(shù) K 總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表 34，有關(guān)手冊(cè)中也列有其他情況下的總傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。選擇時(shí)，除要考慮流體的物性和操作條件外，還應(yīng)考慮換熱器的類型。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 表 34 總傳熱系數(shù)的選擇 管程 殼程 總傳熱系數(shù) /[W/（ m3℃ ） 水（流速為 ～ ） 水 冷水 冷水 冷水 鹽水 有機(jī)溶劑 輕有機(jī)物 μ＜ s 中有機(jī)物 μ=～ 1mPas 重有機(jī)物 μ＞ 1mPas 水（流速為 1m/s） 水 水溶液 μ＜ 2mPas 水溶液 μ＞ 2mPas 有機(jī)物 μ＜ s 有機(jī)物 μ=～ 1mPas 有機(jī)物 μ＞ 1mPas 水 水 水 水 水 水（流速為 ～ ） 水（流速較高時(shí)） 輕有機(jī)物 μ＜ s 中有機(jī)物 μ=～ 1mPas 重有機(jī)物 μ＞ 1mPas 輕有機(jī)物 μ＜ s 有機(jī)溶劑 μ=～ s 輕有機(jī)物 μ＜ s 中有機(jī)物 μ=～ 1mPas 重有機(jī)物 μ＞ 1mPas 水蒸氣（有壓力）冷凝 水蒸氣（常壓或負(fù)壓）冷凝 水蒸氣冷凝 水蒸氣冷凝 水蒸 氣冷凝 水蒸氣冷凝 水蒸氣冷凝 有機(jī)物蒸氣及水蒸氣冷凝 重有機(jī)物蒸氣（常壓）冷凝 重有機(jī)物蒸氣（負(fù)壓）冷凝 飽和有機(jī)溶劑蒸氣（常壓）冷凝 含飽和水蒸氣的氯氣（＜ 50℃ ） 582～ 698 814～ 1163 467～ 814 290～ 698 116～ 467 233～ 582 198～ 233 233～ 465 116～ 349 58～ 233 2326～ 4652 1745～ 3489 1163～ 1071 582～ 2908 582～ 1193 291～ 582 114～ 349 582～ 1163 116～ 349 58～ 174 582～ 1163 174～ 349 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 管程 殼程 總傳熱系數(shù) /[W/（ m3℃ ） 水 水 水 SO2 冷凝 NH3 冷凝 氟里昂冷凝 814～ 1163 698～ 930 756 （ 1） .管程傳熱系數(shù)： 136700 0 0 7 2 ????? i iiii ud ? ? 00 80Pr ???? i ipi uc ? )()(iipiiiiii ucuddai ????? 3 6 7 ????iid? =2753 W/m2?℃ （ 2） .殼程傳熱系數(shù)： 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)是： o? =500 W/m2?℃ 污垢熱阻： Rsi=℃ /W Rso= m2℃ /W 管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： ?=45 m2℃ /W 管壁厚度： b= 內(nèi)外平均厚度： dm= 在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得 osoioiosiiio RdbdddRddK???11 ????? 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 =1247。 =320W/m2?℃ 計(jì)算傳熱面