南京工业大学《材料工程原理B》课程设计
设计题目：煤油冷却器的设计
专业：高分子材料科学与工程
班级：高材0801
学号： 1102080104
姓名：夏亚云
指导教师：周勇敏
日期： 2010/12/30
设计成绩：
目录
一.任务书 (3)
1.1.设计题目
1.2.设计任务及操作条件
1.3.设计要求
二.设计方案简介……………………………………………………………………………………… .-3-
2.1.换热器概述
2.2 列管式换热器
2.3.设计方案的拟定
2.4.工艺流程简图
三.热量设计 (5)
3.1.初选换热器的类型
3.2.管程安排（流动空间的选择）及流速确定
3.3.确定物性数据
3.4.计算总传热系数
3.5.计算传热面积
四.工艺结构设计 (8)
4.1.管径和管内流速
4.2.管程数和传热管数
4.3.平均传热温差校正及壳程数
4.4.传热管排列和分程方法
4.5.壳程内径及换热管选型汇总
4.6.折流板
4.7.接管
五.换热器核算 (13)
5.1.热量核算
5.2.压力降核算
六.辅助设备的计算和选择 (17)
6.1.水泵的选择
6.2.油泵的选择
七.设计结果表汇 (20)
八.参考文献 (20)
九.心得体会 (21)
附图：（主体设备设计图，工艺流程简图）
§一．化工原理课程设计任务书
1.1设计题目
煤油冷却换热器设计
1.2设计任务及操作条件
1、处理能力15.8×104t/y
2、设备型式列管式换热器
3、操作条件
（1）煤油：入口温度140℃，出口温度40℃
（2）冷却介质：工业硬水，入口温度20℃，出口温度40℃
（3）油侧与水侧允许压强降：不大于105 Pa
（4）每年按330天计，每天24小时连续运行
（5）煤油定性温度下的物性参数：
1.3设计要求
选择合适的列管式换热器并进行核算
1.4绘制换热器装配图
（见A4纸另附）
§二．设计方案简介
2.1换热器概述
换热器是化工，炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%~20%，在炼油厂约占总费用35%~40%。换热器在其他部门，如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的意义。
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。
换热器的类型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。
2.2列管式换热器
因设计需要,下面简单介绍下列管式换热器
列管式换热器又称管壳式换热器，在化工生产中被广泛应用。它的结构简单、坚固、制造较容易，处理能力大，适应性能，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中使用更为普遍。
2.2.1固定管板式
固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性形变，以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简便，但不宜用于两流体温度差太大和壳方流体压强过高的场合。
1-挡板 2-补偿圈 3-放气嘴
图2.2.1.固定管板式换热器的示意图
2.2.2浮头式
这种换热器有一段管板不与壳体相连，可沿轴向自由伸缩。这种结构不但可完全消除热应力，而且在清洗和检修时，整个管束可以从壳体中抽出。因此，尽管其架构较复杂，造价较高，但应用仍较普遍。
2.2.3U形管式
每根管子都弯成U形，两端固定在同一个管板上，因此，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。这种结构较简单，质量轻，适用于高温高压条件。其缺点是管内不易清洗，并且因为管子要有一定的弯曲半径，其管板利用率较低。
2.3设计方案的拟定
根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器的固定管板式换热器；再根据冷热流体的性质，判断其是否容易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。本设计中选择使循环工业硬水走管程，煤油走壳程。从资料中查得冷热流体的物性数据，如比热容，密度，粘度，导热系数等。计算出总传热系数，再计算传热面积。根据管径，管内流速确定传热管数，算出传热管程，传热管总根数等。然后校正传热温差及壳程数，确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等；接着再对换热器的热量，官称对流传热系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度，最后，对流体的流动阻力进行计算。
2.4工艺流程简图（见附图）
§三．工艺计算和主体设备设计
3.1 初选换热器类型
两流体的温度变化情况如下：
（1）煤油：入口温度140℃，出口温度40℃；
（2）冷却介质：自来水，入口温度30℃，出口温度40℃；
该换热器用循环冷却自来水进行冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考略到这一因素， 估计所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，需考虑热膨胀的影响，相应地进行热膨胀的补偿，故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器。 3.2 管程安排及流速确定
已知两流体允许压强降不大于100kPa ；两流体分别为煤油和自来水。与煤油相比，水的对流传热系数一般较大。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，应使循环自来水走管程，而使煤油走壳程。选用Φ25×2.5的碳钢管，管内流速取u i =0.5m/s 。
3.3确定物性数据
定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
壳程流体（煤油）的定性温度为：℃90240
140=+=
T 管程流体（硬水）的定性温度为：℃302
40
20=+=
t 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
3.4计算总传热系数
(1).煤油的流量
已知要求处理能力为15.8万吨煤油每年（每年按330天计，每天24小时连续运行），则煤油的流量为：
h Kg t W h /5.19949)24330/(158000=??=
W h----热流体的流量，kg/h ；
(2).热流量
由以上的计算结果以及题目已知，代入下面的式子，有：
Q=W h C ph (T 1-T 2)=19949.5Kg/h ×2.22kJ/kg.℃×（140-40）℃=4428789KJ/h =1230219W
(3).平均传热温差
计算两流体的平均传热温差 ，暂时按单壳程、多管程计算。 逆流时，我们有
煤油： 140℃→40℃ 水： 40℃←20℃
从而
'm t ?=7.4920
4040140)
2040()40140(=-----In
℃
此时
P==--1112t T t t 17.02014020
40=--
R==--1221t t T T 520
4040140=--
式子中：
21,T T ——热流体（煤油）的进出口温度，K 或℃； 21t t ，——冷流体（自来水）的进出口温度，K 或℃；
由图4-25（参见化学工业出版社的《化工原理（第四版）》147页，可查得：t ?ψ=0.83﹥0.8，所以，修正后的传热温度差为：
m t ?= 'm t ?t ?ψ3.4183.07.49=?=℃ (4).冷却水用量
由以上的计算结果以及已知条件，很容易算得：
Wc=
)(12t t C Q
pc -=
53052)
2040(174.44428789=-?kg/h (5).总传热系数K
选择时，除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。 1.管程传热系数： Re 1=
124390008007
.0996
5.002.0=??=
i i
i i u d μρ
Pr 1=
41.56176
.00008007
.04174=?=
i
i
p c λμ
αi=0.0234
.08.0)()(i
i p i i i i i i c u d d λμμρλ