年处理量9.4×104吨煤油冷却器的设计概要

食品工程原理课程设计 年处理量9.4×10吨煤油冷却器的设计 4

摘 要

本设计是进行煤油冷却器的设计，主要进行了换热器的选型以及煤油输送泵的型号选择。

设计的前半部分是换热器的选型，根据给定的条件估算换热面积，进行换热器的选择，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降的计算，以确定能够完成生产任务并能安全生产。设计的后半部分是关于煤油输送泵的选择，根据换热器以及给定的条件计算出最大流量和压头确定煤油输送泵的型号，并核算泵的轴功率。

关键词：浮头式换热器、 传热系数 、泵

食品科学与工程

目录

1

引言 .................................................................................................................................. 1 1.1 1.2 1.3 2

换热器的类型 ................................................................................................... 1 换热器的选择 ................................................................................................... 1 浮头式换热器特点 ......................................................................................... 4

正文 .................................................................................................................................. 4 2.1

确定设计方案 ................................................................................................... 4 2.1.1 选择换热器的类型 .................................................................................. 4 2.1.2 流程的确定 ................................................................................................ 4 2.2

确定物性数据 ................................................................................................... 4 2.2.1 确定定性温度 ........................................................................................... 4 2.2.2 确定物性数据 ........................................................................................... 5 2.3

估算传热面积 ................................................................................................... 5 2.3.1 计算传热热负荷Q .................................................................................. 5 2.3.2 计算平均传热温差 .................................................................................. 5 2.3.3 初选总传热面积 ...................................................................................... 6 2.3.4 初选管径 ..................................................................................................... 7 2.3.5 初选换热器型号 ...................................................................................... 7 2.4 2.5

换热器的核算 ................................................................................................... 7 传热系数的校核 .............................................................................................. 8

I

2.5.1 管程的对流传热系数 ............................................................................. 8 2.5.2 壳程的对流传热系数 ............................................................................. 9 2.5.3 确定污垢热阻 ........................................................................................... 9 2.5.4 计算总传热系数K .................................................................................. 9 2.5.5 计算热传热面积 .................................................................................... 10 2.6

换热器压力降的核算 ................................................................................... 10 2.6.1 管程阻力损失 ......................................................................................... 10 2.6.2 壳程阻力损失 ......................................................................................... 11 2.7

水泵的选择 ...................................................................................................... 12 2.7.1 流量的计算 .............................................................................................. 12 2.7.2 扬程的计算 .............................................................................................. 12 2.7.3 选择水泵的型号 .................................................................................... 13 2.8

设计小结 .......................................................................................................... 13 2.8.1 主要结构尺寸和计算结果 ................................................................. 13 2.8.2 浮头式换热器结构参考图 ................................................................. 15 2.9 3

设计评述 .......................................................................................................... 15

参考文献 ....................................................................................................................... 16

II

年处理量9.4×104吨煤油冷却器的设计

1 引言

1.1 换热器的类型

换热器是许多工业生产部门的通用工艺设备，尤其是石油、化工生产中应用最为广泛，在化工中换热器可用作加热器、预热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器的类型很多，性能各异，根据热量的传递方式的不同可将换热器分为直接接触式换热器、蓄热式换热器和间壁式换热器三种。以上三种换热器中以间壁式换热器应用最为广泛，型式也最为多样，可分为管式换热器、板式换热器和特殊性换热器。

管式换热器通过管子壁面进行传热，按传热管的结构可分为套管式换热器、蛇管式换热器、列管式换热器、翅片管式换热器等几种;板式换热器通过板面进行传热，按传热板的结构可分为夹套式换热器、平板式换热器、螺旋板式换热器、热板式换热器及板翅式换热器等几种；而特殊型式换热器是指根据工艺特殊要求而设计的，具有特殊结构的换热器。如热管换热器、板壳式换热器等。

其中列管式换热器又称管壳式换热器，是一种通用的标准换热设备。它因结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点而在化工厂中应用最为广泛。根据其结构特点又可分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器。

1.2 换热器的选择

1

1.类型的选择

换热器的种类很多，选择时应根据操作温度、压力、换热器的热负荷、管程与壳程的温度差、换热器的腐蚀性能及其他特性、检修与清洗要求等因素综合考虑。

2.流体通道的选择[3]

1) 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因管内清洗方便； 2) 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；

3) 高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量； 4) 有毒流体宜走管程，使泄露机会减少；

5) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较洁净，对流传热系数与流速无关，而

且冷凝液容易排出；

6) 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；

7) 粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，

由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（Re<100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数。但是有时在动力设备允许的条件下，将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。

在选择流体通道时，以上各点常常不能兼顾，在实际选择时应抓住主要矛盾。如首先要考虑流体的压力、腐蚀性和清洗等要求，然后再校核对流传热系数和阻力系数等，以便做出合理的选择。

3.加热剂或冷却剂的选择

2

一般情况下，用加热剂或冷却剂的流体是由实际情况决定的。但有些时候需要设计者自行选择。在选用加热剂或冷却剂时，除首先应满足所能达到的加热或冷却温度外，还应考虑到其来源方便、价格低廉、使用安全。

4.流体进、出口温度的确定

在换热器的设计中，被处理物料的进出口温度为工艺要求所规定，加热剂或冷却剂的进口温度一般有来源而定，但它的出口温度应由设计者根据经济核算来确定。

5.流体流速的选择

换热器中流体流速的增加，可使对流传热系数增加，有利于减少污垢在管子表面沉积的可能性，即降低污垢热阻，使总传热系数增大。然而流速的增加又使流体流动阻力增大，动力消耗增大。因此，适宜的流体流速需通过技术经济核算来确定。充分利用系统动力设备的允许压降来提高流速是换热器设计的一个重要原则。在选择流体流速时，除了经济核算以外，还应考虑换热器结构上的要求。

6.流体方式的选择

流向有逆流、并流、错流和折流四种类型。在流体进出口温度相同的情况下，逆流的平均温度差大于其他流向的平均温度差，因此，若无其他工艺要求，一般采用逆流操作。

7.材质的选择

在进行换热器设计时，换热器各种零部件的材料应根据操作压力、温度和流体的腐蚀性以及对材料的制造工艺以及性能等的要求来选取。最后还要考虑材料的经济合理性。

3

1.3 浮头式换热器特点

根据本次生产要求，本设计采用浮头式换热器设计，其结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接,可以在壳体内沿轴向自由伸缩,该端称为浮头。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内自由伸缩，可消除热应力，管束可以从壳体抽出,便于清洗。缺点是结构复杂,需要大量金属材料,造价高；浮头盖与浮动管板之间若密封不严，发生内漏，造成两种介质的混合。但因其适用于壳体与管束温差较大或壳程流体容易结垢的场合及优良的性能,在工业中广泛应用。

2 正文

2.1 确定设计方案

2.1.1 选择换热器的类型

该换热器用循环冷却水，根据给定条件，结合两流体的温差，估计该换热器管壁温度和壳体温度之差较大，初步确定用浮头式换热器。

2.1.2 流程的确定

因水易结垢应走易清洗的一侧，且为增加散热需使热流体走壳程，选择热流体煤油走壳程，冷流体循环水走管程。

2.2 确定物性数据

2.2.1

热流体（煤油） t1465098℃ 24

确定定性温度

冷流体（循环水）t284034℃ 22.2.2 确定物性数据

表 2-1水和煤油相应的物性数据

流体类别 温度/℃ 密度黏度μ/Pa﹒s 7.28×10-4 7.15×10-4 比热容Cap/[kJ﹒(㎏﹒℃)-1] 4.174 2.22 热导率λ/[w﹒(㎡·℃)-1] 0.626 0.14 /(㎏﹒m3) 水 `煤油

34 98 994 825 2.3 估算传热面积

2.3.1

按煤油所需的热量计算

计算传热热负荷Q

9.4104103QWhCph(Th1Th2)2.22103(14650)7.03105W (2-1)

792036002.3.2 计算平均传热温差

当换热器中两流体无相变时，可以通过采用逆流或接近逆流的流向以得到较大的传热温差，来强化传热。所以选择逆流 热流体（煤油） 146℃→50℃ 冷流体（循环水） 40℃←28℃

△T 106℃ 22℃

5

'两流体的对数平均传热温差[1]TmT2T11062253.5℃ (2-2) T2106lnln22T1选换热器为单壳程、偶管程

RTh1Th2146508 (2-3)

Tc2Tc14028Tc2Tc140280.102 (2-4)

Th1Tc114628P由P和R得温差校正系数

R211P2/P1RR21Δtln/ln()

2R11PR2/P1RR182110.1022/0.10218821ln/ln()=0.92 (2-5)

28110.10282/0.1021881因Δt﹥0.8[2]，可行

'两流体的平均温差[2]TmΔtTm0.9253.549.22℃ (2-6)

2.3.3

初选K=350W·(㎡·℃) -1[3] 按煤油所需的热量计算

初选总传热面积

9.4104103Wh9.410t/年3.3 ㎏·s-1 (2-7)

3302436004QWhCph(Th2Th1)3.32.22103(14650)7.03105W (2-8) Q7.03105则估算总传热面积 A40.80㎡ (2-9)

KTm35049.226

2.3.4

选用Φ25mm×2.5mm碳钢传热管

初选管径

2.3.5

根据传热面积初选换热气型号[1]

初选换热器型号

表 2-2浮头式换热器主要性能参数

项目 外壳直径D/mm 公称压强/MPa 公称面积/m2 管程数/ Np 管子排列形式 参数 600 1.6 50 4 正方形

项目 管子尺寸/mm 管长L/m 管数N 管中心距t/mm 管程流通截面积/㎡ 参数 Ф25×2.5 3 208 32 0.01634 2.4 换热器的核算

按上列数据核算壳程、管程的流速及雷诺数 ①管程

Q7.03105-1

循环水的质量流量 Wc㎏·s (2-10) 143Cpc(Tc2Tc1)4.17410(4028)管内水的流速 uiWc140.86ms-1 (2-11) Ai9940.016347

雷诺数 Rei ②壳程

uidi0.86994252.5210323484 (2-12)

7.28104流通截面积 Ao(Dncdo)z (2-13) 当管子按正方形排列时 nc1.19n1.1920817.16 (2-14) 取NC=18,折流挡板间距z=0.15

则 Ao(0.6180.025)0.150.0225m2 (2-15) 煤油流速uoWh3.30.178m·s-1 (2-16) Ao8250.02254(t2当量直径[2] de4dodo2)4(0.032240.0250.0252)0.027m2 (2-17)

雷诺数Reo uodo0.1788250.027

5545 (2-18)

7.15104由以上核算看出，所选用的换热器，管程、壳程的流速和雷诺数都是合适的。

2.5 传热系数的校核

已选定的换热器型号是否适用，还要核算K值和传热面积A才能确定。

2.5.1 管程的对流传热系数

Rei=23848>104 流体在圆形管道内作强制湍流[1]

i0.023(i) Rei0.8 Prn (2-19)

di流体被加热时n=0.4,l流体被冷却时n=0.3[2]

8

Cp7.281044.1741034.85 (2-20) Pr0.626i0.023(0.626)(23484)0.84.850.44238.5 W·(㎡·℃) -1 (2-21) 0.022.5.2 壳程的对流传热系数

对于壳体是圆筒，管束中各列的管子数目并不相同，而且大都装有折流挡板，使得流体的流向和流速不断的变化，因而在Re>100时即可达到湍流。

当换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积约为25﹪的壳体内截面积）时，壳程流体的对流传热系数可用凯恩法求算[2]，即

o0.36de0.14Re0.55Pr1/3(0.14) (2-22)w式中w是考虑热流方向的校正系数，可以用u表示。流体被加热时

u=1.05，流体被冷却时u=0.95。[2]

Cp7.151042.2210311.34 (2-23) Pr 0.14o0.360.1455450.5511.341/3(0.95)0.14473.5 W·(㎡· ℃) -1 (2-24) 0.0272.5.3

确定污垢热阻

查食品工程原理附表得，自来水的Rsi=1.72×10-4 W·(㎡·℃) -1、煤油 Rso=1.72×10-4 W·(㎡·℃) -1[1]

2.5.4

以外表面为基准

计算总传热系数K

9

由化工原理第二册附录可取

45 W·(㎡·℃) -1

1rorrr1RsioolnoRsoriiririo1 (2-25)

Ko0.0250.0250.0250.02511.72104ln1.721040.024238.50.022500.02463345.12.5.5 计算热传热面积

Q7.03105A38.8m2 (2-26)

KTm345.149.22实际传热面积A'ndl2083.140.025349m2 (2-27)

A'A4941.39100%15.5%10% (2-28) A49

2.6 换热器压力降的核算

2.6.1

因进出口阻力较小，可忽略不计[2]

管程阻力损失

p(pp)FNNi12tsp (2-29)

式中 P1——直管阻力损失，Pa

P2——回弯的阻力损失，Pa

Ft ——结垢校正系数

10

Ns ——串联的壳程数 因Re234844000 0.31640.31640.0256 (2-30) 0.250.25Re23484ui2ld2 (2-31)

p1p23ui22 (2-32)

ui2l39940.862p1p2(3)(0.02563)2514.2 (2-33)

d20.022对于25mm2.5mm的管Ft=1.4[2]

p2514.21.41414079.52Pa<30KPai (2-34)

2.6.2 壳程阻力损失

p'1o'(p1'p2)FsNs (2-35)

pFfoNc(NB1)2uo2 (2-36)

式中： F ——管子排列方式对压强降得校正系数

fo ——壳程流体摩擦系数

Ft ——壳程压力降的垢层校正系数 NB——折流挡板数

Nc ——水平管束在垂直列上的管数 选管列为正方形45°错列，取F=0.4

11

fo5.0Re0.2285.055450.2280.7 (2-37)

0.5Nc1.19NT0.52081.198.6 (2-38)

4挡板数

'Nl3B1119 (2-39)

z0.158250.1782629 (2-40) 则p10.40.78.6(191)222Buo20.158250.1782p2NB(3.5)19(3.5)745.0 (2-41)

D20.62污垢校正系数Fs=1.15[2],则

po(629745.0)1.1511580.1Pa<30KPa (2-42)

流程管程和壳程流体的压力均未超过30KPa，以上核算结果正确。

2.7 水泵的选择

2.7.1

煤油的体积流量 qhWh流量的计算

3.3360014.4m3·h-1 (2-43)

8252.7.2 扬程的计算

要将煤油适当的输送经过换热器进行冷却处理，需要选择合适的油泵提供相应的位能和克服沿程阻力，设定Z=2m，沿程阻力和即为壳程∑△Po，且管路系统两侧的压强差为0，则

HZhfZpgi21580.12.20m (2-44)

8259.8112

2.7.3 选择水泵的型号

根据流量和扬程，查食品工程原理附表得[1] 泵的型号为IS65—50—125

表 2-3泵的主要性能参数

流量/（m3﹒h-1扬程/m 转速/(r﹒min-1功率/kW 汽蚀余量/m 效率/％ 轴功率 配带功率 重量/kg 外形尺寸（长×宽×高）/mm 465×210×252 ） ) 15 5 1450 2.0 64 0.27 0.55 33

泵的有效功率

PeHQg2.2014.48259.810.071 Kw (2-45) 100010003600泵的效率

Pe0.071100%26% (2-46) P0.272.8 设计小结

2.8.1 主要结构尺寸和计算结果

表 2-4 主要结构尺寸和计算结果

参数 流体 管程 水 壳程 煤油 13

质量流量/（Kg﹒s-1) 进口温度/℃ 出口温度/℃ 定性温度/℃ 密度/(Kg﹒m-3) 定压比热容/[kJ ﹒(kg·℃)] 黏度/Pa﹒s 热导率/[W ﹒(m·℃)-1] 形式 外壳直径/mm 管径/mm 设备结构参数 管长/m 管数目/根 2-115.233 28 40 34 994 3.3 146 50 98 825 物性 4.174 2.22 7.28×10-4 0.626 浮头式 600 Φ25×2.5 3 208 7.15×10-4 0.14 壳程数 公称面积/m2 管心距/mm 管子排列 折流板数/个 折流板间距/mm 材质 管程 0.86 1.72×10-4 14.080 1 50 32 45℃正方形 19 传热面积/m 49 150 管程数 主要计算结果 流速/（m﹒s-1） 污垢热阻/[(m2·℃) ﹒W-1] 阻力/KPa 4 碳钢 壳程 0.178 1.72×10-4 1.580 14

热流量/kW 传热温差/℃ 传热系数/[W﹒(m2·℃)-1] 裕度/%

703 49.22 345.1 15.5 2.8.2 浮头式换热器结构参考图

图 2-1浮头式换热器结构参考图

1—管程隔板2—壳程隔板3—浮头

2.9 设计评述

本设计所有参数经反复核算，保证各参数均在设计要求之内，准确可行。管程流体冷却水流速ui=0.86m/s，流体雷诺数Rei=23484。壳程流体煤油流速uo=0.178m/s，流体雷诺数Reo=5545>4000。管程、壳程流体流动为湍流，能够较好的达到换热的要求。管程采用排45℃正方形列，而在各管程之间为了便于安装隔板，也便于机械清洗。该换热器的换热面积裕度H=15.5％在10％-30％之间，则所设计换热器能够完成生产任务。管程、壳程流动阻力分别为

15

14.080KPa、 1.580KPa 均小于30KPa在允许范围之内。另外，油泵的选择还有很大的工作余量，在实际生产中能够更好的通过调节完成生产任务，但目前泵的效率较低。

3 参考文献

[1]李云飞,葛克山.食品工程原理（第3版）[M]. 中国农业大学出版社.

2014.26,391,10,378,387.

[2] 柴诚敬,张国亮,夏清等.化工原理（第二版）[M].高等教育出版

社.2010.226,237-238,241,267.

[3]王国胜.化工原理 [M].大连理工大学出版社.199,170.

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