中南大学
《化工原理》课程设计说明书
题目： 煤油冷却器的设计
学院： 化学化工学院
班级： 化工0802
学号： 1505080802 姓名： ****** 指导教师： 邱运仁 时间： 2010年9月
目录
§一.任务书……………………………………………………………………………………………………-2-
1.1.题目
1.2.任务及操作条件
1.3.列管式换热器的选择与核算
§二.概 述…………………………………………………………………………………………………..-3-2.1.换热器概述 2.2.固定管板式换热器2.3.设计背景及设计要求
§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. 机械结构设计…………………………………………………………………………………………..-9-4.1.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.壳程内径及换热管选型汇总4.4.折流板4.6.接管
4.7.壁厚的确定、封头4.8.管板4.9.换热管4.10.分程隔板4.11拉杆
4.12.换热管与管板的连接
4.13.防冲板或导流筒的选择、鞍式支座的示意图(BI型)4.14.膨胀节的设定讨论
§五. 换热器核算………………………………………………………………………………………….…-21-5.1.热量核算5.2.压力降核算
§六.管束振动……………………………………………………………………………………..…………-25-
6.1.换热器的振动
6.2.流体诱发换热器管束振动机理6.3.换热器管束振动的计算6.4.振动的防止与有效利用
§七. 设计结果表汇…………………………………………………………………………………….……-28- §八.参考文献…………………………………………………………………………………………….…..-29- §附：化工原理课程设计之心得体会………………………………………………………………………-30-
§一.化工原理课程设计任务书
1.1.题目
煤油冷却器的设计
1.2.任务及操作条件
1.2.1处理能力：40t/h 煤油1.2.2.设备形式：列管式换热器1.2.3.操作条件
(1).煤油：入口温度160℃，出口温度60℃
(2).冷却介质：循环水，入口温度17℃，出口温度30℃(3).允许压强降：管程不大于0.1MPa,壳程不大于40KPa
(4).煤油定性温度下的物性数据ρ=825kg/m3，黏度7.15×10-4Pa.s，比热容2.2kJ/(kg.℃)，导热系数0.14W/(m.℃)1.3.列管式换热器的选择与核算
1.3.1.传热计算
1.3.2.管、壳程流体阻力计算1.3.3.管板厚度计算1.3.4.膨胀节计算1.3.5.管束振动
1.3.6.管壳式换热器零部件结构
§二.概述
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作用。
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，如表2-1所示。
表2-1 传热器的结构分类
类型
间
管
列壳管壁
式式
固定管式
刚性结构带膨胀节浮头式U型管式填料函式
外填料函内填料函
特点
用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不能清洗
有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力管内外均能承受高压，可用于高温高压场合管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难
管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质
密封性能差，只能用于压差较小的场合
釜式
式
双套管式套管式
螺旋管式
板式
板面式
螺旋板式伞板式板壳式混合式蓄热式
沉浸式喷淋式
壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮
结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中
能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器
用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热只用于管内流体的冷却或冷凝
拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热
可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能
结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高适用于允许换热流体之间直接接触
换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合
2.2.固定管板式
因设计需要，下面简单介绍一下固定管板式换热器。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，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于70℃）和壳方流体压强过高（一般不高于600kPa）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
2.3.设计要求
完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求：
（1）合理地实现所规定的工艺条件：可以从：①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面等三个方面具体着手。
（2）安全可靠
换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我国《钢
制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。
（3）有利于安装操作与维修
直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与拆卸，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。
（4）经济合理
评价换热器的最终指标是：在一定时间内（通常1年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。
§三.热量设计
3.4.计算总传热系数3.4.2.热流量
以热介质煤油为计算标准算它所需要被提走的热量:
Q=ms1cp1(T1-T2)=40000x2.2x(160-60)=8800kJ/h=2444.4kw
3.4.3.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：160℃→60℃水： 30℃←17℃从而，
?tm'=130-43ln(130/43)=78.6 而此时，我们有：
t2-t1P=T1-T2T1-T2t2-t1=30-17160-17=13=0.091143
R=式中：
=160-6030-17=10013=7.69
T1,T2——热流体（煤油）的进出口温度，℃；t1，t2——冷流体（自来水）的进出口温度，℃；
|×=R2+1R-11-Pln1-PRlnR2+1)2-P(1+R+R2+1)2-P(1+R-
化工原理课程设计——换热器的设计
