煤油冷却器的设计

《化工原理》课程设计任务书

一、 设计题目：

煤油冷却器的设计

二、原始数据及操作条件

1、处理能力 8万吨/年 2、设备形式 列管式

3、煤油 T入= 140℃，T出= 40℃ 4、冷水 T入= 25℃，T出= 40℃ 5、 ⊿P

6、煤油 ρ=825Kg/m3，η=7.15×107、 λ= 0.14W/（m.℃）

8、每年按330天计，24小时/天连续进行。

列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：

1. 根据换热任务和有关要求确定设计方案； 2. 初步确定换热器的结构和尺寸； 3. 核算换热器的传热面积和流体阻力； 4. 确定换热器的工艺结构。

-4

Pa.S CV=2.22KJ/Kg.℃

二、生产条件的确定

设计一列管式煤油换热器，完成年冷却30wt煤油的任务，具体要求如下：煤油进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体进口温度25℃，出口温度40℃；每年按330天计，24小时/天连续进行。

三、换热器的设计计算

（一）确定设计方案

1、选择换热器类型

两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体进口温度25℃，出口温度40℃。由于该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差，故选用浮头式换热器。

2、流动空间及流速的确定

实际生产中，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水走管程，煤油走壳程。选用φ25×2.5的碳钢管，管内流速设为ui=0.8m/s。

（二）确定物性数据

定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程煤油的定性温度： T=

14040

=90（℃） 2

管程流体的定性温度： t=

3040

=35 (℃) 2

根据定性温度，分别插取壳程和管程流体的有关物性数据。 煤油在90℃的有关物性数据如下：

密度 ρ0=825kg/m3 定压比热容 Cpo=2.22kJ/(kg*℃) 导热系数 λo=0.140W/(m*℃) 粘度 υo=0.000715Pa*s 冷却水在32.5℃的有关物性数据如下：

密度 ρi=994.85kg/m3 定压比热容 Cpi=4.174kJ/(kg*℃) 导热系数 λi=0.622W/(m*℃) 粘度 υi=0.000763Pa*s

（三）计算总传热系数

1、热流量

Qo=moCpoto=10101.0101*2.22*（140-40）=2.242*106kJ/h=622.778kW 2、平均传热温差

'tm

t1t2(14040)(4025)

44.805(℃) t114040



4025t2

3、冷却水用量

Qo2.242*106

wi35809（kg/h）

cpiti4.174*(4025)4、总传热系数 1)管程传热系数

Re

diuii

i



0.02*0.8*994.85

20861.6

0.000763

0.8

0.4

idiuiicpii

i0.023diii

0.6224.174*0.007630.4

0.023(20861.6)0.8()621.8W/(m2*C)

0.0200.622

2)壳程传热系数

假设壳程的传热系数 0400W/（m2*℃） 污垢热阻

Rsi=0.000344m2*℃/W Rso=0.000172m2*℃/W

管壁的导热系数

K

1dodbdo1

RsioRsoidididmo

1

0.0250.0250.0025*0.0251

0.000344*0.000172

621.8*0.0200.02045*0,0225400



200W/(m2*C)

(四)计算传热面积

Q1.755*106A149.3(m2)

Ktm358.4*4*32.8

考虑15%的面积裕度，S=1.15*S’=1.15*69.5=79.93（m2）

（五）工艺结构尺寸 1、管径和管内流速

选用φ25*2.5传热管（碳钢），取管内流速ui0.8m/s 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

ns

V

diu

4

按单程管计算，所需的传热管长度

L



35809/(3600*994.85)

39.840（根）

0.785*0.022*0.8

S79.93

25.5(m) dons3.14*0.025*40

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。取传热管长L=4.5m,则该换热器管程数为

Np

L25.56（管程） l4.5

传热管总根数 N40*6240(根)

3、平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数

14040

6.667

4025

4025P0.13

14025R

按单壳程，四管程结构，温差校正系数为

t

2/p1RR21R211p

1pR/2R12/p1RR1

2/0.1316.6676.667216.6672110.13

 /26.667110.13*6.6672/0.1316.6676.66710.83(C)

平均传热温差

'

tmt*tm0.83*44.80537.2(C)

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1.25do，则

t1.25*2531.2532(mm)

横过管束中心线的管数

nc1,N1.19*24019（根） 5、壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径

D1.05tN/1.05*32*240/0.7621.6(mm)

圆整可取D650mm

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*650162.5mm。

取折流板间距B0.3D，则

B0.3*650195mm 折流板数 NB

L45001123块 B195

折流板圆缺水平装配。 7、接管

壳程流体进出口接管：取接管内循环油品流速为u1.5m/s，则接管内径为

d

4Vu4*10101.0101/(3600*825)

0.054m

3.14*1.5

取标准管径为50mm。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为u3.0m/s，则接管内径为

d

4V

u4*35809/(3600*994.85)

0.065m

3.14*3.0

取标准管径为65mm。 (六)换热器核算 1、 热量核算

1)壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采取克恩公式

.551/3oo0.36Re0Prodew

o

0.14

当量直径，由正三角形排列得

3223.1422

4td4**0.032*0.025o24240.020(m) de

do3.14*0.025

壳程流通截面积

do0.025

SoBD10.195*0.65*10.028(m)

t0.032

壳程流体流速及其雷诺数分别为

10101.0101/(3600*825)

0.12m/s

0.028

0.020*0.12*825Reo2769

0.000715uo

普兰特准数

2.22*103*0.000715Pr11.34

0.140



粘度校正 

w



0.14

1

0.140

*12000.55*11.341/3279.6W/(m2*C) 0.02

0.8

0.4

o0.36*

2)管程对流传热系数

diuii

i0.023idii

管程流通截面积

Si0.785*0.022*

cpii i

240

0.0126(m2) 6

管程流体流速及其雷诺数分别为

uo

35809/(3600*994.85)

0.794m/s

0.0126

0.020*0.794*994.85Reo20705.4

0.000763

普兰特准数

4.174*103*0.000763Pr5.12

0.622

i0.023

0.6224.174*0.007630.4

(20705.4)0.8()618.1W/(m2*C) 0.0200.622

3)传热系数 K

K

1dodbdo1

RsioRsoidididmo



1

0.0250.0250.0025*0.0251

0.000344*0.000172

618.1*0.0200.02045*0,020279.6

160W/(m2*C)

4)传热面积 S

S

Q622778

86.9(m2) Ktm160*44.805

该换热器的实际传热面积Sp

ApdoL(Nnc)3.14*0.025*(60.06)*(46026)202.4(m2)

该换热器的面积裕度

H

ApAA

*100%

202.4149.3

*100%35.6%

149.3

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

2、换热器内流体的流动阻力 （1）管程流动阻力

P(PP)FNN

i

1

2

t

s

P

Ns1，NP4，Ft1.4

lu2u2

P1i，P2

d22

由Re20705.4，传热管相对粗糙度

0.01

0.005，查莫狄图得20

i0.035W/(m*C)，流速ui0.796m/s，994.85kg/m3，所以

4.5994.85*0.7962

P10.037**2482(Pa)，

0.022994.85*0.7962

P23*945.52(Pa)，

2

.66(Pa)100kPa P(2482945.52)*1.4*1*418098

i

管程流动阻力在允许范围之内。 （2）壳程阻力

P

o

(P1'P2')FtNs

Ns1，Ft1.15

流体流经管束的阻力

P1'Ffonc(NB1)F0.5

fo5*27690.2280.8nc16

NB23,uo0.12m/s

825*0.122

P1'0.5*0.8*23*(231)1311.6(Pa)

2

2uo

2

流体流过折流板缺口的阻力

2

2Buo

P2'NB(3.5)，

D2

B0.195m,D0.51m

2*0.195825*0.12

P2'23*(3.5)*373.7(Pa)，

0.512

总阻力

2

P'(1311.6373.7)*1*1.151938.1(Pa)

2

壳程流动阻力也比较合适。

四、设计结果列表

换热器主要结构尺寸和计算结果

五、设计结果的讨论与说明

（一）设计结果的讨论

换热器的种类繁多，不同的换热器由其各自的优点和使用局限。本课程设计

中选用浮头式换热器，这种换热器相比其他换热器有以下几点明显的优势：

1. 管束可抽出，以方便清洗管、壳程； 2. 介质间温差不受限制；

3. 可在高温、高压下工作；可用于结垢比较严重的场合； 4. 可用于管程易腐蚀的场合。

但同时也有一些缺点，例如，造价高、结构复杂等等。

本设计中，浮头式换热器的总换热面积为Sp198.6(m2)，而任务要求的换热面积S141.7(m2)，故设计出的换热器裕度为40.1%。而该换热器最大年换热能力为32.4wt/a，可应对未来生产的变化。

（二）设计中使用的符号与公式说明

英文字母 t—冷流体温度，℃； A—流通面积，m2； t—管心距，m； b—厚度，m； T—热流体温度，℃； c—常数，m； u—流速，m/s； cp—定压比热容，kJ/(kg*℃)； W—质量流量，kg/s。

d—管径，m；

希腊字母 D—换热器壳径，m；

α—对流传热系数，W/(m2*℃)； h—挡板间距，m；

K—总传热系数，W/(m2*℃)； λ—导热系数，W/(m*℃)；

μ—粘度，Pa*s； l—长度，m；

ρ—密度，kg/m3 L—长度，m；

σ—表面张力，/m。 n—管数；

N—程数；

下标 p—压强，Pa；

Q—传热速率或热负载，W； i—管内；

m—平均； r—半径，mm；

o—管外； R—热阻，m2*℃/W；

Λt—温度差； S—传热面积，m2；

《化工原理》课程设计任务书

一、 设计题目：

煤油冷却器的设计

二、原始数据及操作条件

1、处理能力 8万吨/年 2、设备形式 列管式

3、煤油 T入= 140℃，T出= 40℃ 4、冷水 T入= 25℃，T出= 40℃ 5、 ⊿P

6、煤油 ρ=825Kg/m3，η=7.15×107、 λ= 0.14W/（m.℃）

8、每年按330天计，24小时/天连续进行。

列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：

1. 根据换热任务和有关要求确定设计方案； 2. 初步确定换热器的结构和尺寸； 3. 核算换热器的传热面积和流体阻力； 4. 确定换热器的工艺结构。

-4

Pa.S CV=2.22KJ/Kg.℃

二、生产条件的确定

设计一列管式煤油换热器，完成年冷却30wt煤油的任务，具体要求如下：煤油进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体进口温度25℃，出口温度40℃；每年按330天计，24小时/天连续进行。

三、换热器的设计计算

（一）确定设计方案

1、选择换热器类型

两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体进口温度25℃，出口温度40℃。由于该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差，故选用浮头式换热器。

2、流动空间及流速的确定

实际生产中，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水走管程，煤油走壳程。选用φ25×2.5的碳钢管，管内流速设为ui=0.8m/s。

（二）确定物性数据

定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程煤油的定性温度： T=

14040

=90（℃） 2

管程流体的定性温度： t=

3040

=35 (℃) 2

根据定性温度，分别插取壳程和管程流体的有关物性数据。 煤油在90℃的有关物性数据如下：

密度 ρ0=825kg/m3 定压比热容 Cpo=2.22kJ/(kg*℃) 导热系数 λo=0.140W/(m*℃) 粘度 υo=0.000715Pa*s 冷却水在32.5℃的有关物性数据如下：

密度 ρi=994.85kg/m3 定压比热容 Cpi=4.174kJ/(kg*℃) 导热系数 λi=0.622W/(m*℃) 粘度 υi=0.000763Pa*s

（三）计算总传热系数

1、热流量

Qo=moCpoto=10101.0101*2.22*（140-40）=2.242*106kJ/h=622.778kW 2、平均传热温差

'tm

t1t2(14040)(4025)

44.805(℃) t114040



4025t2

3、冷却水用量

Qo2.242*106

wi35809（kg/h）

cpiti4.174*(4025)4、总传热系数 1)管程传热系数

Re

diuii

i



0.02*0.8*994.85

20861.6

0.000763

0.8

0.4

idiuiicpii

i0.023diii

0.6224.174*0.007630.4

0.023(20861.6)0.8()621.8W/(m2*C)

0.0200.622

2)壳程传热系数

假设壳程的传热系数 0400W/（m2*℃） 污垢热阻

Rsi=0.000344m2*℃/W Rso=0.000172m2*℃/W

管壁的导热系数

K

1dodbdo1

RsioRsoidididmo

1

0.0250.0250.0025*0.0251

0.000344*0.000172

621.8*0.0200.02045*0,0225400



200W/(m2*C)

(四)计算传热面积

Q1.755*106A149.3(m2)

Ktm358.4*4*32.8

考虑15%的面积裕度，S=1.15*S’=1.15*69.5=79.93（m2）

（五）工艺结构尺寸 1、管径和管内流速

选用φ25*2.5传热管（碳钢），取管内流速ui0.8m/s 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

ns

V

diu

4

按单程管计算，所需的传热管长度

L



35809/(3600*994.85)

39.840（根）

0.785*0.022*0.8

S79.93

25.5(m) dons3.14*0.025*40

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。取传热管长L=4.5m,则该换热器管程数为

Np

L25.56（管程） l4.5

传热管总根数 N40*6240(根)

3、平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数

14040

6.667

4025

4025P0.13

14025R

按单壳程，四管程结构，温差校正系数为

t

2/p1RR21R211p

1pR/2R12/p1RR1

2/0.1316.6676.667216.6672110.13

 /26.667110.13*6.6672/0.1316.6676.66710.83(C)

平均传热温差

'

tmt*tm0.83*44.80537.2(C)

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1.25do，则

t1.25*2531.2532(mm)

横过管束中心线的管数

nc1,N1.19*24019（根） 5、壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径

D1.05tN/1.05*32*240/0.7621.6(mm)

圆整可取D650mm

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*650162.5mm。

取折流板间距B0.3D，则

B0.3*650195mm 折流板数 NB

L45001123块 B195

折流板圆缺水平装配。 7、接管

壳程流体进出口接管：取接管内循环油品流速为u1.5m/s，则接管内径为

d

4Vu4*10101.0101/(3600*825)

0.054m

3.14*1.5

取标准管径为50mm。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为u3.0m/s，则接管内径为

d

4V

u4*35809/(3600*994.85)

0.065m

3.14*3.0

取标准管径为65mm。 (六)换热器核算 1、 热量核算

1)壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采取克恩公式

.551/3oo0.36Re0Prodew

o

0.14

当量直径，由正三角形排列得

3223.1422

4td4**0.032*0.025o24240.020(m) de

do3.14*0.025

壳程流通截面积

do0.025

SoBD10.195*0.65*10.028(m)

t0.032

壳程流体流速及其雷诺数分别为

10101.0101/(3600*825)

0.12m/s

0.028

0.020*0.12*825Reo2769

0.000715uo

普兰特准数

2.22*103*0.000715Pr11.34

0.140



粘度校正 

w



0.14

1

0.140

*12000.55*11.341/3279.6W/(m2*C) 0.02

0.8

0.4

o0.36*

2)管程对流传热系数

diuii

i0.023idii

管程流通截面积

Si0.785*0.022*

cpii i

240

0.0126(m2) 6

管程流体流速及其雷诺数分别为

uo

35809/(3600*994.85)

0.794m/s

0.0126

0.020*0.794*994.85Reo20705.4

0.000763

普兰特准数

4.174*103*0.000763Pr5.12

0.622

i0.023

0.6224.174*0.007630.4

(20705.4)0.8()618.1W/(m2*C) 0.0200.622

3)传热系数 K

K

1dodbdo1

RsioRsoidididmo



1

0.0250.0250.0025*0.0251

0.000344*0.000172

618.1*0.0200.02045*0,020279.6

160W/(m2*C)

4)传热面积 S

S

Q622778

86.9(m2) Ktm160*44.805

该换热器的实际传热面积Sp

ApdoL(Nnc)3.14*0.025*(60.06)*(46026)202.4(m2)

该换热器的面积裕度

H

ApAA

*100%

202.4149.3

*100%35.6%

149.3

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

2、换热器内流体的流动阻力 （1）管程流动阻力

P(PP)FNN

i

1

2

t

s

P

Ns1，NP4，Ft1.4

lu2u2

P1i，P2

d22

由Re20705.4，传热管相对粗糙度

0.01

0.005，查莫狄图得20

i0.035W/(m*C)，流速ui0.796m/s，994.85kg/m3，所以

4.5994.85*0.7962

P10.037**2482(Pa)，

0.022994.85*0.7962

P23*945.52(Pa)，

2

.66(Pa)100kPa P(2482945.52)*1.4*1*418098

i

管程流动阻力在允许范围之内。 （2）壳程阻力

P

o

(P1'P2')FtNs

Ns1，Ft1.15

流体流经管束的阻力

P1'Ffonc(NB1)F0.5

fo5*27690.2280.8nc16

NB23,uo0.12m/s

825*0.122

P1'0.5*0.8*23*(231)1311.6(Pa)

2

2uo

2

流体流过折流板缺口的阻力

2

2Buo

P2'NB(3.5)，

D2

B0.195m,D0.51m

2*0.195825*0.12

P2'23*(3.5)*373.7(Pa)，

0.512

总阻力

2

P'(1311.6373.7)*1*1.151938.1(Pa)

2

壳程流动阻力也比较合适。

四、设计结果列表

换热器主要结构尺寸和计算结果

五、设计结果的讨论与说明

（一）设计结果的讨论

换热器的种类繁多，不同的换热器由其各自的优点和使用局限。本课程设计

中选用浮头式换热器，这种换热器相比其他换热器有以下几点明显的优势：

1. 管束可抽出，以方便清洗管、壳程； 2. 介质间温差不受限制；

3. 可在高温、高压下工作；可用于结垢比较严重的场合； 4. 可用于管程易腐蚀的场合。

但同时也有一些缺点，例如，造价高、结构复杂等等。

本设计中，浮头式换热器的总换热面积为Sp198.6(m2)，而任务要求的换热面积S141.7(m2)，故设计出的换热器裕度为40.1%。而该换热器最大年换热能力为32.4wt/a，可应对未来生产的变化。

（二）设计中使用的符号与公式说明

英文字母 t—冷流体温度，℃； A—流通面积，m2； t—管心距，m； b—厚度，m； T—热流体温度，℃； c—常数，m； u—流速，m/s； cp—定压比热容，kJ/(kg*℃)； W—质量流量，kg/s。

d—管径，m；

希腊字母 D—换热器壳径，m；

α—对流传热系数，W/(m2*℃)； h—挡板间距，m；

K—总传热系数，W/(m2*℃)； λ—导热系数，W/(m*℃)；

μ—粘度，Pa*s； l—长度，m；

ρ—密度，kg/m3 L—长度，m；

σ—表面张力，/m。 n—管数；

N—程数；

下标 p—压强，Pa；

Q—传热速率或热负载，W； i—管内；

m—平均； r—半径，mm；

o—管外； R—热阻，m2*℃/W；

Λt—温度差； S—传热面积，m2；