南京工業大學
《材料工程原理b》課程設計
設計題目： 處理能力為4000公斤/小時的浮頭式油換熱設計
專業： 高分子材料科學與工程
班級： 0 8 0 1
學號： 2 8
姓名：日期：2010,12,20---2010,12,31
指導教師
設計成績
日期一設計題目
處理能力4000公斤/小時的油換熱器設計
二設計任務及操作條件
1、處理能力 4000公斤/小時
2、裝置型式管式換熱器
3、操作條件
（1）油： 入口溫度100℃，出口溫度40℃
（2）冷卻介質：冷卻塔迴圈水，入口溫度25℃，出口溫度50℃。
（3）油側與水側允許壓強降：不大於5×105 pa
（4）油定性溫度下的物性引數：
三設計要求及內容
（1）根據換熱任務和有關要求設計方案
（2）初步確定換熱器的結構和尺寸。
（3）核算換熱器的換熱面積和流體阻力。
（4）確認換熱器的工藝結構
。四設計內容
（一）概述
在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置叫熱交換器，簡稱換熱器。在換熱器中至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體溫度較低，吸收熱量。
在化工、石油、動力、製冷、食品等行業中廣泛使用各種換熱器，它們是這些行業的通用裝置，並占有十分重要的地位。
換熱器種類各異，也各有優缺點，效能也各不相同。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占有主導地位。
列管式換熱器有以下幾種：
1、 固定管板式
固定管板式換熱器的兩端管板和殼體製成一體，當兩流體的溫差較大時，在殼體的適當位置焊上乙個補償圈，用以消除因溫差兒引起的熱膨脹。
特點：結構簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔淨不易結垢的物料。
2、 u形管式
u形管式換熱器每根管子完成u形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側，分頭內用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。
特點：結構簡單，質量輕，使用語高溫高壓的場合。管程清洗困難，一次其流體必須是潔淨和不易結垢的物料。
3浮頭式
浮頭式換熱器的兩端管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸自由伸縮，完全消除了溫差應力。
特點：結構複雜，造價高，便於清潔和檢修，完全消除溫差應力，應用普遍。
（二）設計引數
確定物性引數
煤油的定性溫度：t油=(100+40)/2=70
密度油= 825kg/m3
定壓比熱容： cp油=2.22 kj/㎏.℃
熱導率油= 0.14w/m.℃
粘度油= 8.66×10-4（
水的定性溫度： t水=(25+50)/2=37.5℃
密度水= 991.4 kg/m3
定壓比熱容： cp水=4.174 kj/㎏.℃
熱導率水= 0.63w/m.℃
粘度水= 6.15×10-4（
（三）、計算總傳熱系數
1、熱流量
q=m油 cp油△t油=4000╳2.22╳(100-40)=532800 kj/h
平均傳熱溫差
△tm=(△t1-△t2)/㏑(△t1/△t2)=(50-15)/㏑(50/15)=29.1℃
式中：△t1=100-50=50℃ △t2=40-25=15℃
求得△tm=29.1℃
2、 冷卻水用量
m水=q/( cp水△t水)=532800/(4.174╳(50-25))=5106(kg/h)
3、 流計算平均溫差、校正係數
平均傳熱溫差校正係數
r=(100-40)/(50-25)=2.4
p=(50-25)/(100-25)=0.33
按單殼程，偶數管程結構，溫差校正係數查有關圖表，可得
0.82 (因為ψ>0.8可行，單殼程可用)
平均傳熱溫差
△tm=ψ△tm1=29.1╳0.82=23.9℃
4、計算傳熱面積
求傳熱面積需要先知道k值，根據資料查得煤油和水之間的傳熱系數
在200-500w/(㎡.℃)左右，先取k值為300w/(㎡.℃)計算
由q=ka△tm 得
a=q/(k△tm)=532800/(300╳23.9x3.6)=20.64(㎡)
5工藝結構尺
本設計所需要的換熱器用冷卻水，冬季操作時進口溫度會降低，考
慮到這一因素，估計換熱器的管壁溫度和殼體璧溫度之差比較大，故本
次設計選用浮頭式換熱器。易於析出晶體的、沉澱、淤泥及其他沉澱物
流體，最好通入比較好機械清洗的空間，而浮頭式換熱器的管束可以殼
體中抽出，便於清洗管束和管內可以在殼體內自由收縮，不會產生熱應
力。對於浮頭式換熱器，一般管內空間進行清洗。所以選擇浮頭式換熱
器比較合適。對於冷卻介質水，由於它的粘度比較低，而且加熱後比較
容易結垢，所以選擇冷卻水走管程。油的粘度較大，走複雜的殼程容易
獲得較大的湍流程度。
在決定管數和管長時，首先要選定管內流速ui，按書中表4-9冷卻
水走管程的流速為0.5—3 m/s，取流速為ui=0.8m/s，設所需單管程數為n，
選用 19mmx2傳熱管（碳鋼）的內徑為0.015m，從管內體積流量
vi=nxπ/4x0.015x0.015x0.8x3600=5106/991.4=5.15 (m3/h)
計算求得n=10.11根=13根
選用單程13根管的換熱器則
：按單程計算，所需傳熱管
l=a/πd n=20.64/（3.14x0.019x13）=26.61m
根據實際情況選用非標準的的單管長為9公尺的換熱器，管程為4換熱器
初選浮頭式固定管板式換熱器的主要引數
可對資料做如下核算：
（1） 每程的管數你n1=108/4=27，管程流通面積s=(π
/4)x(0.019)2x27=0.00477，與查的的0.0048 m十分接近。
（2）傳熱面積a=n=3.14x0.019x52x9=27.92 m，比實際資料稍大，
這是由於管長的一下部分要用於在管板上固定管。假設實際面積為26 m
（3）中心排管數nc=1.1 =7.9，差別不大可取表中的6根。
6、阻力損失計算
（1）管程
管程流體流速
=5.15/(3600x0.0023)=0.62 (m/s)
re=ρdl/μ=0.019x0.62x991.4/0.000615=18989.7
管程流動阻力
上式中：，,1.4，，
由re=9127.3傳熱管相對粗糙度，查莫狄圖得w/(m.
℃)，流速u=0.298(m/s)，ρ=991.4 kg/m，所以
△p1=λlρu2/(2d) =0.63x9x991.4x0.62^2/(2x0.015)=72026.8（pa）
=3x991.4x0.62^2/2=571.6（pa）
∑△pi=(72026.8+571.6)x1x1.4x4=406551.0（pa）＜0.5mpa
（2）殼程
取摺流板間距h=0.2m
計算截面積 s=hx(d-ncd)=0.2x(0.325-6x0.019)=0.0422m2
u.=4000/(3600x825x0.0422)=0.0319m/s
reo=0.0319x825x0.0422/0.000866=1282.4
reo＞500
摩擦係數 o=5.0x reo^(-0.228)=5.0x1282.4^(-0.228)=0.978
折流擋板數 nb=l/h-1=44
殼程阻力損失
ft=1 ns=1.15
流經管束的阻力
nc=9，nb=44,uo=0.0319 m/s f=0.5
△p1=0.5x 0.978x9x(44+1)x825x0.0319^2/2=166.3（pa）
流體流經折流板口的阻力
上式中：h=0.2m,d=0.5 m
故 △p2=44x(3.5-2x0.2/0.325)825x0.0319^2/2=53.3 （pa）
總阻力 ∑△pi=(166.3+53.3)x1.15=252.5（pa）<0.5mpa
總的阻力損失小於設計壓力0.5mpa，壓力降合適。
7、傳熱計算
（1）管程給熱係數。以上已算出re=18989.7
計算pr= cp水μ水/λ水=4174x0.000615/0.63=4.07
nu=0.023x18989.7^0.8x4.07^0.3=927.7
ai= nu(λ/d)=927.7x(0.14/0.015)=8558.5
（2）殼程=0.36rpr ()
reo=1282.4
普蘭特准數
pr= cp油μ油/λ油=2220x0.000866/0.14=13.73
粘度校正 ()≈1
故=0.36x0.14/0.019x1282.4x13.73=331w /(㎡.℃)
傳熱系數k
k==1/(0.019/(8558.5x0.02)+0.000210x0.019/0.02+0.00018+1/331)=284.7(㎡.℃)
傳熱面積a
a=532800/(23.9x284.7x3.6)=21.75（m）
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