環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)列管式換熱器設(shè)計(jì)

1、 環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院：化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院專 業(yè)：環(huán)境工程學(xué) 號：姓 名：指導(dǎo)老師：xx時(shí)間：設(shè)計(jì)任務(wù)書1、設(shè)計(jì)任務(wù) 處理能力： 20萬噸/年 設(shè)備型式： 列管式 2、操作條件（1）煤 油：入口溫度 140 出口溫度 40 （2）冷卻介質(zhì)：循環(huán)水 入口溫度 20 出口溫度 40 （3）允許壓降：不大于0.1mpa（4）煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)（5）每年按330天計(jì)算，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。目錄1.概述-42.設(shè)計(jì)方案的選擇-53.確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù)-54.設(shè)計(jì)計(jì)算-6 (1)計(jì)算總傳熱系-6 (2)計(jì)算傳熱面積-75.主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì)-7 (1)管徑尺寸和管內(nèi)流速的確定-7 (2)管

2、程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)的確定-7 (3)接管尺寸的確定-86.總傳熱系數(shù)及傳熱面積核算-8 (1)殼程對流傳熱系數(shù)-8 (2)管程對流傳熱系數(shù)-9 (3)污垢熱阻和管壁熱阻-10 (4)總傳熱系數(shù)及傳熱面積-10 (5)傳熱面積裕度-117.設(shè)計(jì)結(jié)果匯總-118.工藝流程圖及換熱器工藝條件圖-附圖9.設(shè)計(jì)評述-1210.參考文獻(xiàn)-121. 概述在工程中，要實(shí)現(xiàn)熱量交換，需要一定的設(shè)備，這種交換熱量的設(shè)備統(tǒng)稱為熱交換器，也稱為換熱器。在環(huán)境工程中，冷水的加熱、廢水的預(yù)熱、廢氣的冷卻等，都需要應(yīng)用換熱器。列管式換熱器在換熱設(shè)備中占據(jù)主導(dǎo)地位，其優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固耐用，傳熱

3、效果好，而且能用多種材料制造，因此適應(yīng)性強(qiáng)，尤其在高溫高壓和大型裝置中，多采用列管式換熱器。列管式換熱器主要由殼體、管束、管板和封頭等部分組成，如圖1所示。列管式換熱器在操作時(shí)，由于冷、熱兩流體溫度不同，使殼體和管束的溫度不同，其熱膨脹程度也不同。如果兩者溫度差超過50，就可能引起設(shè)備變形，甚至扭彎或破裂。因此，必須從結(jié)構(gòu)上考慮熱膨脹的影響，采用補(bǔ)償方法，如一端管板不與殼體固定連接，從而減小或消除熱應(yīng)力。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制成一體，結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價(jià)便宜。當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎

4、或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時(shí)，為安全起見，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。但殼程壓強(qiáng)超過0.6mpa時(shí)由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔茫蛻?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。因此這種換熱器適用于兩種介質(zhì)溫差不大，或溫差較大但殼程壓力不高，及殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢的場合。2.u形管式u形管式換熱器每根管子均彎成u形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。特點(diǎn)是管束可以自由伸縮，熱補(bǔ)償性能

5、好；雙管程，流程長，流速高，傳熱性能好；承壓能力強(qiáng)；管束可以從殼體中抽出，且結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低。但其管數(shù)少且易短流。故僅適用于管殼壁溫差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形。3. 浮頭式 換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn)是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí)，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。所以能適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場合。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨

6、重、造價(jià)高限制了它的使用。 4. 填料函式換熱器 這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價(jià)也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。根據(jù)任務(wù)書要求，設(shè)計(jì)一列管式煤油換熱器，處理能力為每年20萬噸，具體操作條件包括：煤油入口溫度140，出口溫度40；冷流體進(jìn)口溫度20，出口溫度40；允許壓降不大于0.1mpa；每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。2.設(shè)計(jì)方案的選擇操作條件指明，熱流體入口溫度140，出口溫度40；冷卻介質(zhì)入口溫度20，出口溫度40，允許壓降不大于0.1mpa。由于不存在高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形，故無需選用u形管換熱器

7、；由于煤油是易燃物質(zhì)，故不宜選用填料函式換熱器；根據(jù)兩流體溫度變化情況，該換熱器的管壁溫度和殼體溫度有較大溫差（50以上），最大允許壓降也不高，故可選用浮頭式換熱器或帶補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器，而固定管板式換熱器相對于浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)便宜，故為首選。操作條件中冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，在運(yùn)行過程中，隨著揮發(fā)水量的消耗，水中各種雜質(zhì)的濃度也會相應(yīng)增大，結(jié)垢的概率也會同時(shí)增加，而固定管板式換熱器要求殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢，故應(yīng)采用冷卻水走管程，煤油走殼程。3. 確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。殼程流體煤油的定性溫度為 管程流體水的定性溫度為 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管

8、程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。煤油在90的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：物性密度o（kg/m3）比熱容cpc(kj/(kg0c)粘度o(pas)導(dǎo)熱系數(shù)o(w/(m20c)煤油8252.220.0007050.14水在30的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：物性密度i（kg/m3）比熱容cpi(kj/(kg0c)粘度i(pas)導(dǎo)熱系數(shù)i(w/(m20c)水995.74.1740.00080070.61764. 設(shè)計(jì)計(jì)算(1)計(jì)算總傳熱系數(shù) 熱流量 qo=mocpcto=25252.532.22(140-40)=5.61106kj/h=1557.24(kw)平均傳熱溫差() 而 查表的校正系數(shù)為0.883，所以修正后的傳熱溫度差

9、為 冷卻水用量（kg/s） 由常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)表1-6，查得水與煤油之間的傳熱系數(shù)在290-698w/(m2.oc)，初步設(shè)定k=500w/(m2.oc)。(2)估算傳熱面積估算的傳熱面積為 5. 主要設(shè)備工藝尺寸計(jì)算(1)管徑尺寸和管內(nèi)流速的確定 選用252.5的傳熱管（碳鋼管），管內(nèi)徑di=0.025-0.00252=0.02，取管內(nèi)流速ui=1.2m/s(2)管程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)的確定 依據(jù)傳熱內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) 按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長度為 按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，現(xiàn)取傳熱管長l=6，則該換熱器管程數(shù)為 熱管總根數(shù) n=504=200(根） 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大

10、于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。橫過管束中心線的管數(shù)為 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 =0.7，殼體內(nèi)徑為 (3)接管尺寸的確定 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為 u1.0 m/s，則接管內(nèi)徑為 d=0.1040m經(jīng)圓整采用114mm5mm 熱軋無縫鋼管(gb8163-87) ,取標(biāo)準(zhǔn)管徑為114mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為d=0.126m 經(jīng)圓整采用140mm7mm 熱軋無縫鋼管( gb8163-87) ,取標(biāo)準(zhǔn)管徑為140mm.6. 總傳熱系數(shù)及傳熱面積核算(1)殼程對流傳熱系數(shù)可采用克恩公式， 其中：取當(dāng)量直徑de，由

11、于是正三角形排列， 殼程流通截面積a0， 殼程流體流速及其雷諾系數(shù)分別為 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 粘度校正 (2)管程對流傳熱系數(shù)水在管程中是被加熱 其中：管程流通截面積 管程流體流速以及其雷諾數(shù)分別為 普朗特準(zhǔn)數(shù) 故管程對流換熱系數(shù) (3)污垢熱阻和管壁熱阻查閱化工原理（上）p354，附錄20，得煤油側(cè)的熱阻 r0=0.000172 m2oc/w循環(huán)水側(cè)的熱阻 ri=0.000344 m2oc/w鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為 =45(4)傳熱系數(shù)k解得k=508.05 w/(m2.oc)傳熱面積實(shí)際傳熱面積m2(5)傳熱面積裕度該換熱器的面積裕度為 處于要求的15%20%的范圍內(nèi)，該換熱器符合實(shí)際生產(chǎn)要求 7.設(shè)計(jì)結(jié)

12、果匯總換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見下表：換熱器型式：固定管板式換熱器面積（）：86.66工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水煤油操作溫度，20/4040/140流量，kg/s18.677.01流體密度，kg/995.7825流速，m/s1.20.432傳熱量，kw1557.24總傳熱系數(shù)，w/k508.05對流傳熱系數(shù)，w/k6528.1898.4污垢系數(shù)，k/w0.0003440.000172程數(shù)41使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格.5管數(shù) 200管長，mm6000殼體內(nèi)徑，mm600管程流體進(jìn)出口接管1407殼程流體進(jìn)出口接管接管11458. 工藝流程圖及換熱器工藝條件圖附圖1、2(需要圖紙hi我

13、）9.設(shè)計(jì)評述本次的環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)是我們大學(xué)以來第一次獨(dú)立完成的課程設(shè)計(jì)，通過本學(xué)期對環(huán)境工程原理這一門課程的學(xué)習(xí)，我體會到這門學(xué)科作為一門專業(yè)基礎(chǔ)的重要地位，課程設(shè)計(jì)能夠幫我們進(jìn)一步了解這門課程，并且把課堂知識與實(shí)際相結(jié)合起來。 通過課程設(shè)計(jì)，我初步掌握了環(huán)境工程原理及化工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識、設(shè)計(jì)原則及方法；學(xué)會了用各種查找物理、化學(xué)性質(zhì)的方法和技巧；更加熟練地進(jìn)行資料檢索和整合；在設(shè)計(jì)過程中我學(xué)會，不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。比如說本次設(shè)計(jì)的是煤油冷卻器，根據(jù)溫差和物性確定本設(shè)計(jì)的換熱器為帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器或浮頭式換熱器，而鑒于浮頭式換熱器的造價(jià)一般比固定管板式換熱器的造價(jià)高出二十多個(gè)百分點(diǎn)，以降低投資成本為目的，選擇帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。這次課程設(shè)計(jì)中，我在多方面都有所提高，但由于查閱的資料有限，以及缺乏相關(guān)方面的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)成果難免存在謬誤和不足，希望今后在老師的幫助