环境工程原理课程设计列管式换热器设计.doc

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1、 环境工程原理课程设计 学 院：化学与环境工程学院专 业：环境工程学 号：姓 名：指导老师：XX时间：设计任务书1、设计任务 处理能力： 20万吨/年 设备型式： 列管式 2、操作条件（1）煤 油：入口温度 140 出口温度 40 （2）冷却介质：循环水 入口温度 20 出口温度 40 （3）允许压降：不大于0.1MPa（4）煤油定性温度下的物性数据（5）每年按330天计算，每天24小时连续运行。目录1.概述-42.设计方案的选择-53.确定物理性质数据-54.设计计算-6 (1)计算总传热系-6 (2)计算传热面积-75.主要设备工艺尺寸设计-7 (1)管径尺寸和管内流速的确定-7 (2)管

2、程数、管数和壳程数的确定-7 (3)接管尺寸的确定-86.总传热系数及传热面积核算-8 (1)壳程对流传热系数-8 (2)管程对流传热系数-9 (3)污垢热阻和管壁热阻-10 (4)总传热系数及传热面积-10 (5)传热面积裕度-117.设计结果汇总-118.工艺流程图及换热器工艺条件图-附图9.设计评述-1210.参考文献-121. 概述在工程中，要实现热量交换，需要一定的设备，这种交换热量的设备统称为热交换器，也称为换热器。在环境工程中，冷水的加热、废水的预热、废气的冷却等，都需要应用换热器。列管式换热器在换热设备中占据主导地位，其优点是单位体积所具有的传热面积大，结构紧凑，坚固耐用，传热

3、效果好，而且能用多种材料制造，因此适应性强，尤其在高温高压和大型装置中，多采用列管式换热器。列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成，如图1所示。列管式换热器在操作时，由于冷、热两流体温度不同，使壳体和管束的温度不同，其热膨胀程度也不同。如果两者温度差超过50，就可能引起设备变形，甚至扭弯或破裂。因此，必须从结构上考虑热膨胀的影响，采用补偿方法，如一端管板不与壳体固定连接，从而减小或消除热应力。列管式换热器有以下几种： 1.固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，结构比较简单、紧凑、造价便宜。当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯

4、或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。但壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。因此这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。2.U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点是管束可以自由伸缩，热补偿性能

5、好；双管程，流程长，流速高，传热性能好；承压能力强；管束可以从壳体中抽出，且结构简单，造价低。但其管数少且易短流。故仅适用于管壳壁温差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。3. 浮头式 换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。所以能适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。但其结构复杂、笨

6、重、造价高限制了它的使用。 4. 填料函式换热器 这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。根据任务书要求，设计一列管式煤油换热器，处理能力为每年20万吨，具体操作条件包括：煤油入口温度140，出口温度40；冷流体进口温度20，出口温度40；允许压降不大于0.1MPa；每年按330天计，每天24小时连续运行。2.设计方案的选择操作条件指明，热流体入口温度140，出口温度40；冷却介质入口温度20，出口温度40，允许压降不大于0.1MPa。由于不存在高温、高压、腐蚀性强的情形，故无需选用U形管换热器

7、；由于煤油是易燃物质，故不宜选用填料函式换热器；根据两流体温度变化情况，该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差（50以上），最大允许压降也不高，故可选用浮头式换热器或带补偿圈的固定管板式换热器，而固定管板式换热器相对于浮头式换热器结构简单、造价便宜，故为首选。操作条件中冷却介质为循环水，在运行过程中，随着挥发水量的消耗，水中各种杂质的浓度也会相应增大，结垢的概率也会同时增加，而固定管板式换热器要求壳程介质清洁，不易结垢，故应采用冷却水走管程，煤油走壳程。3. 确定物理性质数据 定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程流体煤油的定性温度为 管程流体水的定性温度为 根据定性温度，分别查取壳程和管

8、程流体的有关物性数据。煤油在90的有关物性数据如下：物性密度o（kg/m3）比热容Cpc(kJ/(kg0C)粘度o(Pas)导热系数o(W/(m20C)煤油8252.220.0007050.14水在30的有关物性数据如下：物性密度i（kg/m3）比热容Cpi(kJ/(kg0C)粘度i(Pas)导热系数i(W/(m20C)水995.74.1740.00080070.61764. 设计计算(1)计算总传热系数 热流量 Qo=moCpcto=25252.532.22(140-40)=5.61106kJ/h=1557.24(kW)平均传热温差() 而 查表的校正系数为0.883，所以修正后的传热温度差

9、为 冷却水用量（kg/s） 由常用化工单元设备设计表1-6，查得水与煤油之间的传热系数在290-698w/(m2.oC)，初步设定K=500w/(m2.oC)。(2)估算传热面积估算的传热面积为 5. 主要设备工艺尺寸计算(1)管径尺寸和管内流速的确定 选用252.5的传热管（碳钢管），管内径di=0.025-0.00252=0.02，取管内流速ui=1.2m/s(2)管程数、管数和壳程数的确定 依据传热内径和流速确定单程传热管数 按单管程计算，所需的传热管长度为 按单管程设计，传热管过长，现取传热管长l=6，则该换热器管程数为 热管总根数 N=504=200(根）待添加的隐藏文字内容1 由于

10、平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。横过管束中心线的管数为 采用多管程结构，取管板利用率 =0.7，壳体内径为 (3)接管尺寸的确定 壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为 u1.0 m/s，则接管内径为 d=0.1040m经圆整采用114mm5mm 热轧无缝钢管(GB8163-87) ,取标准管径为114mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.5 m/s，则接管内径为d=0.126m 经圆整采用140mm7mm 热轧无缝钢管( GB8163-87) ,取标准管径为140mm.6. 总传热系数及传热面积核算(1)壳程对流传热系数可采用克恩公式， 其

11、中：取当量直径de，由于是正三角形排列， 壳程流通截面积A0， 壳程流体流速及其雷诺系数分别为 普兰特准数 粘度校正 (2)管程对流传热系数水在管程中是被加热 其中：管程流通截面积 管程流体流速以及其雷诺数分别为 普朗特准数 故管程对流换热系数 (3)污垢热阻和管壁热阻查阅化工原理（上）P354，附录20，得煤油侧的热阻 R0=0.000172 m2oC/w循环水侧的热阻 Ri=0.000344 m2oC/w钢的导热系数为 =45(4)传热系数K解得K=508.05 W/(m2.OC)传热面积实际传热面积m2(5)传热面积裕度该换热器的面积裕度为 处于要求的15%20%的范围内，该换热器符合实

12、际生产要求 7.设计结果汇总换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：换热器型式：固定管板式换热器面积（）：86.66工艺参数名称管程壳程物料名称循环水煤油操作温度，20/4040/140流量，kg/s18.677.01流体密度，kg/995.7825流速，m/s1.20.432传热量，kw1557.24总传热系数，w/k508.05对流传热系数，w/k6528.1898.4污垢系数，k/w0.0003440.000172程数41使用材料碳钢碳钢管子规格.5管数 200管长，mm6000壳体内径，mm600管程流体进出口接管1407壳程流体进出口接管接管11458. 工艺流程图及换热器工艺条件图附图

13、1、2(需要图纸hi我）9.设计评述本次的环境工程原理课程设计是我们大学以来第一次独立完成的课程设计，通过本学期对环境工程原理这一门课程的学习，我体会到这门学科作为一门专业基础的重要地位，课程设计能够帮我们进一步了解这门课程，并且把课堂知识与实际相结合起来。 通过课程设计，我初步掌握了环境工程原理及化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会了用各种查找物理、化学性质的方法和技巧；更加熟练地进行资料检索和整合；在设计过程中我学会，不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。比如说本次设计的是煤油冷却器，根据温差和物性确定本设计的换热器为带膨胀节的固定管板式换热器或浮头式换热器，而

14、鉴于浮头式换热器的造价一般比固定管板式换热器的造价高出二十多个百分点，以降低投资成本为目的，选择带膨胀节的固定管板式换热器。这次课程设计中，我在多方面都有所提高，但由于查阅的资料有限，以及缺乏相关方面的经验，设计成果难免存在谬误和不足，希望今后在老师的帮助下，逐步完善和扩充自己的知识体系，树立正确的设计思想，培养严肃认真的态度，加强设计能力的训练，希望通过我的努力能在下次的课程设计以及毕业设计中取得良好的成绩。10、 参考文献1化工原理（第二版）陈敏恒化学工业出版社，2000.2环境工程原理胡洪营、张旭、黄霞、王伟合编，高等教育出版社，2005 3化工设备设计手册潘国昌、郭庆丰主编，清华大学出版社，19884 化工流体流动与传热张国亮主编，化学工业出版社,1992