1、环境工程原理课程设计I环境工程原理课程设计学 院：化学与环境工程专 业：环境工程环境工程原理课程设计II目 录1 前言1.1 换热器11.2 换热器工作原理11.3 换热器的分类.11.4 设计任务12 设计方案2.1 确定换热器类型 .22.2 流程安排23 工艺计算3.1 确定物性数据 33.2 传热面积估算 33.3 平均温差校正，确定壳程数. 43.4 传热面积估算 44 工艺结构尺寸环境工程原理课程设计III4.1 管径和管内流速. 54.2 传热管排列和分程方法 .54.3 壳体内径54.4 折流板. 64.5 结管 64.6 拉杆 75 换热器核算5.1 壳程表面系数 0.85.
2、2 管内表面传热系数95.3 污垢热阻和管壁热阻95.4 总传热系数95.5 传热面积裕度106 设计结果汇总 11设计评述. .12参考文献. .13环境工程原理课程设计11 前言1.1 换热器换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一，其正确的设置，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性以及能源的有效利用与节约，对国民经济有着十分重要的影响。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的 40%左右，占总投资的 30%-45%。随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。1.2 换热器的工作原理换热器是将热流体的部分热
3、量传递给冷流体的设备，即在一个大的密闭容器内装上水或其他介质，而在容器内有管道穿过。让热水从管道内流过。由于管道内热水和容器内冷热水的温度差，会形成热交换高温物体的热量总是向低温物体传递，这样就把管道里水的热量交换给了容器内的冷水，换热器又称热交换器 。1.3 换热器的分类换热器按其用途可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸。按其传热方式和作用原理：可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。其中间壁式换热器为工业应用最为广泛的一种换热器。它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展表面换热器等。 这其中又以管壳式换热器应用最为广泛，它通过换热管的管壁进行传热。具有结构
4、简单牢固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点，是目前应用最为广泛的一种换热器。 管壳式换热器的形式：管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等。1.4 设计任务设计题目及原始数据 某小区集中供暖用热交换器设计锅炉热水 12580，处理量 40 吨/小时循环水 1570，处理量 80 吨/小时环境工程原理课程设计2设计总换热面积、布管图及换热器结构图（固定管板式） 。（1）换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。（2）换热器的主要结构尺寸设计。（3）设计管道与壳体的连接,管板与壳体的连接。（4）绘制换热器总装配图2
5、. 设计方案2.1 选择换热器类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度 125，出口温度 80；冷流体进口温度 15，出口温度 70，由以上数据可知壳体壁温与管子壁温之差在 50以上，可以选用固定管板式换热器，并安装温差补偿装置。固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单，在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程易用于不易结垢和清洁的流体。2.2 流程安排冷却水相比热水更易结垢故走易清洁的管程，且通过提高冷却水的流速以增大传热系数，应使温度低的走管程，温度高的走壳程。环境工程原理课程设计33. 工艺计算3.1 确定物性数据 定性温
6、度：对于一般的轻质水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故 壳程液体的定性温度为：T m= (125+80)/2=102.5 （3-1）管程水的定性温度为: tm=(15+70)2=42.5 （3-2）两流体的定性温度差为 Tm-tm=102.5-42.5=60根据定性温度，分别查得壳程和管程流体的有关物性数据如表 3-1。表 3-1 水在 42.5和 102.5下的物性数据流体 温度 kg/m3 PaS CP kJ/kg W/mPr水42.5 991.2 6.27310-44.174 0.6385 4.48水102.5 956.55 2.766510-44.2235 0.68
7、35 1.175环境工程原理课程设计43.2 传热面积估算1.热流量 根据 Q1=m1Cp1T 有（3-KWJTCmP 75.21h/76023)825(3.4011 3）2.冷却水流量 (3-4) skghtCQWpc /2.9/315)70(14.62)2(1 3.平均传热温差（逆流）86.59)180(725lnln21 tTm(3-5)3.3 平均传热温差校正,确定壳程数平均传热温差校正系数:（3-5.012tTP6）（3-82.012tTR7）（3-8.07.)11(2ln/1l 22 RPRt8）环境工程原理课程设计5则校正后的平均温差为 Tm=0.8759.86=52.08由于均
8、温差校正系数大于0.8，故取单壳程合适。3.4 传热面积估算表 3-4 管壳式换热器中的总传热系数 K 的经验值液体 传热系数内侧 外侧 Wm-4气 气 10-35气 清水 20-70清水 清水 1000-2000高粘度液体 清水 100-300低粘度液体 低粘度液体 116-337水 水蒸气冷凝 1000-2000因为流体均为水，所以总传热系数 K 的经验值为 1000-2000，假设 K 取 1500，则总传热面积为231 0.78.5201mtKQAmp （3-9）考虑 15的面积裕度，则 S=1.15Ap=1.1527.03=31.08m2环境工程原理课程设计64 工艺结构尺寸4.1
9、管径和管内流速选用25mm2.5mm 传热管（碳钢） ，取管内流速=1.5m/s。根据传热管内径和流速确定单程传热管数：按单程管计(4-1) 根185.02.87.9/42 isudVn则所需传热管总长度为（4-mnSLs 0.218.4302）按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 L=6m，则该换热器管程数(4-3)47.362lLNp传热管总根数 N=418=72 根4.2 传热管排列和分程方法传热管排列采用组合排列法，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，则：管心距 a=1.25d0=32mm环境工程原理课程设计7式中，a 为管心距，单位为 mm
10、；d 0 为传热管外径，单位为 mm。隔板中心到离其最近一排管中心距离为（4-mS5.1324）横过管束中心线的管数 （4-根103.91.Nnc5） 4.3 壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按下式计算，取管板利用率 =0.70，则壳体内径（4-7.340.205.1. NaD6） 圆整可取 D=400mm4.4 折流板安装折流挡板的目的是为了提高管外对流传热系数，为取得良好效果，挡板的形状和间距必须适当，弓形缺口太大或太小都会产生死区，太大不利于传热，太小又增加流体阻力。本设计采用弓形折流板，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=0.25400=100mm （
11、4-7） 取折流板间距为 0.3D 则折流板间距 B=0.3D=0.3400=120mm （4-8）折流板数目根据下式计算（4-块折 流 板 间 距传 热 管 长 491-206-BN9）环境工程原理课程设计84.5 接管壳程流体进出口接管，取接管内流体=2m/s，则接管内径为：（4-mvD02.86214.35.9/60411 10）圆整后可取内径 100mm。管程流体进出口接管，取接管内流体=2m/s，则接管内径为：（4-mvD8.76214.3.9/422 11）圆整后可取内径 80mm所以取标准管：壳程接管规格：100mm管程接管规格：80mm4.6 拉杆（1）拉杆直径常见拉杆直径见表
12、 4-1表 4-1 常见拉杆直径换热管外径/mm10 14 19 25 32 38直径/mm 10 12 12 26 16 16换热管的外径为 25mm,所以拉杆直径为 16mm（2）拉杆数量环境工程原理课程设计9表 4-2 拉杆数量与壳体公称直径表拉杆数量：查拉杆数量与壳体公称直径表，本换热器壳体内径为 350mm，拉杆直径为 16mm，所以拉杆数量为 4。环境工程原理课程设计105 换热器核算5.1 壳程表面传热系数 0由公式 14.03/15.010 )(PrRe36. wmdl当量直径（5-mda 02.025.143-.2()42(02 ）1）壳程流体流通截面积（5-200 015.
13、)32.1(4.2)1(adBDS 2）壳程流体流速及雷诺数分别为：流速 smSV/106.0159/3640 （5-3）5.7648210765.2.9Re40 ud环境工程原理课程设计11（5-4）普朗特数71.6835.00721.4Pr 40 Cp（5-5）则)(92.7450.1.)576482(0.3.PrRe. 23/03/15.00 kmWd （5-6）5.2 管内表面传热系数 管程流体流通截面积222 07536.340.14mNdSii （5-7）管程流体流速及雷诺数分别为流速 smSVui /23.10756.9/0（5-8）雷诺数 82.43610273.6.9Rei
14、iud（5-9）普朗特数 10.46385.02714.Pr pC（5-10）环境工程原理课程设计12管内表面传热系数)(75.649202.10.84365.023.PrRe 2.0. kmWdii （5-11）5.3 污垢热阻和管壁热阻 查取污垢系数表，可取管外侧污垢热阻： R i=0.000172(m2k)/W管内侧污垢热阻： Ri=0.000172(m2k)/W常用金属材料的热导率见表 4-3表 4-3 常用金属材料的热导率/W/(mk)温度/ 0 100铝 227.95 227.95铜 383.79 379.14镍 93.04 82.57碳钢 52.34 48.58不锈钢 16.28
15、 14.45由表可知碳钢在该条件下的热导率接近为 50W/(mk）故管壁热阻为)/(05.52.02wKmbRwW（5-12）5.4 总传热系数环境工程原理课程设计13)/(08.16205.017.2.7495201.75.64921 20000 kmWRddKmWii 5.5 传热面积裕度传热面积 Ac 为 （5-20 13.46.0852.1673mtKQAmC 13）换热器的实际传热面积 Ap 为 20 08.3176025.143mlNdAp （5-14）传热面积裕度 H 为%3.91.24CPA（5-15）传热面积裕度合适，该换热器能够为完成生产任务。 环境工程原理课程设计146
16、设计结果汇总换热器主要结构尺寸和计算结果参数 管程 壳程流量 /(kg/h) 33115 40000进（出）口温度/ 15/70 125/80定性温度/ 42.5 102.5密度/(kg/m 3) 991.2 956.55定压比热容/kJ/(kg4.174 4.2235黏度/Pas 6.27310-4 2.766510-4物性热导率/W/(m 0.6385 0.6835设备结 型式 固定管板式 壳程数 1环境工程原理课程设计15壳体内径/mm 400 台数 1管径/mm 252.5 管心距/mm 32管长/mm 6000 管子排列 正三角形管数目/根 72 折流板数 /个 49传热面积/m 2
17、 31.08 折流板间距 /mm 120构参数管程数 4 材质 碳钢主要计算结果 管程 壳程流速/(m/s) 1.34 1.106表面传热系数/W/(m 2 6492.75 74952.92污垢热阻/(m 2/W) 0.000172 0.000172传热温差/ 52.08传热系数/W/(m 2 1680.08裕度/% 29.03%设计评述在这次为期一周的环境工程原理课程设计中我查阅了大量的资料，与同学们也多次探讨设计中的问题。在这次设计之前，我对传热器的知识是寥寥无几，但是经过一个星期的恶补固定管板式传热器知识，我对固定管板式换热器已经环境工程原理课程设计16有了一定的了解。对换热器总体结构、
18、型式、加热过程中传热面积、换热管型号、壳体直径等 进行了详细的分析计算，这让我收获颇多。这次课程设计过程中设计时让我明白设计出来一件产品的过程是困难重重的的，这也与自己平时缺乏见识，理论知识不足，实践能力太弱不无关系。这次设计过程中将所学的计算机、机械绘图知识结合起来，这让我充分体会到提高综合能力的重要性，实践能力的必要性。只有将实践与能力结合起来，才能发挥两者最大的作用。这次课程设计也为我之后的学业和工作打下了坚实的基础。在以后的学习和生活中，我将会努力完善自己，学好专业知识，提高自己实践能力；广泛涉猎各种书籍，打开自己的眼界。参考文献1 钱颂文主编.换热器设计手册M，北京： 化学工业出版社，2002环境工程原理课程设计172 夏清 贾绍义主编.化工原理上册M，天津： 天津大学出版社，2005 3 任晓光化学原理课程设计指导.化学工业出版社，2009
