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

1、<p>　　環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué) 院：化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院</p><p>　　專(zhuān) 業(yè)：環(huán)境工程</p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p><p><b>　　姓 名：</b></p><p><b&g

2、t;　　指導(dǎo)老師：XX</b></p><p><b>　　時(shí)　　間：</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p>　　1、設(shè)計(jì)任務(wù) 處理能力： 20萬(wàn)噸/年 </p><p>　　設(shè)備型式： 列管式

3、 </p><p><b>　　2、操作條件</b></p><p>　?。?）煤 油：入口溫度 140℃ 出口溫度 40℃ </p><p>　　（2）冷卻介質(zhì)：循環(huán)水 入口溫度 20℃ 出口溫度 40℃ </p><p>　?。?）允許壓降：不大于0.1MPa</p>

4、<p>　　（4）煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)</p><p>　?。?）每年按330天計(jì)算，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.概述--------------------------------------------------------------4</p>

5、<p>　　2.設(shè)計(jì)方案的選擇----------------------------------------------------5</p><p>　　3.確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù)--------------------------------------------------5</p><p>　　4.設(shè)計(jì)計(jì)算----------------------------------

6、------------------------6</p><p>　　(1)計(jì)算總傳熱系------------------------------------------------6</p><p>　　(2)計(jì)算傳熱面積------------------------------------------------7</p><p>　　5.主要設(shè)備工藝尺寸

7、設(shè)計(jì)----------------------------------------------7 (1)管徑尺寸和管內(nèi)流速的確定------------------------------------7</p><p>　　(2)管程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)的確定----------------------------------7</p><p>　　(3)接管尺寸的確定------

8、----------------------------------------86.總傳熱系數(shù)及傳熱面積核算------------------------------------------8</p><p>　　(1)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)---------------------------------------------8</p><p>　　(2)管程對(duì)流傳熱系數(shù)-------

9、--------------------------------------9</p><p>　　(3)污垢熱阻和管壁熱阻------------------------------------------10</p><p>　　(4)總傳熱系數(shù)及傳熱面積----------------------------------------10</p><p>　　(

10、5)傳熱面積裕度------------------------------------------------11</p><p>　　7.設(shè)計(jì)結(jié)果匯總-----------------------------------------------------11</p><p>　　8.工藝流程圖及換熱器工藝條件圖-----------------------------------附圖

11、9.設(shè)計(jì)評(píng)述---------------------------------------------------------12</p><p>　　10.參考文獻(xiàn)--------------------------------------------------------12</p><p><b>　　概述</b></p><p>　

12、　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(chēng)為熱交換器，也稱(chēng)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。</p><p>　　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。</p><p>

13、　　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(guò)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。</p><p>　　列管式換熱器有以下幾種：</p><p><

14、;b>　　1.固定管板式</b></p><p>　　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(jiǎn)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(jiàn)，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)

15、生緩慢的彈性變形來(lái)補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。但殼程壓強(qiáng)超過(guò)0.6Mpa時(shí)由于補(bǔ)償圈過(guò)厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?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(chǎng)合。</p><p><b>　　2.U形管式</b></p><p>　　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

16、兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來(lái)解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。特點(diǎn)是管束可以自由伸縮，熱補(bǔ)償性能好；雙管程，流程長(zhǎng)，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(jiǎn)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。</p><p><b>　　浮頭式 </b></p><p>　

17、　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(chēng)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(huì)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(chǎng)合。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、造價(jià)高限制了它的使用。</p><

18、;p>　　4. 填料函式換熱器</p><p>　　這類(lèi)換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)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)。</p><p>　　根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，設(shè)計(jì)一列管式煤油換熱器，處理能力為每年20萬(wàn)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

19、0.1MPa；每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。</p><p><b>　　2.設(shè)計(jì)方案的選擇</b></p><p>　　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(wú)需選用U形管換熱器；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

20、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(duì)于浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜，故為首選。</p><p>　　操作條件中冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，在運(yùn)行過(guò)程中，隨著揮發(fā)水量的消耗，水中各種雜質(zhì)的濃度也會(huì)相應(yīng)增大，結(jié)垢的概率也會(huì)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

21、油走殼程。</p><p><b>　　確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。</p><p>　　殼程流體煤油的定性溫度為 </p><p>　　管程流體水的定性溫度為 </p><p>　　根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。&l

22、t;/p><p>　　煤油在90℃的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　水在30℃的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：</p><p><b>　　設(shè)計(jì)計(jì)算</b></p><p>　　(1)計(jì)算總傳熱系數(shù)</p><p><b>　　熱流量</b></p><p>

23、　　Qo=moCpcto=25252.53×2.22×(140-40)=5.61×106kJ/h=1557.24(kW)</p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p><b>　　(℃)</b></p><p><b>　　而 </b></p

24、><p>　　查表的校正系數(shù)為0.883，所以修正后的傳熱溫度差為</p><p><b>　　冷卻水用量</b></p><p><b>　?。╧g/s）</b></p><p>　　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

25、/(m2.oC)。</p><p><b>　　(2)估算傳熱面積</b></p><p><b>　　估算的傳熱面積為</b></p><p>　　主要設(shè)備工藝尺寸計(jì)算</p><p>　　(1)管徑尺寸和管內(nèi)流速的確定</p><p>　　選用Φ25×2.5的傳

26、熱管（碳鋼管），管內(nèi)徑di=0.025-0.0025×2=0.02，取管內(nèi)流速u(mài)i=1.2m/s</p><p>　　(2)管程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)的確定</p><p>　　依據(jù)傳熱內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p>　　按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為</p><p>　　按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=6，則該

27、換熱器管程數(shù)為</p><p>　　熱管總根數(shù) N=50×4=200(根）</p><p>　　由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。</p><p>　　橫過(guò)管束中心線(xiàn)的管數(shù)為</p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 η=0.7，殼體內(nèi)徑為</p><p>　

28、　(3)接管尺寸的確定</p><p>　　殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為 u＝1.0 m/s，則接管內(nèi)徑為 </p><p>　　d===0.1040m</p><p>　　經(jīng)圓整采用Φ114mm×5mm 熱軋無(wú)縫鋼管(GB8163-87) ,取標(biāo)準(zhǔn)管徑為114mm。</p><p>　　管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水

29、流速 u＝1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　d===0.126m </p><p>　　經(jīng)圓整采用Φ140mm×7mm 熱軋無(wú)縫鋼管( GB8163-87) ,取標(biāo)準(zhǔn)管徑為140mm.</p><p>　　總傳熱系數(shù)及傳熱面積核算</p><p>　　(1)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)</p><p>

30、;<b>　　可采用克恩公式，</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　取</b></p><p>　　當(dāng)量直徑de，由于是正三角形排列，</p><p>　　殼程流通截面積A0，</p><p>　　殼程流體流速

31、及其雷諾系數(shù)分別為</p><p>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù) </p><p>　　粘度校正 </p><p>　　(2)管程對(duì)流傳熱系數(shù)</p><p>　　水在管程中是被加熱 </p><p><b>　　其中：</b></p><p><b&

32、gt;　　管程流通截面積</b></p><p>　　管程流體流速以及其雷諾數(shù)分別為</p><p><b>　　普朗特準(zhǔn)數(shù)</b></p><p><b>　　故管程對(duì)流換熱系數(shù)</b></p><p>　　(3)污垢熱阻和管壁熱阻</p><p>　　查閱《化

33、工原理（上）》P354，附錄20，得</p><p>　　煤油側(cè)的熱阻 R0=0.000172 m2oC/w</p><p>　　循環(huán)水側(cè)的熱阻 Ri=0.000344 m2oC/w</p><p>　　鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為 λ=45</p><p><b>　　(4)傳熱系數(shù)K</b></p><p>

34、;　　解得K=508.05 W/(m2.OC)</p><p><b>　　傳熱面積</b></p><p><b>　　實(shí)際傳熱面積m2</b></p><p><b>　　(5)傳熱面積裕度</b></p><p>　　該換熱器的面積裕度為</p><p

35、>　　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 </p><p><b>　　7.設(shè)計(jì)結(jié)果匯總</b></p><p>　　換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表：</p><p>　　工藝流程圖及換熱器工藝條件圖</p><p>　　附圖1、2(需要圖紙hi我）</p>

36、<p><b>　　9.設(shè)計(jì)評(píng)述</b></p><p>　　本次的環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)是我們大學(xué)以來(lái)第一次獨(dú)立完成的課程設(shè)計(jì)，通過(guò)本學(xué)期對(duì)《環(huán)境工程原理》這一門(mén)課程的學(xué)習(xí)，我體會(huì)到這門(mén)學(xué)科作為一門(mén)專(zhuān)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(mén)課程，并且把課堂知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合起來(lái)。 </p><p>　　通過(guò)課程設(shè)計(jì)，我初步掌握了

37、環(huán)境工程原理及化工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)計(jì)原則及方法；學(xué)會(huì)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(guò)程中我學(xué)會(huì)，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(shuō)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。&

38、lt;/p><p>　　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下，逐步完善和擴(kuò)充自己的知識(shí)體系，樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的態(tài)度，加強(qiáng)設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練，希望通過(guò)我的努力能在下次的課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)中取得良好的成績(jī)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b><

39、;/p><p>　　[1]《化工原理》（第二版）陳敏恒化學(xué)工業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[2]《環(huán)境工程原理》胡洪營(yíng)、張旭、黃霞、王偉合編，高等教育出版社，2005 </p><p>　　[3]《化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》潘國(guó)昌、郭慶豐主編，清華大學(xué)出版社，1988</p><p>　　[4] 《化工流體流動(dòng)與傳熱》張國(guó)亮主編，化學(xué)工業(yè)出版