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1、环境工程原理课程设计 环境工程原理课程设计 学院: 专业: 学号: 姓名: 指导老师: 时间: 目录 1.任务书-3 2.概述-4 3.设计方案的选择-5 (1)换热器类型-5 (2)物流的选择-5 (3)水和煤油的流向-6 (4)管子的排列方式-6 4.确定物理性质数据-6 5.设计计算-7 (1)计算总传热系-7 (2)计算传热面积-7 6.主要设备工艺尺寸设计-8 (1)管径尺寸和管内流速的确定-8 (2)管程数、管数和壳程数的确定-8 (3)接管尺寸的确定-9 7.总传热系数及传热面积核算-9 (1)壳程对流传热系数-9 (2)管程对流传热系数-10 (3)污垢热阻和管壁热阻-11 (
2、4)总传热系数及传热面积-11 (5)传热面积裕度-11 8.设计结果汇总-12 9.换热器结构简图和工艺流程图(附图纸)-12 10.设计评述-13 11.参考文献-13 任务书: 煤油冷却器的设计 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 () () C m W C kg kJ c s Pa m kg o c o pc c c ?=?=?=-/14.0/22.210 05.7/8254 3
3、 (5)每年按330天计算,每天24小时连续运行。 1.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。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
4、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
5、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
6、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
7、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 (一)换热器类型 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;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
8、选。 (二)物流的选择 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。 (三)水和煤油的流向 对于流向问题,可比较逆流和并流时的平均温差。 逆流时,有:T1=(40-20)=20,T2=(140-40)=100 T T T T T m 7.4920 100ln 20220ln 1 212,=-= ?-?= ?逆 并流时,有: T 1=(40-40)=0, T 2=(140-20)=120 120ln 120ln 1 212,?= ?-?= ?T
9、 T T T T m 并 从计算结果可以看出,逆流的平均温差较并流的大。因此,在换热器的传热量Q 及总传热系数K 相同的条件下,采用逆流操作可以节省传热面积,减少设备费;或可以减少换热介质的流量,降低运行费。因此,此处优先考虑逆流操作。 为了强化传热,列管式换热器的管程或壳程常常为多程,流体经过多次折流后流出换热器,使得换热器内流体流动形式偏离纯粹的逆流和并流。 (四)管子的排列方式 管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。和正方形相比,等边三角形排列比较紧凑,管外流体湍动程度高,表面传热系数大。正方形排列比较松散,传热效果较差,但管外清洁较方便,对易结垢的流体较适用,此处管内流体为水,故可不
10、考虑结垢的问题,因此管子排列可选用三角形错列的方式。 3.确定物理性质数据 定性温度:一般取流体进出口温度的平均值。 壳程流体煤油的定性温度为 T 902 401401=+= 管程流体水的定性温度为 T 302 40 202=+= 根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 煤油在90的部分物性数据如下: 物性 密度 o (kg/m 3) 比热容Cpc (kJ/(kg 0C) 粘度o (Pa s) 导热系数o (W/(m 20C) 煤油 825 2.22 0.000705 0.14 水在30的部分物性数据如下: 物性 密度 i (kg/m 3) 比热容Cp i (kJ/(kg 0C)
11、 粘度i (Pa s) 导热系数i (W/(m 20C) 水 995.7 4.174 0.0008007 0.6176 4.设计计算 (1)计算总传热系数 热流量: ) /(01.7)/53.2525224 33010 20m 7 0s kg h kg =?= ( 传热量:Q o =m o C pc t o =25252.532.22(140-40)=5.61106 kJ/h=1557.24 kW 平均传热温差: = ? m t 71.4920 4040140) 2040()40140(2 121=-= ?-?In t t In t t () 而 520 4040140t -t T -T R
12、1 221=-= = 167.020 1402040t T t t P 1 112=-= -= 由换热器设计手册图1-3-6查得校正系数为0.883,所以修正后的传热温度差为 C .8943.7149883.0t t o m t m =?=?=? 冷却水用量: 67.18)/kg (72.67201) 2040(174.410 61.56 =-?= ?= h t c Q w i pi o i (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/(m 2.o C),初步设定K=500w/(m 2.o C)。 (2)估算传热面积 估算的传热面积为 2 m
13、m 96.7089 .435001557240t K Q A =?= ?= 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d i =0.025-0.00252=0.02,取管内流速u i =1.2m/s 。 换热器内不同流体常用流速的流速范围如下表所示: (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 根 5076.492 .102.04 14.37.99567 .18u d 4 V n 2 i 2 i s =?= ?= 按单管程计算,所需的传热管长度为 m 08.1850 025.014.396.70n d A L s
14、 0=?= ?= 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 (管程)401.36 08.18L N p = = l 热管总根数 N=504=200(根) 由于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 (根)162022.1N 1.1n c ? = 采用多管程结构,取管板利用率 =0.7,壳体内径为 600mm mm 9.5677 .020222 05.1/N t 05.1D =?=?= (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 u 1.0 m/s ,则接管内径为 d= u V 4= 1 14.3
15、825 01 .74? =0.1040m 经调整采用114mm 5mm 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 u 1.5 m/s ,则接管内径为 d= u V 4= 5 .114.37.99567 .184? =0.126m 经调整采用140mm 7mm 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, 14 .0w 3 /1r 55 .0eo e 0P R d 36 .0? ? ?= 其中,取114 .0w =? ? ? 当量直径d e
16、,由于是正三角形排列, 202e d d 4t 234d ? ? ?-= m 020.0025 .014.3025.04032.023422=? ?-?= 壳程流通截面积A 0, 2 00 m 01969.0032.0025.016.015.0t d 1hD A =? ?-?=? ? ?-?= 壳程流体流速及其雷诺系数分别为 s /m 432.001969 .0825 01 .7A V u 0 00= = 6.10110000705 .0825 432.0020.0u d R 0e eo =?= ?= 普兰特准数 179.1114 .010 000705.022.23 =?= = p r C
17、P 粘度校正 4.8981179 .116 .10110020 .014.036 .03 /155 .00=?= )(C m /W o 2? (2)管程对流传热系数 水在管程中是被加热 4 .08 .0e i i i Pr R d 023.0= 其中: 管程流通截面积 2 2 2 i i m 0157.04 2022 0.02 3.144 N 4 d A =? ?= ? = 管程流体流速以及其雷诺数分别为 s /m 2.10157.07 .99567 .18u i = 386930006176 .07 .9952.102.0u d Re i i i =?= = 普朗特准数 41.56176 .
18、010 0008007.0174.43 =?= = P r C P 故管程对流换热系数 1 .652841 .538693 0.02 6176.0023 .04 .08 .0i =)(C m /W o 2? (3)污垢热阻和管壁热阻 查阅化工原理(上)P354,附录20,得 煤油侧的污垢热阻 R 0=0.000172 m 2 ?o C/w 循环水侧的污垢热阻 R i =0.000344 m 2? o C/w 钢的导热系数为 =45 (4)传热系数K 0so m i 0si i i 0 1 R d bd d d R d d K 1+ + += 4 .8981000172.00225 .045025.00025.002 .0025.0000344.002 .01.6528025.0+ +?+ ? +?= 解得K=508.05 W/(m 2.O C) 传热面积2 m m 84.6989 .4305.5081557240t K Q S =?= ?= 实际传热面积66.86)16200(6025.014.3S P =-?=dlN m 2 (5)传热面积裕度 该换热器的面积裕度为