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1、环境工程原理课程设计汇本 环境工程原理课程设计 学院：化环学院 专业：环境工程 学号：1322092022xx 姓名：ty 指导老师：zy 时间：2022年1月6日 目录 1 设计任务书 (1) 1.1 设计目的 (1) 1.2 设计目标 (1) 1.3 涉及题目 (1) 1.4 设计任务及操作条件 (1) 1.4.1 设计任务 (1) 1.4.2 操作条件 (1) 2 概述 (2) 2.1换热器概述 (2) 2.1.1固定管板式换热器 (2) 2.1.2 U形管换热器 (3) 2.1.3浮头式换热器 (3) 3 设计方案 (4) 3.1 设计方案简介 (4) 3.2 设计要求 (4) 4 工
2、艺计算及主体设备设计计算及选型 (5) 4.1 确定设计方案 (5) 4.1.1 选择换热器类型 (5) 4.1.2 流动及流速的确定 (5) 4.2 确定物性数据 (5) 4.3 计算总传热系数 (6) 4.4 计算传热面积 (7) 4.5 管程数和传热管数 (7) 4.7 传热管排列和分程方法 (8) 4.8 壳体内经 (8) 5 换热器的核算 (9) 5.1 面积核算 (9) 5.1.1 热量核算 (9) 5.1.2 管程对热传热系数 (10) 5.1.3 总传热系数 (10) 5.1.4 传热面积 (11) 6 设计结果一览表 (12) 7 评述 (13) 参考文献 (14) 1 设计
3、任务书 1.1 设计目的 培养学生综合运用本门课程及有关课程基础理论和基本知识去完成换热单元操作设备设计任务的实践能力 1.2 设计目标 设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的 1.3 设计题目 某小区集中供热用热交换器设计 1.4 设计任务及操作条件 1.4.1 设计任务 设备型式：管壳式换热器固定管板式 处理任务：物料：锅炉水处理量25吨/小时循环水处理量50吨/小时1.4.2操作条件 热流体(锅炉水)：（入口温度110; 出口温度85） 冷却介质（水）：（入口15，出口75） 允许压降：不大于0.1MPa 物性数据： 2 概述 2.1 换热器概述
4、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。 2.1.1 固定管板式换热器 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。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较清洁且不易结垢的物料。当管壁与壳壁温差较大时，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。这种热补偿方法简单，但不适用于两流体温差较大(不大于70)和壳方流体压力过高(一般不高于
5、600kPa)。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。 （图2-1 固定板式换热器） 2.1.2 U形管换热器 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，每根管子可自由伸缩，而与其它管子及壳体无关。特点是结构简单，造价低，质量轻，适用于高温、高压的场合。主要缺点是：管内清洁比较困难，因此管内流体必须清洁；且管子需一定的弯曲半径，故管板的利用率较低。 （图2-2 U型管式换热器） 2.1.3 浮头式换热器 换热器的两端管板之一不与外壳固定连接一块管板用法兰与外壳相连接，该端称为“浮头”。当管子受热（或受冷）时，
6、管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。做浮头式换热器优点是：可以补偿热膨胀；管束可以拉出，以便清洗。但其结构复杂、金属消耗量多、造价高限制了它的使用。 （图2-3浮头式换热器） 3 设计方案 3.1 设计方案简介 根据设计任务书，通过相关计算公式确定设计方案、确定物性数据、计算总传热系数、计算传热面积。再结合实际进行换热器设备结构设计的相关计算，进行换热器的核算。 3.2.设计要求 完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求： （1）合理地实现所规定的工艺条件：可以从：增大传热系数；提高平均温差；妥善布置传热面等三个方面具体着手。 （2）安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度
7、、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我国钢制石油化工压力容器设计规定和钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。 （3）有利于安装操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与拆卸，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。 （4）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定时间内（通常1年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。 4 工艺计算及主体设备设计计算及选型 4.1 确定设计方案 4.1.1
8、 选择换热器类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度110，出口温度85；冷流体（循环水）进口温度15，出口温度75。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时出口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁和壳体壁温之差较大，因此初步选用带膨胀节的固定管板式换热器。 4.1.2 流动及流速的确定 （表4-1 不同流体在管程、壳程中流速） 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，锅炉水走壳程。选用25mm 2.5mm 的碳钢管，管内锅炉水流速取s /m 0.1u 1=，循环水流速取 s /m 0.1u 2=。 4.2 确定物性数据 定性温度：可取流体进出口温度的平均值 锅炉水的定
9、性温度：5.97285 110=+=T （4-1） 循环水的定性温度：452 75 15=+=T （4-2） kW T T C Q s kg ph h m h m 60.731)85110(214.494.6)(q /94.63600 25000q 21,=-?=-?=C C T T T T T C C T C C T m ?=?-=?-?=?=?-=?=?-=?05.351085ln 10 85ln 85)15110(1075)(85121221，并，C C T T T T T m ，?=?-=?-?=?5.5035 70ln 35 70ln 1212逆632 .0151101575417
10、.0157585110t 11121221=-=-=-=-=t T t t P t T T R C m ?=?=?46.465.5092.0t 4.3 计算总传热系数 热流量： （4-4） （4-3） 对于流向问题，可比较逆流和并流时的平均温差。 逆流时，有： ， （4-5） 并流时， 有： （4-6） （4-7） 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。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
11、纯粹的逆流和并流。 又有： 由化工工艺设计手册查得校正系数F T =0.920，所以修正后的传热温差为： （4-8） h t s kg C Q pi /516.10/92.2) 1575(174.460.7310i =-?=2 3m 75.1546 .4610001060.731=?=?=m t K Q S 根88.72.102.0785.02 .990/3600/105164n 22 2s =?=u d V i m S L 08.258025.014.375 .15n d s 0=?= 冷却水用量： （4-9） 由环境工程原理5表4.4.1，查得水与水之间的传热系数在 850-1700W/(
12、m 2k)，初步设定在1000 W/(m 2k)。 4.4 计算传热面积 （4-10） 4.5 管程数和传热管数 管内径di=0.025-0.00252=0.02m 依据传热管内经和流速确定单程传热管数： （4-11） 按单程管计算，所需传热管的长度为： （4-12） 又管子国产，取管长L=8m ，则管程数： （4-13） 传热总管数：4886=?=N （4-14） 6 608 .25l 0=L N m 096.01 14.30072 .04u 4q d s /m 0072.09603600/25000q q h v 30h m h v =?=，4.6 传热管排列和分程方法 管子的排列方式有等
13、边三角形、正方形、同心圆三种排列方式。根据管外流体不考虑结垢问题，壳体直径及一般性选择，故选择等边三角形的排列方式。 取管心距： 0d 25.1t =，则：mm 3225.312525.1t =?= (4-15) 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： （4-16） 4.7壳体内经 采用多管程结构，利用率为7.0=，则壳体内经： mm 23.2787 .048 3205.1t 05.1=? ?= N D （4-17） 由于有六个管程，管径最低取600mm ，故D=600mm 。 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%
14、，则切去的圆缺高度为mm 15060025.0h =?=，故h=150mm 。 （4-18） 取折流板间距B=0.3D ，则1806003.0=?=B ，可取B 为200mm 。折流板数： 291200 6000 1-=-= 折流板间距传热管长B N （块） （4-19） 折流板圆缺面水平装配。 壳程流体进口接管：接管内锅炉水流速为u1=1.0m/s ，则接管内径为： （4-20） 取标准管径为100mm 。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u2=1.2m/s ，则接管内径为 m 056.02.114.32 .990/3600/105164d =?= （4-21） 取标准管径为60mm 。 5 换热器的核算 （根）94819.119.1n ?=N