環(huán)境工程(固定管板式)課程設(shè)計

1、環(huán)境工程原理課程設(shè)計環(huán)境工程原理課程設(shè)計 學(xué) 院：化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院專 業(yè)：環(huán)境工程學(xué) 號：132209101214姓 名：甘火軍指導(dǎo)老師：張艷時間：2016年1月6日I摘 要固定管板式換熱器是管殼式換熱器的一種典型結(jié)構(gòu)，也是目前應(yīng)用比較廣泛的一種換熱器。這類換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可靠性高、適應(yīng)性廣的特點,并且生產(chǎn)成本低、選用的材料范圍廣、換熱表面的清洗比較方便。固定管板式換熱器能承受較高的操作壓力和溫度，因此在高溫高壓和大型換熱器中，其占有絕對優(yōu)勢。本次設(shè)計的題目是小區(qū)集中供熱用熱交換器的設(shè)計，課題預(yù)期達到的目標(biāo)為：換熱器面積的計算，工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算，換熱管的確定，殼體內(nèi)徑，殼程數(shù)的計

2、算等。 完善設(shè)計圖紙及設(shè)計說明書。關(guān)鍵詞：換熱器；工藝；結(jié)構(gòu)；強度設(shè)計任務(wù)書某小區(qū)集中供熱用熱交換器設(shè)計鍋爐熱水 11085，處理量25噸/小時循環(huán)水1575，處理量50噸/小時設(shè)計總換熱面積、布管圖及換熱器結(jié)構(gòu)圖（固定管板式）。III 目 錄1引言11.1 換熱器11.2換熱器的用途11.3 換熱器的發(fā)展11.4 換熱器的分類21.5 換熱器的發(fā)展趨勢22 設(shè)計方案32.1 集中供暖通用方法32.2 固定管板式換熱器31.1 設(shè)計方案換熱器可行度43 固定管板式換熱器的工藝計算53.1 估算換熱面積53.1.1 選擇換熱器的類型53.1.2 流程安排53.1.3 確定物性數(shù)據(jù)53.1.4 估

3、算傳熱面積63.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸83.2.1 管徑和管內(nèi)流速83.2.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)83.2.3 傳熱管排列和分程方法93.2.4 殼體內(nèi)徑93.2.5 折流板93.2.6 接管103.3 換熱器核算103.3.1 熱流量核算103.4 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果134 設(shè)計評述15參 考 文 獻16IV 環(huán)境工程原理課程設(shè)計引 言1.1 換熱器換熱器（heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器1。1.2 換熱器的用途換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、

4、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器在節(jié)能技術(shù)改革中具有的作用表現(xiàn)在兩個方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器的效率顯然可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著提高設(shè)備的熱效率2。1.3 換熱器的發(fā)展數(shù)據(jù)顯示2010年中國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模在500億元左右，主要集中于石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供暖、制冷空調(diào)、機械、食品、制藥等領(lǐng)域。其中，石油化工領(lǐng)域仍然是換熱器產(chǎn)業(yè)最大的市場，其市場規(guī)模為150億元；電力冶金領(lǐng)域換熱器市場規(guī)模在80億元左右；船舶工業(yè)換熱器市場規(guī)模在40億

5、元以上；機械工業(yè)換熱器市場規(guī)模約為40億元；集中供暖行業(yè)換熱器市場規(guī)模超過30億元，食品工業(yè)也有近30億元的市場。另外，航天飛行器、半導(dǎo)體器件、核電常規(guī)島核島、風(fēng)力發(fā)電機組、太陽能光伏發(fā)電、多晶硅生產(chǎn)等領(lǐng)域都需要大量的專業(yè)換熱器，這些市場約有130億元的規(guī)模。國內(nèi)換熱器行業(yè)在節(jié)能增效、提高傳熱效率、減少傳熱面積、降低壓降、提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績?；谑汀⒒?、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器行業(yè)在未來一段時期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長，2011年至2020年期間，我國換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均10-15%左右的速度增長，到2020年我國換熱器行業(yè)規(guī)

6、模有望達到1500億元3。1.4換熱器的分類換熱器的種類劃分方法很多，方法也各不相同。按其用途：可將換熱器分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸。按其傳熱方式和作用原理：可分為混合式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器等。其中間壁式換熱器為工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。它按傳熱面形狀可分為管式換熱器、板面式換熱器、擴展表面換熱器等4。這其中又以管殼式換熱器應(yīng)用最為廣泛，它通過換熱管的管壁進行傳熱。具有結(jié)構(gòu)簡單牢固、制造簡便、使用材料范圍廣、可靠程度高等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。管殼式換熱器的形式：管殼式換熱器根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可以分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、

7、填料函式換熱器、釜式重沸器等。1.5 換熱器的發(fā)展趨勢二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式

8、換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器14。當(dāng)前換熱器發(fā)展的基本趨勢是：繼續(xù)提高設(shè)備的傳熱效率，促進設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強生產(chǎn)制造成本的標(biāo)準(zhǔn)系列化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化發(fā)展，CFD（Comptational Fluid Dynamics）模型化技術(shù)、強化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成一個高技術(shù)體系。 設(shè) 計 方 案2.1 目前集中供暖通用辦法現(xiàn)在的集中供暖中用的主要是板式換熱器。其優(yōu)點有5:(1) 傳熱系數(shù)高。板式換熱器

9、的流道小，板片是波形，截面變化復(fù)雜，使流體的流動方向和流速不斷變化，增加了流體 擾動，因而能在很小的流速下達到紊流，具有較高的傳熱系數(shù)。特別適用于液-液換熱及茹度較大的流體間換熱。(2) 適用性大?？赏ㄟ^增減板片達到所需要的換熱面積。一臺換熱器可分成幾個單元，可適應(yīng)同時進行幾種流體間的加熱或冷卻。(3) 結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，耗材少。每立方米體積間的傳熱面積可達250平方米，每平方米傳熱面僅需金屬15Kg左右。(4) 傳熱系數(shù)高和金屬消耗少，使其傳熱有效度可達85%-90%以上。(5) 易于拆洗，修理。(6) 污垢系數(shù)小，由于流動擾動大，污垢不易沉積，所用板片材質(zhì)較好，很少有腐蝕，這些都使其污垢系

10、數(shù)值較小。(7) 板式換熱器主要用金屬板材，因而原材料價格比同種金屬的管材要低廉。其缺點為：（1） 密封性較差，易泄露。需常更換墊圈，較麻煩。（2） 使用壓力受一定限制，一般不超過1MPa。（3） 使用溫度受墊圈材料耐溫性能的限制。（4） 流道小，不適宜于氣-氣換熱或蒸汽冷凝。（5） 易堵塞，不適用于含懸浮物的流體。（6） 流阻較管殼式大。2.2 固定管板式換熱器6固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、頂蓋（又稱封頭）等部件構(gòu)成。在圓形外殼內(nèi)，裝入平行管束，管束兩端用焊接或脹接的方法固定在管板上，兩塊管板與外管直接焊接，裝有進口或出口管的頂蓋用螺栓與外殼兩端法蘭相連。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，沒有

11、殼側(cè)密封連接，相同的殼體內(nèi)徑排管最多，在有折流板的流動中旁路最小，管程可以分成任何管程數(shù)，因兩個管板由管子互相支撐，故在各種管殼式換熱器中它的管板最薄，造價最低，因而得到廣泛應(yīng)用。這種換熱器的缺點是：殼程清洗困難，有溫差應(yīng)力存在。當(dāng)冷熱兩種流體的平均溫差較大，或殼體和傳熱管材料膨脹系數(shù)相差較大，熱應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力時，在殼體上需設(shè)膨脹節(jié)，由于膨脹節(jié)強度的限制，殼程壓力不能太高。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)垢的場合。2.3 設(shè)計方案換熱器可行度本次課程設(shè)計預(yù)用固定管板式換熱器來替代傳統(tǒng)的板式換熱器，因其本次課程設(shè)計主題為小區(qū)集中供暖用，鍋

12、爐水以及循環(huán)水均不易結(jié)垢，故選用固定管板式換熱器可以減少其清洗困難的缺點，由于管殼式換熱器管板薄，造價最低，故選用固定管板式換熱器可以減少造價，節(jié)約經(jīng)費。綜上所述，選用固定管板式換熱器可行。固定管板式換熱器的工藝計算3.1 估算換熱面積3.1.1 選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度110，出口溫度85；冷流體進口溫度15，出口溫度75，因此初步確定選用固定管板式換熱器。3.1.2 流程安排冷卻水相比熱水更易結(jié)垢故走易清潔的管程，且通過提高冷卻水的流速以增大傳熱系數(shù)，應(yīng)使溫度低的走管程，溫度高的走殼程。3.1.3 確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：對于水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進出

13、口溫度的平均值。故殼程流體的定性溫度為： （3-1）管程流體的定性溫度為： （3-2）兩流體的定性溫度差為因為量流體的溫差大于50，后面的設(shè)計中應(yīng)加膨脹節(jié)。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)。水在45下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 =990.2kg/定壓比熱容 =4.174kJ/kg·熱導(dǎo)率 =0.642W/m·粘度 =6.014×Pa·s普朗特常數(shù) Pr=3.93水在97.5下的物性數(shù)據(jù)：密度 =960.15kg/定壓比熱容 =4.217kJ/kg·熱導(dǎo)率 =0.682W/m·粘度 =2.906×Pa·

14、;s普朗特常數(shù) Pr=1.803.1.4 估算傳熱面積1.熱流量： （3-3） 2.冷卻水流量：（3-4）3.平均傳熱溫差（逆流）: （3-5） 平均溫差校正系數(shù)： 由化工工藝設(shè)計手冊7圖15-14查的校正系數(shù)為t=0.9，所以修正后的傳熱溫差為=50.49*0.9=45.4414.傳熱面積：表3-1 管殼式換熱器中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值8冷流體熱流體總傳熱系數(shù)K/(W/()水水850-1700水氣體17-280水有機溶劑280-850水輕油340-910水重油60-280根據(jù)低溫流體為冷卻水，高溫流體為熱水，所以總傳熱系數(shù)K的范圍為850-1700假設(shè)K取1000（3-6） 3.2 工藝結(jié)構(gòu)

15、尺寸3.2.1 管徑和管內(nèi)流速換熱管的規(guī)格包括管徑和管長，換熱管直徑越小，換熱器單位體積的換熱面積越大。因此，對于潔凈的流體管徑可取小些，但對于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取得大些，以免堵塞。表3-2 管殼式換熱器中常用的流速范圍9流體的種類一般流體易結(jié)垢流體氣體流速（m/s）管程0.5-3>1 5-30殼程0.2-1.5>0.53-15本設(shè)計選用25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速=1.2m/s3.2.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)： （3-7）按單程管計算，所需的傳熱管長度為： （3-8） 我國生產(chǎn)的鋼管系列標(biāo)準(zhǔn)中管長有1.5m,

16、2m,3m,4.5m,6m和9m,根據(jù)選定的管徑和流速，現(xiàn)取傳熱管長。 則該換熱器的管程數(shù)為： 故管程數(shù)為6 。 傳熱管總根數(shù)由于平均溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。3.2.3 傳熱管排列和分程方法管子的排列方式有等邊三角形，正方形，轉(zhuǎn)角正方形三種。與正方形相比，等邊三角形排列比較僅湊，管外流體湍動程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖然比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗比較方便，對易結(jié)垢流體更為適用。 綜合本設(shè)計結(jié)構(gòu)和工藝結(jié)構(gòu)考慮采用正三角形排列方法。采用焊接法，故取管心距，則t=32mm （3-9）隔板中心到最近一排管中心距離： （3-10）3.2.4 殼體內(nèi)

17、徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為： （3-11）由換熱管直徑為25mm的基本參數(shù)可得，mm。3.2.5 折流板安裝折流擋板的目的是為了提高管外對流傳熱系數(shù)，為取得良好效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)，本設(shè)計采用弓形折流板，弓形缺口太大或太小都會產(chǎn)生死區(qū)，太大不利于傳熱，太小又增加流體阻力12。取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：故可取h=150（mm）取折流板間距，則：（mm） （3-12）故可取B=180（mm）折流板數(shù)： （3-13）折流板厚度選取=6mm折流板的管孔直徑按GB151-1999規(guī)定直徑=d+0.7=25+0.7=25.7mm3.2.6 接管

18、殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)流速為，則接管內(nèi)徑為: （3-14）圓整后可取內(nèi)徑為76mm。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速，則接管內(nèi)徑為： 圓整后取管內(nèi)徑為60mm。3.3 換熱器核算3.3.1 熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計算， （3-15）當(dāng)量直徑： （3-16）殼程流通截面積： （3-17）殼體流體流速及雷諾數(shù)分別為： （3-18） （3-19） 普朗特數(shù) （3-20）則： （3-21）(2) 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： （3-22）管程流體流通截面積： （3-23）管程流體流速： （3-24）（3-25）普朗特數(shù)： （3-26） （3-27）（3）污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱

19、阻： 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻： (4) 傳熱系數(shù) （3-28） ，所以合理計算傳熱面積實際傳熱面積該換熱器的面積裕度為： （3-29）傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。3.4 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 表3-3 物性參數(shù)表參數(shù) 管程 殼程流率/（Kg/h） 2.92 6.95進/出溫度/ 15/75 110/85 定性溫度/ 45 97.5密度/（Kg/m） 990.2 960.15定壓比熱容/KJ/(Kg.K) 4.174 4.217粘度/cp 6.014* 2.906×熱導(dǎo)率/W/(m.) 0.642 0.682普朗特數(shù) 3.93 1.80 表3-4 計算結(jié)果表主要計算結(jié)果 管程 殼程流速/（m/s） 1.17 0.3表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/(.) 5939.14 3192.03污垢熱阻/（.h./Kcal） 0.000172 0.000172傳熱溫差/K 50.49面積裕度 35%換熱面積 22.61設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)： 殼體內(nèi)徑/mm：600 殼程數(shù)：1 ， 管徑/mm：Ø25×2.5 材質(zhì)：碳鋼， 管心距/mm ：32 管數(shù)目/根：48 折流板數(shù)/32個 傳熱面積/：22.61 折流板間距/mm 180 管程數(shù)：6設(shè) 計 評 述原定于一個星期的環(huán)境工程課程設(shè)計，在1月8日完成了固定管板式換熱器的設(shè)計之后便交了上去。1月11日星期一的ppt講