環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)50283

1、環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院：化環(huán)學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：環(huán)境工程學(xué) 號(hào)：1322092011xx姓 名：ty指導(dǎo)老師：zy時(shí)間：2016年1月6日目 錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 11.1 設(shè)計(jì)目的 11.2 設(shè)計(jì)目標(biāo) 11.3 涉及題目 11.4 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 11.4.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 11.4.2 操作條件 12 概述 22.1換熱器概述 22.1.1固定管板式換熱器 22.1.2 U形管換熱器 32.1.3浮頭式換熱器 33 設(shè)計(jì)方案 43.1 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 43.2 設(shè)計(jì)要求 44 工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型 54.1 確定設(shè)計(jì)方案 54.1.1 選擇換熱器類(lèi)型 54.1.2

2、流動(dòng)及流速的確定 5 4.2 確定物性數(shù)據(jù) 5 4.3 計(jì)算總傳熱系數(shù) 6 4.4 計(jì)算傳熱面積 7 4.5 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 7 4.7 傳熱管排列和分程方法 8 4.8 殼體內(nèi)經(jīng) 8 5 換熱器的核算 95.1 面積核算 9 5.1.1 熱量核算 9 5.1.2 管程對(duì)熱傳熱系數(shù) 10 5.1.3 總傳熱系數(shù) 10 5.1.4 傳熱面積 11 6 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表12 7 評(píng)述13 參考文獻(xiàn) 141 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1.1 設(shè)計(jì)目的培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門(mén)課程及有關(guān)課程基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)去完成換熱單元操作設(shè)備設(shè)計(jì)任務(wù)的實(shí)踐能力 1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)的設(shè)備必須在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上是合理的，操作上是安

3、全的，環(huán)境上是友好的1.3 設(shè)計(jì)題目 某小區(qū)集中供熱用熱交換器設(shè)計(jì)1.4 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1.4.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)備型式：管殼式換熱器 固定管板式 處理任務(wù)：物 料：鍋爐水 處理量 25噸/小時(shí) 循環(huán)水 處理量50噸/小時(shí)1.4.2操作條件 熱流體(鍋爐水)：（入口溫度110; 出口溫度85） 冷卻介質(zhì)（水）：（入口15，出口75） 允許壓降：不大于0.1MPa 物性數(shù)據(jù)： 溫度()密度(kg/m³)比熱容 Cp(KJ/(kg·k)導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m²·k)粘度 （Pa·s)普蘭德數(shù) Pr45990.24.1740.6420.00060143

4、.9197.59604.2170.6820.00028901.79 2 概述2.1 換熱器概述 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。2.1.1 固定管板式換熱器 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。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(yīng)是較清潔且不易結(jié)垢的物料。當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(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)生緩慢的彈性變形來(lái)補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱

5、膨脹。這種熱補(bǔ)償方法簡(jiǎn)單，但不適用于兩流體溫差較大(不大于70)和殼方流體壓力過(guò)高(一般不高于600kPa)。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。 （圖2-1 固定板式換熱器）2.1.2 U形管換熱器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兩側(cè)，每根管子可自由伸縮，而與其它管子及殼體無(wú)關(guān)。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，質(zhì)量輕，適用于高溫、高壓的場(chǎng)合。主要缺點(diǎn)是：管內(nèi)清潔比較困難，因此管內(nèi)流體必須清潔；且管子需一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低。（圖2-2 U型管式換熱器）2.1.3 浮頭式換熱器 換熱器的兩端管板之一

6、不與外殼固定連接一塊管板用法蘭與外殼相連接，該端稱(chēng)為“浮頭”。當(dāng)管子受熱（或受冷）時(shí)，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無(wú)關(guān)。做浮頭式換熱器優(yōu)點(diǎn)是：可以補(bǔ)償熱膨脹；管束可以拉出，以便清洗。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、金屬消耗量多、造價(jià)高限制了它的使用。（圖2-3浮頭式換熱器）3 設(shè)計(jì)方案3.1 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，通過(guò)相關(guān)計(jì)算公式確定設(shè)計(jì)方案、確定物性數(shù)據(jù)、計(jì)算總傳熱系數(shù)、計(jì)算傳熱面積。再結(jié)合實(shí)際進(jìn)行換熱器設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算，進(jìn)行換熱器的核算。3.2.設(shè)計(jì)要求 完善的換熱器在設(shè)計(jì)和選型時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下各項(xiàng)基本要求： （1） 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件：可以從：增大傳熱系數(shù)；提高平均溫差；妥善布

7、置傳熱面等三個(gè)方面具體著手。 （2） 安全可靠 換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵循我國(guó)鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定和鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。（3） 有利于安裝操作與維修 直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與拆卸，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。 （4） 經(jīng)濟(jì)合理 評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定時(shí)間內(nèi)（通常1年內(nèi)的）固定費(fèi)用（設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)）等的總和為最小。在設(shè)計(jì)或選型時(shí)，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一標(biāo)

8、準(zhǔn)就尤為重要了。4 工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型4.1 確定設(shè)計(jì)方案4.1.1 選擇換熱器類(lèi)型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度110，出口溫度85；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度15，出口溫度75。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)出口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁和殼體壁溫之差較大，因此初步選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。4.1.2 流動(dòng)及流速的確定流速介質(zhì)循環(huán)水新鮮水一般液體易結(jié)垢液體低粘度油高粘度油氣體管程流速m/s1.02.00.81.50.53>1.00.81.80.51.5530殼程流速m/s0.51.50.51.50.21.5>0.50.41.00.

9、30.8215（表4-1 不同流體在管程、殼程中流速） 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，鍋爐水走殼程。選用25mm×2.5mm的碳鋼管，管內(nèi)鍋爐水流速取，循環(huán)水流速取。4.2 確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值 鍋爐水的定性溫度： （4-1） 循環(huán)水的定性溫度： （4-2） 4.3 計(jì)算總傳熱系數(shù) 熱流量： （4-4） （4-3） 對(duì)于流向問(wèn)題，可比較逆流和并流時(shí)的平均溫差。逆流時(shí)，有：， （4-5） 并流時(shí)，有： （4-6） （4-7）從計(jì)算結(jié)果可以看出，逆流的平均溫差較并流的大。因此，在換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數(shù)K相同的條件下，采用逆流

10、操作可以節(jié)省傳熱面積，減少設(shè)備費(fèi)。因此，此處優(yōu)先考慮逆流操作。 為了強(qiáng)化傳熱，列管式換熱器的管程或殼程常常為多程，流體經(jīng)過(guò)多次折流后流出換熱器，使得換熱器內(nèi)流體流動(dòng)形式偏離純粹的逆流和并流。 又有： 由化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)查得校正系數(shù)FT=0.920，所以修正后的傳熱溫差為： （4-8） 冷卻水用量： （4-9） 由環(huán)境工程原理5表4.4.1，查得水與水之間的傳熱系數(shù)在850-1700W/(m2·k)，初步設(shè)定在1000 W/(m2·k)。4.4 計(jì)算傳熱面積 （4-10） 4.5 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 管內(nèi)徑di=0.025-0.0025×2=0.02m依據(jù)傳

11、熱管內(nèi)經(jīng)和流速確定單程傳熱管數(shù)： （4-11）按單程管計(jì)算，所需傳熱管的長(zhǎng)度為： （4-12） 又管子國(guó)產(chǎn)，取管長(zhǎng)L=8m，則管程數(shù)： （4-13） 傳熱總管數(shù)： （4-14） 4.6 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、同心圓三種排列方式。根據(jù)管外流體不考慮結(jié)垢問(wèn)題，殼體直徑及一般性選擇，故選擇等邊三角形的排列方式。取管心距：，則： (4-15)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。橫過(guò)管束中心線的管數(shù)： （4-16） 4.7殼體內(nèi)經(jīng)采用多管程結(jié)構(gòu)，利用率為，則殼體內(nèi)經(jīng)： （4-17）由于有六個(gè)管程，管徑最低取600mm，故D=600m

12、m。采用弓形折流板，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h=150mm。 （4-18）取折流板間距B=0.3D，則，可取B為200mm。折流板數(shù)：（塊） （4-19） 折流板圓缺面水平裝配。殼程流體進(jìn)口接管：接管內(nèi)鍋爐水流速為u1=1.0m/s，則接管內(nèi)徑為： （4-20）取標(biāo)準(zhǔn)管徑為100mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u(mài)2=1.2m/s，則接管內(nèi)徑為 （4-21）取標(biāo)準(zhǔn)管徑為60mm。5 換熱器的核算5.1面積核算5.1.1 熱量核算：殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)圓缺型折流伴，可采用Kren公式： （5-1）當(dāng)量直徑de由正三角形排列得： （5-2）殼程流通

13、截面積： （5-3）殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為： 普朗特準(zhǔn)數(shù)： （5-4）粘度矯正：則殼程對(duì)流傳熱系數(shù)： （5-5）5.1.2 管程對(duì)熱傳熱系數(shù) （5-6）管程流通截面積： （5-7）管程流體流速：普朗特準(zhǔn)數(shù)： （5-8） 則管程對(duì)流傳熱系數(shù)： （5-9）5.1.3 總傳熱系數(shù) （5-10）5.1.4 傳熱面積 （5-11） 該換熱器的實(shí)際傳熱面積： （5-12）該換熱器的面積裕度為： （5-13）該裕度合適，該換熱器可以完成任務(wù)。換熱器型式：固定板板式換熱面積/：14.64工藝參數(shù)名稱(chēng)管程殼程物料名稱(chēng)循環(huán)水鍋爐水操作壓力不大于0.1MPa操作溫度/15/75110/85流量/（kg/s）2.

14、926.95流體密度/（kg/m³）990.2960流速/（m/s）0.7830.23傳熱量/kw731.60總傳熱系數(shù)/w/（/k）1154.77對(duì)流傳熱系數(shù)/w/（/k）4293.903354.18污垢熱阻/（m2*k/w）0.0001720.000172壓降/MPa0.00704940.0080463程數(shù)61使用材料碳鋼管子規(guī)格25*2.5管數(shù)管長(zhǎng)/mm486000管間距/mm32排列方式正三角形折流板型式上下間距/mm切口高度20025%殼體內(nèi)徑/mm600保溫層厚度7 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表8 評(píng)述由于第一次接觸課程設(shè)計(jì)，還記得剛開(kāi)始，當(dāng)我第一次看到這個(gè)題目時(shí)有一些茫然，不知所措什

15、么管程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、殼程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱系數(shù)等等。幾天都沒(méi)什么進(jìn)展，大部分同學(xué)都不會(huì)做。后來(lái)，在網(wǎng)上查找其他學(xué)校的作品，按照設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)后面的說(shuō)明，同時(shí)參考化工原理的課本，也可以上網(wǎng)找一些相關(guān)資料，終于，有些眉目了，又過(guò)了兩天，才開(kāi)始寫(xiě)下設(shè)計(jì)的第一個(gè)字。通過(guò)課程設(shè)計(jì) 使我們初步掌握環(huán)境工程原理中換熱器的基礎(chǔ)知識(shí)、 設(shè)計(jì)原則及方法；掌握各種結(jié)果的校核， 能夠利用畫(huà)出換熱器的基本結(jié)構(gòu)；在設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的方方面面。不斷學(xué)習(xí)，不斷進(jìn)步。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷學(xué)習(xí)，不斷進(jìn)步。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練， 讓我對(duì)自己的專(zhuān)業(yè)有了更加感性和理性的認(rèn)識(shí)， 我們了解了換熱器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容， 掌握了課程設(shè)計(jì)的主要程序和方法， 增強(qiáng)了分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)通過(guò)課程設(shè)計(jì)，還使我們樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真、高度負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)，加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)作風(fēng)更尤為重要。