环境工程(固定管板式)课程设计

1、环境工程原理课程设计环境工程原理课程设计 学 院：化学与环境工程学院专 业：环境工程学 号：132209101214姓 名：甘火军指导老师：张艳时间：2016年1月6日I摘 要固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典型结构，也是目前应用比较广泛的一种换热器。这类换热器具有结构简单、紧凑、可靠性高、适应性广的特点,并且生产成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便。固定管板式换热器能承受较高的操作压力和温度，因此在高温高压和大型换热器中，其占有绝对优势。本次设计的题目是小区集中供热用热交换器的设计，课题预期达到的目标为：换热器面积的计算，工艺结构尺寸的计算，换热管的确定，壳体内径，壳程数的计

2、算等。 完善设计图纸及设计说明书。关键词：换热器；工艺；结构；强度设计任务书某小区集中供热用热交换器设计锅炉热水 11085，处理量25吨/小时循环水1575，处理量50吨/小时设计总换热面积、布管图及换热器结构图（固定管板式）。III 目 录1引言11.1 换热器11.2换热器的用途11.3 换热器的发展11.4 换热器的分类21.5 换热器的发展趋势22 设计方案32.1 集中供暖通用方法32.2 固定管板式换热器31.1 设计方案换热器可行度43 固定管板式换热器的工艺计算53.1 估算换热面积53.1.1 选择换热器的类型53.1.2 流程安排53.1.3 确定物性数据53.1.4 估

3、算传热面积63.2 工艺结构尺寸83.2.1 管径和管内流速83.2.2 管程数和传热管数83.2.3 传热管排列和分程方法93.2.4 壳体内径93.2.5 折流板93.2.6 接管103.3 换热器核算103.3.1 热流量核算103.4 换热器的主要结构尺寸和计算结果134 设计评述15参 考 文 献16IV 环境工程原理课程设计引 言1.1 换热器换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器1。1.2 换热器的用途换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、

4、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器在节能技术改革中具有的作用表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器的效率显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著提高设备的热效率2。1.3 换热器的发展数据显示2010年中国换热器产业市场规模在500亿元左右，主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等领域。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模为150亿元；电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右；船舶工业换热器市场规模在40亿

5、元以上；机械工业换热器市场规模约为40亿元；集中供暖行业换热器市场规模超过30亿元，食品工业也有近30亿元的市场。另外，航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电、多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器，这些市场约有130亿元的规模。国内换热器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长，2011年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长，到2020年我国换热器行业规

6、模有望达到1500亿元3。1.4换热器的分类换热器的种类划分方法很多，方法也各不相同。按其用途：可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸。按其传热方式和作用原理：可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。其中间壁式换热器为工业应用最为广泛的一种换热器。它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展表面换热器等4。这其中又以管壳式换热器应用最为广泛，它通过换热管的管壁进行传热。具有结构简单牢固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点，是目前应用最为广泛的一种换热器。管壳式换热器的形式：管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、

7、填料函式换热器、釜式重沸器等。1.5 换热器的发展趋势二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式

8、换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器14。当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造成本的标准系列化，并在广泛的范围内继续向大型化发展，CFD（Comptational Fluid Dynamics）模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系。 设 计 方 案2.1 目前集中供暖通用办法现在的集中供暖中用的主要是板式换热器。其优点有5:(1) 传热系数高。板式换热器

9、的流道小，板片是波形，截面变化复杂，使流体的流动方向和流速不断变化，增加了流体 扰动，因而能在很小的流速下达到紊流，具有较高的传热系数。特别适用于液-液换热及茹度较大的流体间换热。(2) 适用性大。可通过增减板片达到所需要的换热面积。一台换热器可分成几个单元，可适应同时进行几种流体间的加热或冷却。(3) 结构紧凑，体积小，耗材少。每立方米体积间的传热面积可达250平方米，每平方米传热面仅需金属15Kg左右。(4) 传热系数高和金属消耗少，使其传热有效度可达85%-90%以上。(5) 易于拆洗，修理。(6) 污垢系数小，由于流动扰动大，污垢不易沉积，所用板片材质较好，很少有腐蚀，这些都使其污垢系

10、数值较小。(7) 板式换热器主要用金属板材，因而原材料价格比同种金属的管材要低廉。其缺点为：（1） 密封性较差，易泄露。需常更换垫圈，较麻烦。（2） 使用压力受一定限制，一般不超过1MPa。（3） 使用温度受垫圈材料耐温性能的限制。（4） 流道小，不适宜于气-气换热或蒸汽冷凝。（5） 易堵塞，不适用于含悬浮物的流体。（6） 流阻较管壳式大。2.2 固定管板式换热器6固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、顶盖（又称封头）等部件构成。在圆形外壳内，装入平行管束，管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上，两块管板与外管直接焊接，装有进口或出口管的顶盖用螺栓与外壳两端法兰相连。它的特点是结构简单，没有

11、壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低，因而得到广泛应用。这种换热器的缺点是：壳程清洗困难，有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。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。2.3 设计方案换热器可行度本次课程设计预用固定管板式换热器来替代传统的板式换热器，因其本次课程设计主题为小区集中供暖用，锅

12、炉水以及循环水均不易结垢，故选用固定管板式换热器可以减少其清洗困难的缺点，由于管壳式换热器管板薄，造价最低，故选用固定管板式换热器可以减少造价，节约经费。综上所述，选用固定管板式换热器可行。固定管板式换热器的工艺计算3.1 估算换热面积3.1.1 选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度110，出口温度85；冷流体进口温度15，出口温度75，因此初步确定选用固定管板式换热器。3.1.2 流程安排冷却水相比热水更易结垢故走易清洁的管程，且通过提高冷却水的流速以增大传热系数，应使温度低的走管程，温度高的走壳程。3.1.3 确定物性数据 定性温度：对于水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出

13、口温度的平均值。故壳程流体的定性温度为： （3-1）管程流体的定性温度为： （3-2）两流体的定性温度差为因为量流体的温差大于50，后面的设计中应加膨胀节。根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。水在45下的有关物性数据如下：密度 =990.2kg/定压比热容 =4.174kJ/kg·热导率 =0.642W/m·粘度 =6.014×Pa·s普朗特常数 Pr=3.93水在97.5下的物性数据：密度 =960.15kg/定压比热容 =4.217kJ/kg·热导率 =0.682W/m·粘度 =2.906×Pa·

14、;s普朗特常数 Pr=1.803.1.4 估算传热面积1.热流量： （3-3） 2.冷却水流量：（3-4）3.平均传热温差（逆流）: （3-5） 平均温差校正系数： 由化工工艺设计手册7图15-14查的校正系数为t=0.9，所以修正后的传热温差为=50.49*0.9=45.4414.传热面积：表3-1 管壳式换热器中的总传热系数K的经验值8冷流体热流体总传热系数K/(W/()水水850-1700水气体17-280水有机溶剂280-850水轻油340-910水重油60-280根据低温流体为冷却水，高温流体为热水，所以总传热系数K的范围为850-1700假设K取1000（3-6） 3.2 工艺结构

15、尺寸3.2.1 管径和管内流速换热管的规格包括管径和管长，换热管直径越小，换热器单位体积的换热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些，但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。表3-2 管壳式换热器中常用的流速范围9流体的种类一般流体易结垢流体气体流速（m/s）管程0.5-3>1 5-30壳程0.2-1.5>0.53-15本设计选用25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速=1.2m/s3.2.2 管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数： （3-7）按单程管计算，所需的传热管长度为： （3-8） 我国生产的钢管系列标准中管长有1.5m,

16、2m,3m,4.5m,6m和9m,根据选定的管径和流速，现取传热管长。 则该换热器的管程数为： 故管程数为6 。 传热管总根数由于平均温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。3.2.3 传热管排列和分程方法管子的排列方式有等边三角形，正方形，转角正方形三种。与正方形相比，等边三角形排列比较仅凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽然比较松散，传热效果也较差，但管外清洗比较方便，对易结垢流体更为适用。 综合本设计结构和工艺结构考虑采用正三角形排列方法。采用焊接法，故取管心距，则t=32mm （3-9）隔板中心到最近一排管中心距离： （3-10）3.2.4 壳体内

17、径采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为： （3-11）由换热管直径为25mm的基本参数可得，mm。3.2.5 折流板安装折流挡板的目的是为了提高管外对流传热系数，为取得良好效果，挡板的形状和间距必须适当，本设计采用弓形折流板，弓形缺口太大或太小都会产生死区，太大不利于传热，太小又增加流体阻力12。取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：故可取h=150（mm）取折流板间距，则：（mm） （3-12）故可取B=180（mm）折流板数： （3-13）折流板厚度选取=6mm折流板的管孔直径按GB151-1999规定直径=d+0.7=25+0.7=25.7mm3.2.6 接管

18、壳程流体进出口接管：取接管内流速为，则接管内径为: （3-14）圆整后可取内径为76mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为： 圆整后取管内径为60mm。3.3 换热器核算3.3.1 热流量核算（1）壳程表面传热系数用克恩法计算， （3-15）当量直径： （3-16）壳程流通截面积： （3-17）壳体流体流速及雷诺数分别为： （3-18） （3-19） 普朗特数 （3-20）则： （3-21）(2) 管内表面传热系数： （3-22）管程流体流通截面积： （3-23）管程流体流速： （3-24）（3-25）普朗特数： （3-26） （3-27）（3）污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热

19、阻： 管内侧污垢热阻： (4) 传热系数 （3-28） ，所以合理计算传热面积实际传热面积该换热器的面积裕度为： （3-29）传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。3.4 换热器的主要结构尺寸和计算结果 表3-3 物性参数表参数 管程 壳程流率/（Kg/h） 2.92 6.95进/出温度/ 15/75 110/85 定性温度/ 45 97.5密度/（Kg/m） 990.2 960.15定压比热容/KJ/(Kg.K) 4.174 4.217粘度/cp 6.014* 2.906×热导率/W/(m.) 0.642 0.682普朗特数 3.93 1.80 表3-4 计算结果表主要计算结果 管程 壳程流速/（m/s） 1.17 0.3表面传热系数/W/(.) 5939.14 3192.03污垢热阻/（.h./Kcal） 0.000172 0.000172传热温差/K 50.49面积裕度 35%换热面积 22.61设备结构参数： 壳体内径/mm：600 壳程数：1 ， 管径/mm：Ø25×2.5 材质：碳钢， 管心距/mm ：32 管数目/根：48 折流板数/32个 传热面积/：22.61 折流板间距/mm 180 管程数：6设 计 评 述原定于一个星期的环境工程课程设计，在1月8日完成了固定管板式换热器的设计之后便交了上去。1月11日星期一的ppt讲