环境工程原理课程设计--固定管板式换热器设计

环境工程原理课程设计
学院：化学与环境工程
专业：环境工程
1 前言
1.1 换热器 (1)
1.2 换热器工作原理 (1)
1.3 换热器的分类 (1)
1.4 设计任务 (1)
2 设计方案
2.1 确定换热器类型 (2)
2.2 流程安排 (2)
3 工艺计算
3.1 确定物性数据 (3)
3.2 传热面积估算 (3)
3.3 平均温差校正，确定壳程数 (4)
3.4 传热面积估算 (4)
4 工艺结构尺寸
4.1 管径和管内流速................................. ..5 4.2 传热管排列和分程方法.. .. (5)
4.3 壳体内径 (5)
4.4 折流板 (6)
4.5 结管 (6)
4.6 拉杆 (7)
5 换热器核算
5.1 壳程表面系数α0 (8)
5.2 管内表面传热系数 (9)
5.3 污垢热阻和管壁热阻 (9)
5.4 总传热系数 (9)
5.5 传热面积裕度 (10)
6 设计结果汇总.............. . (11)
设计评述............... (12)
参考文献............... (13)
1.1 换热器
换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一，其正确的设置，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性以及能源的有效利用与节约，对国民经济有着十分重要的影响。

在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。

随着节能技术的发展，应用领
域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。

1.2 换热器的工作原理
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，即在一个大的密闭容器内装上水或其他介质，而在容器内有管道穿过。

让热水从管道内流过。

由于管道内热水和容器内冷热水的温度差，会形成热交换高温物体的热量总是向低温物体传递，这样就把管道里水的热量交换给了容器内的冷水，换热器又称热交换器。

1.3 换热器的分类
换热器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。

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、填料函式换热器、釜式重沸器等。

1.4 设计任务
设计题目及原始数据
某小区集中供暖用热交换器设计
锅炉热水 125℃→80℃，处理量40吨/小时
循环水15℃→70℃，处理量80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）。

（1）换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。

（2）换热器的主要结构尺寸设计。

（3）设计管道与壳体的连接,管板与壳体的连接。

（4）绘制换热器总装配图
2. 设计方案
2.1 选择换热器类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度125℃，出口温度80℃；冷流体进口温度15℃，出口温度70℃，由以上数据可知壳体壁温与管子壁温之差在50℃以上，可以选用固定管板式换热器，并安装温差补偿装置。

固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单，在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程易用于不易结垢和清洁的流体。

2.2 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. 工艺计算
3.1 确定物性数据
定性温度：对于一般的轻质水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。

故
壳程液体的定性温度为：T m = (125+80)/2=102.5℃（3-1） 管程水的定性温度为: t m =(15+70)∕2=42.5℃（3-2） 两流体的定性温度差为T m -t m =102.5-42.5=60℃
根据定性温度，分别查得壳程和管程流体的有关物性数据如表3-1。

表3-1 水在42.5℃和102.5℃下的物性数据
3.2 传热面积估算
1.热流量 根据Q 1=m 1Cp 1ΔT 有
KW KJ T C m Q P 75.2111h /7602300)80125(2235.440000111==-⨯⨯=∆=（3-3） 2.冷却水流量
s
kg h kg t t C Q W pc C /2.9/33115)
1570(174.47602300
)12(1==-⨯=-=
(3-4)
3.平均传热温差（逆流）
℃86.59)
1580(ln )
1580()70125(ln 2121=----=∆∆-∆=
∆t t t T m (3-5) 3.3 平均传热温差校正,确定壳程数
平均传热温差校正系数:
5.01
11
2=-=
-t T t t P （3-6）
82.01
21
2=--=
t t T T R （3-7）
8
.087.0)11(2)
11(2ln /11ln 11222>=+++-+-+----+=∆R R P R R P PR P R R t ϕ （3-8）
则校正后的平均温差为ΔTm=0.87×59.86=52.08℃由于均温差校正系数大于
0.8，故取单壳程合适。

3.4 传热面积估算
表3-4 管壳式换热器中的总传热系数K 的经验值
因为流体均为水，所以总传热系数K 的经验值为1000-2000，假设K 取1500， 则总传热面积为
23
103.2708
.5215001075.2111m t K Q A m p =⨯⨯=∆=（3-9）
考虑15％的面积裕度，则S=1.15×A p =1.15×27.03=31.08m 2
4 工艺结构尺寸
4.1 管径和管内流速
选用∮25mm ×2.5mm 传热管（碳钢），取管内流速=1.5m/s 。

根据传热管内径和流速确定单程传热管数： 按单程管计根
185
.102.0875.02
.991/2.94
22
=⨯*=
=
i
i s u d V
n π
(4-1)
则所需传热管总长度为
m
n d S L s 0.2218025.014.308
.310=⨯⨯==
π（4-2）
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。

现取传热管长L=6m ，则该换 热器管程数
4
7.3622≈===l L N p (4-3)
传热管总根数N=4×18=72根
4.2 传热管排列和分程方法
传热管排列采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

取管心距，则：管心距a=1.25d 0=32mm
式中，a 为管心距，单位为mm ；d 0为传热管外径，单位为mm 。

隔板中心到离其最近一排管中心距离为
mm a
S 5.1532=+=
（4-4）
横过管束中心线的管数根1033.91.1≈==N n c （4-5）
4.3 壳体内径
采用多管程结构，壳体内径可按下式计算，取管板利用率η=0.70，则壳体内径
77.34070.072
3205.1η05.1=⨯⨯==N a
D （4-6）
圆整可取D=400mm
4.4 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，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。

本设计采用弓形折流板，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h=0.25×400=100mm （4-7）
取折流板间距为0.3D 则折流板间距B=0.3D=0.3×400=120mm （4-8） 折流板数目根据下式计算
块折流板间距传热管长491-1206000
1-===
B N （4-9）
4.5 接管
壳程流体进出口接管，取接管内流体=2m/s ，则接管内径为：
mm v D 02.862
14.355
.956/3600/40000441
1
1=⨯⨯=
=
πμ（4-10）
圆整后可取内径100mm 。

管程流体进出口接管，取接管内流体=2m/s ，则接管内径为：
mm v D 8.762
14.32
.991/2.9442
2
2=⨯⨯=
=
πμ（4-11）
圆整后可取内径80mm
所以取标准管：壳程接管规格：100mm 管程接管规格：80mm
4.6 拉杆
（1）拉杆直径 常见拉杆直径见表4-1
表4-1 常见拉杆直径
换热管的外径为25mm,所以拉杆直径为16mm
（2）拉杆数量
表4-2 拉杆数量与壳体公称直径表
拉杆数量：查拉杆数量与壳体公称直径表，本换热器壳体内径为350mm，拉杆直径为16mm，所以拉杆数量为4。

5 换热器核算
5.1 壳程表面传热系数α0
由公式14.03/155
.0010)(Pr Re 36
.0w
e m m d l =α 当量直径m d d a d 020.0025.014.3025.043.14-032.023(4)423(
4220202=⨯=-=
）ππε（5-1）
壳程流体流通截面积2000105.0)032.0025
.01(4.012.0)1(m a d BD S =-⨯⨯=-
=（5-2）
壳程流体流速及雷诺数分别为： 流速
s m S V /106.10105.055
.956/3600/4000000===
μ（5-3）
5.76482107665.255
.956106.1020.0ρRe 4
000
=*⨯⨯=
=
-μu d （5-4）
普朗特数
71
.16835.0107665.2102235.4Pr 4
30
=⨯⨯⨯==
-λμCp （5-5）
则
)(92.749505.171.1)5.76482(020
.06835
.036
.005
.1Pr Re 36
.023/155.03
/1055
.00
0k m W d ∙∙=⨯=⨯=λα（5-6） 5.2管内表面传热系数
管程流体流通截面积
222
007536.03472
020.014.34m N d S i i =⨯⨯⨯==π（5-7）
管程流体流速及雷诺数分别为 流速s m S V u i i /23.1007536.02
.991/2.90===
（5-8）
雷诺数82.4234610273.62
.99134.1020.0ρRe 4
i
=⨯⨯⨯=
=
-i
i i i u d μ（5-9）
普朗特数10.46385.010273.610174.4Pr 4
3=⨯⨯⨯==-λμ
p C （5-10）
管内表面传热系数
)
(75.649202
.010.482.423466385.0023.0Pr Re 023
.024.08.04
.08
.0k m W d i
i
i
i ∙∙=⨯⨯⨯==λα（5-11）
5.3 污垢热阻和管壁热阻
查取污垢系数表，可取管外侧污垢热阻： R i =0.000172(m 2·k)/W 管内侧污垢热阻： R i =0.000172(m 2·k)/W 常用金属材料的热导率见表4-3
表4-3 常用金属材料的热导率/[W/(m·k)]
由表可知碳钢在该条件下的热导率接近为50W/(m·k ） 故管壁热阻为
)/(00005.0500025.02w K m b
R w W ∙===λ （5-12）
5.4 总传热系数
)
/(08.168020
25
00005.0000172.072.749512025000172.02075.64952251
1
1
20
00000k m W R d d R d d R d d K m W i i i i ∙=⨯+
++⨯+⨯=
++++=
αα5.5 传热面积裕度
传热面积Ac 为 2
013.246.308.5208.16807602300
m t K Q A m C =⨯⨯=∆=
（5-13）
换热器的实际传热面积Ap 为
2
008.31726025.014.3m lN d A p =⨯⨯⨯==π （5-14）
传热面积裕度H 为%
03.2913
.2413.2408.31=-=-=C
C P A A A H （5-15）
传热面积裕度合适，该换热器能够为完成生产任务。

6 设计结果汇总
换热器主要结构尺寸和计算结果
设计评述
在这次为期一周的环境工程原理课程设计中我查阅了大量的资料，与同学们也多次探讨设计中的问题。

在这次设计之前，我对传热器的知识是寥寥无几，但是经过一个星期的恶补固定管板式传热器知识，我对固定管板式换热器已经有了一定的了解。

对换热器总体结构、型式、加热过程中传热面积、换热管型号、壳体直径等进行了详细的分析计算，这让我收获颇多。

这次课程设计过程中设计时让我明白设计出来一件产品的过程是困难重重的的，这也与自己平时缺乏见识，理论知识不足，实践能力太弱不无关系。

这次设计过程中将所学的计算机、机械绘图知识结合起来，这让我充分体会到提高综合能力的重要性，实践能力的必要性。

只有将实践与能力结合起来，才能发挥两者最大的作用。

这次课程设计也为我之后的学业和工作打下了坚实的基础。

在以后的学习和生活中，我将会努力完善自己，学好专业知识，提高自己实践能力；广泛涉猎各种书籍，打开自己的眼界。

参考文献
[1] 钱颂文主编.换热器设计手册[M]，北京：化学工业出版社，2002
[2] 夏清贾绍义主编.化工原理上册[M]，天津：天津大学出版社，2005
[3] 任晓光．化学原理课程设计指导.化学工业出版社，2009．。