环境工程原理课程设计学院：专业：学号：姓名：指导老师：时间：目录1.任务书------------------------------------------------------------32.概述--------------------------------------------------------------43.设计方案的选择----------------------------------------------------5(1)换热器类型--------------------------------------------------5(2)物流的选择--------------------------------------------------5(3)水和煤油的流向----------------------------------------------6(4)管子的排列方式----------------------------------------------64.确定物理性质数据--------------------------------------------------65.设计计算----------------------------------------------------------7(1)计算总传热系------------------------------------------------7(2)计算传热面积------------------------------------------------7 6.主要设备工艺尺寸设计----------------------------------------------8(1)管径尺寸和管内流速的确定------------------------------------8(2)管程数、管数和壳程数的确定----------------------------------8(3)接管尺寸的确定----------------------------------------------9 7.总传热系数及传热面积核算------------------------------------------9(1)壳程对流传热系数---------------------------------------------9(2)管程对流传热系数--------------------------------------------10(3)污垢热阻和管壁热阻------------------------------------------11(4)总传热系数及传热面积----------------------------------------11(5)传热面积裕度------------------------------------------------118.设计结果汇总-----------------------------------------------------129.换热器结构简图和工艺流程图(附图纸)-------------------------------1210.设计评述--------------------------------------------------------1311.参考文献--------------------------------------------------------13任务书：煤油冷却器的设计1、设计任务处理能力： 20万吨/年设备型式： 列管式 2、操作条件（1）煤 油：入口温度 140℃ 出口温度 40℃ （2）冷却介质：循环水 入口温度 20℃ 出口温度 40℃ （3）允许压降：不大于0.1MPa （4）煤油定性温度下的物性数据()()C m W Ckg kJ c sPa m kg oc opc c c ⋅=⋅=⋅⨯==-/14.0/22.21005.7/82543λμρ（5）每年按330天计算，每天24小时连续运行。
1.概述在工程中，要实现热量交换，需要一定的设备，这种交换热量的设备统称为热交换器，也称为换热器。
在环境工程中，冷水的加热、废水的预热、废气的冷却等，都需要应用换热器。
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。
列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成。
列管式换热器在操作时，由于冷、热两流体温度不同，使壳体和管束的温度不同，其热膨胀程度也不同。
如果两者温度差超过50℃，就可能引起设备变形，甚至扭弯或破裂。
因此，必须从结构上考虑热膨胀的影响，采用补偿方法，如一端管板不与壳体固定连接，从而减小或消除热应力。
列管式换热器有以下几种：1.固定管板式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。
当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。
为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，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。
但壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。
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。
2.U形管式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，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。
特点是管束可以自由伸缩，热补偿性能好；双管程，流程长，流速高，传热性能好；承压能力强；管束可以从壳体中抽出，且结构简单，造价低。
但其管数少且易短流。
故仅适用于管壳壁温差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。
3.浮头式换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。
其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。
所以能适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。
但其结构复杂、笨重、造价高限制了它的使用。
4. 填料函式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。
但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。
根据任务书要求，设计一列管式煤油换热器，处理能力为每年20万吨，具体操作条件包括：煤油入口温度140℃，出口温度40℃；冷流体进口温度20℃，出口温度40℃；允许压降不大于0.1MPa；每年按330天计，每天24小时连续运行。
2.设计方案的选择（一）换热器类型操作条件指明，热流体入口温度140℃，出口温度40℃；冷却介质入口温度20℃，出口温度40℃，允许压降不大于0.1MPa。
由于不存在高温、高压、腐蚀性强的情形，故无需选用U形管换热器；由于煤油是易燃物质，故不宜选用填料函式换热器；根据两流体温度变化情况，该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差（50℃以上），最大允许压降也不高，故可选用浮头式换热器或带补偿圈的固定管板式换热器，而固定管板式换热器相对于浮头式换热器结构简单、造价便宜，故为首选。
（二）物流的选择操作条件中冷却介质为循环水，在运行过程中，随着挥发水量的消耗，水中各种杂质的浓度也会相应增大，结垢的概率也会同时增加，而固定管板式换热器要求壳程介质清洁，不易结垢，故应采用冷却水走管程，煤油走壳程。
（三）水和煤油的流向对于流向问题，可比较逆流和并流时的平均温差。
逆流时，有：△T1=(40-20)℃=20℃，△T2=（140-40）℃=100℃℃℃T T T T T m 7.4920100ln 20100ln 1212,=-=∆∆∆-∆=∆逆并流时，有： △T 1=(40-40)℃=0℃, △T 2=(140-20)℃=120℃120ln 120ln 1212,⇒=∆∆∆-∆=∆℃T T T T T m 并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；或可以减少换热介质的流量，降低运行费。
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纯粹的逆流和并流。
（四）管子的排列方式管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。
和正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。
正方形排列比较松散，传热效果较差，但管外清洁较方便，对易结垢的流体较适用，此处管内流体为水，故可不考虑结垢的问题，因此管子排列可选用三角形错列的方式。
3.确定物理性质数据定性温度：一般取流体进出口温度的平均值。
壳程流体煤油的定性温度为 ℃T 902401401=+=管程流体水的定性温度为 ℃T 30240202=+=根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
煤油在90℃的部分物性数据如下：物性 密度ρo（kg/m 3）比热容Cpc (kJ/(kg ·0C)) 粘度μo (Pa ·s) 导热系数λo (W/(m 2·0C)) 煤油 8252.220.0007050.14水在30℃的部分物性数据如下：物性密度ρi（kg/m 3）比热容Cp i (kJ/(kg ·0C))粘度μi (Pa ·s) 导热系数λi (W/(m 2·0C)) 水995.74.1740.00080070.61764.设计计算(1)计算总传热系数热流量：)/(01.7)/53.25252243301020m 70s kg h kg ==⨯⨯=（传热量：Q o =m o C pc t o =25252.53×2.22×(140-40)=5.61×106kJ/h=1557.24 kW 平均传热温差：=∆'m t 71.49204040140)2040()40140(2121=-----=∆∆∆-∆Int t In t t (℃)而 5204040140t -t T -T R 1221=--==167.0201402040t T t t P 1112=--=--=由《换热器设计手册》图1-3-6查得校正系数为0.883，所以修正后的传热温度差为C .8943.7149883.0t t om t m =⨯=∆⋅=∆∆ϕ冷却水用量：67.18)/kg (72.67201)2040(174.41061.56==-⨯⨯=∆=h t c Q w ipi o i （kg/s ）由《常用化工单元设备设计》表1-6，查得水与煤油之间的传热系数在290-698w/(m 2.o C)，初步设定K=500w/(m 2.o C)。