烟气回收废热换热器设计环境类资料.docx

烟气回收废热换热器设计环境类资料.docx

《烟气回收废热换热器设计环境类资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《烟气回收废热换热器设计环境类资料.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

烟气回收废热换热器设计环境类资料

课程设计

课程名称：

环境工程原理课程设计

设计题目：

烟气回收废热换热器的设计

学院：

环境科学与工程学院

专业：

再生资源科学与技术

年级：

2010级

学生姓名：

杨琴

指导教师：

马丽萍老师

日期：

2013年6月24日-7月5日

教务处制

课程设计任务书

环境科学与工程学院再生资源科学与技术专业2010级

学生姓名：

杨琴

课程设计题目：

烟气回收废热换热器的设计

课程设计主要内容：

一、设计任务

设计一个列管式换热器，用于回收烟气中余热，完成换热器的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制换热系统的工艺流程图和换热器装置图，编写设计说明书。

二、设计条件

1、气体混合物成分：

近似空气；

2.设计处理量Q：

100000Nm3/h；

3.热物料（废气）温度℃:

（1）换热器入口温度t1:

400

（2）换热器出口温度t2:

150

4.冷物料（空气）温度℃:

（1）换热器入口温度θ1:

55

（2）换热器出口温度θ2:

200～250.（换热器出口温度θ2为参考值）

（3）冷物料流量L:

100000Nm3/h.

5.气体特性参数

（1）平均比热容cp1.35kJ/（kg•K）,

（2）给热系数α:

0.05kW/（m2•K）;

6.操作压力（表）P:

0kPa;

7.其余条件:

自定。

但需简述理由或依据。

8.工作日：

每年300天，每天24小时计

9.厂址：

昆明某地区

三、设计内容

1.选择换热器类型及流体流程；

2.计算换热器的热负荷；

3.换热器换热面积及结构尺寸计算；

4.传热系数计算及传热面积校核；

5.换热器管程、壳程接管尺寸计算；

6.附属设备设计或选择，压降核算；

7.绘制生产工艺流程图（2号图纸）；

8.绘制换热器装置图（1号图纸）；

9.对设计过程的评述和有关问题讨论。

设计指导教师（签字）：

教学基层组织负责人（签字）：

年月日

摘要

烟气余热回收是指利用换热器从各种烟气中提取一部分热量加以利用，它是节能工作的一个重要方面,其节能效果显著。

为此进行了烟气回收废热换热器的设计，通过查阅大量的资料和数据，反复计算和核算，最终选定了列管式换热器中的浮头式换热器作为烟气回收废热的换热设备，确定了换热器的结构为二壳程单管程，基本尺寸为外壳内径为1900mm，换热器管子长度为4m。

最终对换热器进行了性能评价，设计的换热器基本能满足生产上的要求，强度足够和结构可靠，但是由于选用了非标构件，可能不便于制造，生产成本较高。

关键词：

换热器列管式浮头式设计

1.总论

换热器是工业传热过程中必不可少的设备，几乎应用于包括动力、化工、冶金、轻工等一切工业部门。

随着技术的进步，以及节约原材料和能源的紧迫性，使各工业部门越来越重视提高换热器的性能。

换热器工作性能的优劣直接影响着整个装置的综合特性，因此换热器的合理设计是极其重要的。

换热器种类繁多，按照冷、热流体热量交换的原理和方式的不同，换热器可分为，混合式换热器，蓄热式换热器和间壁式换热器三大类。

常见的换热器有列管式换热器、套管式换热器，管式换热器、板式换热器、翅片换热器等，其中应用最广泛的是列管式换热器。

目前这种换热器被当作为一种传统的标准换热器，在许多工业部门中被大量采用，并占据主要地区。

由于列管式换热器容易制造，可供选择的材料范围较广，换热表面清洗方便，适应性强，处理能力大，特别是能应用在高温、高压下工作，所以它能在近代出现的各种新型，高效和紧凑换热器的竞争发展中，得以继续存在。

随着能源价格日益高涨,空气污染日渐严重,降低能耗,减少污染物排放已成为重要议题。

其中利用换热器进行烟气废热利用也显得日益重要，一方面节省了能源，另一方面又减小了污染，在实际的生产中有着重要的意义。

本次课程设计就是设计一个列管式换热器，用于回收工厂排放的烟气余热，该列管换热器除了要满足最基本的工艺要求，还应该考虑资源的充分利用，要根据技术上的可能性和经济上的合理性，对资源进行综合利用。

不仅要减少换热器本身的投资，还要减少其它辅助设备的投资。

对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。

在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济的便于生产制造的换热器等等）。

本次设计通过查阅了大量资料，老师认真指导，反复的计算和校核，最终确定换热器的类型和尺寸。

整个过程涉及了各种数据的分析以及经验为基础的定性决断。

2.技术方案的比选

2.1换热器类型的选择

随着现代化工和石油化工的飞速发展，为了适应各种换热条件，换热器有多种形式。

总的来说换热器分管式和板式两大类，每种结构形式的换热设备都有其特点，具体如下：

（1）管式换热器

这类换热器，具有结构坚固，操作弹性大和使用范围广等优点。

尤其在高温、高压和大型换热器中，占有相当优势。

但是其换热效率、设备结构的紧凑性和金属消耗量等方面都不如其它新型换热器。

管式换热器根据生产需要的不同还可分为蛇管式换热器、套管式换热器、列管式换热器。

（2）板式换热器

这类换热器的传热性能要比“管式”换热器优越，由于结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。

该设备采用板材制作，故在大规模组织生产时，可降低设备成本，但其耐压性能比“管式”为差。

板式换热器根据生产需要的不同又可分为螺旋板换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器、伞板式换热器和空气冷却器。

目前工业部门中采用的列管式换热器具体结构样式很多，基本形式有固定管板式，浮头式和Ｕ形管，其特点如下：

（1）固定管板式换热器

固定管板式即两端管板和壳体连接成一体，因此它具有结构简单和造价低廉的优点。

但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较洁净且不易结垢的物料。

当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿，在外壳上焊上一个补偿圈。

这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于70℃）和壳方流体压强过高（一般不高于600kp）的场合。

（2）Ｕ形管式换热器

仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。

这类换热器的特点是所有每根管子都能自由膨胀，不受其他管子和外壳的限制。

管束可以从外壳内抽出，便于清洗管子外壁，但管内壁的污垢不便于用机械方法清洗。

另外Ｕ形管是一层层套装的，如果内层管子破损，则无法更换。

Ｕ形管换热器适用于温差大，管内流体较清洁的场合。

（3）浮头式换热器

浮头式换热器由于两端管板之一不与外壳固定连接，所以当管子受热（或受冷）时，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。

浮头换热器不但可以补偿热膨胀，而且由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接的，因此管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。

通过对处理的烟气的物性特点进行分析，结合以往工业实践的经验和各种换热器的结构特点，对于气-气热交换常选用列管换热器，对压力、温度较高的特殊情况也用列管换热器。

对于气-气换热的管式换热器，由于两侧气体换热系数差别不大，而且烟道气-空气换热器，工作条件恶劣，积灰严重，所以应采用光管作换热面。

考虑到烟道气会有结垢和积灰，为了方便清洗和检修，所以应选用浮头式列管换热器。

通过以上分析，综合烟道气的物性特点以及各种换热器的特点和适用范围，最终确定为用列管式中的浮头换热器。

2.2流体流径的选择

在设计时必须正确选定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。

这时要考虑下述一些原则：

1、不洁净和易结垢的流体宜走管内便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。

2、腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。

3、压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，可节省壳程金属消耗量。

4、饱和蒸汽宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，它对清洗无要求。

5、被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，增强冷却效果。

6、需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

7、粘度大的液体或流量较小的流体宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re值（Re>100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。

8、若两流体的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因为壁温接近传热系数较大的流体温度，可以减小热应力。

在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，所以应视具体情况抓住主要矛盾。

首先对烟道气的特点进行分析，烟道气通常会有积灰，为了便于清洗，烟道气应走管内。

2.3流体流动方式的选择

流体在热交换器内的流动方式对整个设计的合理性有很大的影响，因而对流动方式的选择，应给予充分注意。

一方面，既要考虑在给定的温度状况下，保证获得较大的平均温差，以减小传热面积，降低金属或其它材料的消耗；另一方面，要尽可能使传热温度比较均匀，应有最好的传热工况，以便得到较高的传热系数，同时起到减小传热面积的作用。

变温传热时，若两流体的相互流向不同，则对温度差的影响也不同。

现分别就并流和逆流以及错流和折流来做些比较。

（1）并流和逆流

在换热器中，两流体以相同的方向流动，称为并流；若流动方向相反，则称为逆流。

在流体进、出口温度相同的条件下，以逆流的平均温度差最大，并流的平均温度差最小，其它各种流动方式的平均温度差均介于并流和逆流之间。

因此，在逆流时可减小所需的传热面积。

（2）错流和折流

错流和折流的平均温差介于顺流和逆流之间，采用折流或错流形式的原因除了为满足换热器的结构要求外，就是为了提高总传热系数。

但是平均温度差较逆流时低。

在选择流向时应综合考虑，温度差校正系数值不宜过低，一般设计时应大于0.9，至少不能低于0.8。

虽然逆流有较高的平均温度差，但纯粹的逆流和并流，只有在套管式或螺旋板这一类换热器中才能实现。

列管换热器流体流动方式的选择不是完全从热工角度出发，更多的是由结构所决定。

因此为了满足换热器的结构要求，流体的流动方式为折流。

3.工艺流程的确定

换热器在各工业部门中得到广泛的应用，并成为必不可少的占有很大比例的设备，而且其工作性能的优劣直接影响着整个装置的综合特性，因此换热器的合理设计是较为重要的。

在设计中进行工艺流程的确定，也显得较为重要，它反映了在整个工段中物料的走向、组成、流量等。

它既可用作审查的资料，又可作为进一步设计的依据，并且还可供今后生产操作时参考。

通过分析，确定了烟道气和冷空气的流径，烟道气走管程，冷空气走壳程，两流体的流动方式为并流。

最终被加热的冷空气，可以用于供暖，和加热等，有着重要的节能意义。

具体工艺流程如下图：

4.主体设备的设计

4.1换热器结构设计计算

4.1.1出口温度的确定及物料物性参数的选取

由课程设计任务书可知：

（1）热物料（烟道气）的进口温度为400℃，出口温度为150℃。

（2）组成类似于空气。

因此烟道气的定性温度为：

在此温度下，烟道气的物性参数为：

冷物料（空气）的出口温度需要经过计算，因此，先假设200℃-250℃中的200℃为出口温度。

此时在定性温度127.5℃下：

根据能量守恒原理，假设换热器的热损失可忽略时，则热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量，可建立热平衡关系：

在此温度下，空气的物性参数为：

4.1.2换热器换热面积的估算

（1）传热热负荷

（2）平均温度差

这样已知冷热流体的进、出口温度T和t就可以求平均温度差△

先按逆流时，计算逆流时的对数平均温度差：

（3）换热器传热面积的计算

经过查阅化工手册知，空气的传热系数在10～3