环境工程原理课程设计
消除或减小热应力。
1.2 混合式换热器：
混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。
按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型： 1) 冷却塔(或称冷水塔)：
在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。
2) 气体洗涤塔(或称洗涤塔)：
在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其进行加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。但是，在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用。
3) 喷射式热交换器：
在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热传质，并—同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。
4) 混合式冷凝器：
这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝。
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1.3 蓄热式换热器：
蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。
蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。
2. 列管式换热器设计一般要求：
列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容： 1) 根据换热任务和有关要求确定设计方案； 2) 初步确定换热器的结构和尺寸； 3) 核算换热器的传热面积和流动阻力； 4) 确定换热器的工艺结构。
2.1 流体通道的选择原则：
1) 不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；
2) 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检
修和清洗；
3) 高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量； 4) 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染
壳程；
5) 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果； 6) 有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；
7) 粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，
由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（Re<100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数。但是有时在动力设备允许的条件下，将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。
2.2 流体两端温度的选择：
若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，则不存在确定流体两端温度的问题。若其中一流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却一热流体，冷水的进口温度可根据当地的气温条件作出估计，而其出口温度则可根据经济核算来确定：为了节省冷水量，可使出口温度提高一些，
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但是传热面积就需要增加；为了减小传热面积，则需要增加冷水量。两者是相互矛盾的。一般来说，水源丰富的地区选用较小的温差，缺水地区选用较大的温差。不过，工业冷却用水的出口温度一般不宜高于45℃，因为工业用水中所含的部分盐类（如CaCO3、CaSO4、 MgCO3和MgSO4等）的溶解度随温度升高而减小，如出口温度过高，盐类析出，将形成传热性能很差的污垢，而使传热过程恶化。如果是用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。
2.3 管子的规格和排列方法：
小直径管子能使单位体积的传热面积大，因而在同样体积内可布置更多的传热面。或者说，当传热面积一定时，采用小管径可使管子长度缩短，增强传热，易于清洗。但是减小管径将使流动阻力增加，容易积垢。对于不清洁、易结垢或粘度较大的流体，宜采用较大的管径。因此，管径的选择要视所用材料和操作条件而定，总的趋向是采用小直径管子。管长的选择是以合理使用管材和清洗方便为原则。国产管材的长度一般为6m，因此管壳式换热器系列标准中换热管的长度分为1.5、2、3或6m几种，常用3m或6m的规格。长管不易清洗，且易弯曲。此外，管长L与壳体D的比例应适当，一般L/D=4～6。管子的排列方式有等边三角形、正方形直列和正方形错列三种。等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，对流传热系数大；正方形直列比较松散，对流传热系数较三角形排列时低，但管外壁清洗方便，适用于壳程流体易结垢的场合；正方形错列则介于上述两者之间，对流传热系数较直列高。管子在管板上的间距a跟管子与管板的连接方式有关：胀管法一般取a=（1.3～1.5）do，且相邻两管外壁的间距不小于6mm；焊接法取a=1.25do。换热器壳体内径应等于或稍大于管板的直径。通常是根据管径、管数、管间距及管子的排列方式用作图法确定。
图4.管子排列方式
2.4 管程和壳程数的确定：
管程数N按下式计算： N=u/v
式中：u——管程内流体的适宜流速；
v——管程内流体的实际流速。
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3. 主要附件：
1) 封头
封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体，圆形用于大直径的壳体。 2) 缓冲挡板
为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。 3) 导流筒
壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。
4) 放气孔、牌液孔
换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。 5) 拉杆和定距管
为了使折流板能够牢靠的保持在一定的位置上，通常采用拉杆和定距管。 6) 接管
换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算
d?4Vs ?u式中：Vs—流体的体积流量,m3/s u —流体在接管中的流速，m/s
流速的经验值对液体可取为：u =1.5~2 m/s。
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三、年产15万吨苯冷却器的工艺设计
一、 确定设计方案：
本设计任务是利用列管式换热器使冷流体（水）给苯降温。选择换热器时，要遵循安全、高效、经济的原则。冷却水入口温度30oC，出口温度40oC，冷却水两端温度差为10oC。热流体进口温度80oC,出口温度40oC。考虑到年产量为15万吨苯冷却，故本次设计确定选用浮头式换热器。易析出结晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流体，最好通入比较容易进行机械清洗的空间，而浮头式换热器的管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生较大热效应力。对于浮头式换热器，一般易在管内空间进行清洗。所以选择浮头式换热器较合适。
二、 确定流体的流动空间：
考虑到苯为有毒液体，则苯走管程。冷却水较硬易结垢，所以经过处理形成去离子水后走壳程。由于管径的大小影响管内流速的的大小和管内的压强降，因此选用管规格为φ25×2.5mm。又苯只对一些塑料有一定腐蚀性，对一些无机材质，如金属，陶瓷等，基本没有腐蚀性。故选择碳钢管
三、 计算定性温度，确定流体的物性参数：
苯：进口温度：80oC，出口温度：40oC，
80?40?60oC 定性温度：2冷却水：进口温度：30oC，出口温度：40oC，
30?40?35oC 定性温度：2四、 初步估算传热面积
1. 苯的流量及热负荷：
(1-1)
15?104?103KgWh??5.26 s330?24?3600
KJ?384.6Kw??Q?Wc?T?5.26?1.828?80?40?384.6Thph s
2. 冷却水的用量：
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