食品工程原理——列管式換熱器課程設(shè)計

1、列管式換熱器的設(shè)計班級：xxxx姓名：xxx學(xué)號：xxxxxxxx指導(dǎo)教師：xxx時間：xxxxx目錄工程原理課程設(shè)計任務(wù)書3(一) 概述及設(shè)計方案簡介41 概述42 設(shè)計方案簡介8（二）工藝及設(shè)備設(shè)計計算81 確定物性數(shù)據(jù)82 計算總傳熱系數(shù)93 傳熱面積的計算104 工藝結(jié)構(gòu)尺寸105 換熱器核算12（三）輔助設(shè)備的計算及選型14（四）設(shè)計結(jié)果匯總表15(五）設(shè)計評述15(六）參考資料15(七）主要符號說明16（八）致謝16工程原理課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名xxx班級xxxx指導(dǎo)教師xxx題目換熱器的設(shè)計設(shè)計基本參數(shù)處理能力：2000kg/h設(shè)備型式：列管式換熱器操作條件：冷卻介質(zhì)：水入口溫度

2、：6，出口溫度：16 果汁：入口溫度：80，出口溫度：20。設(shè)計要求及內(nèi)容1、設(shè)計方案簡介 對給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的形式進行簡要論述。2、主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算 物料衡算、熱量衡算、工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝尺寸的設(shè)計計算。3、輔助設(shè)備的選型 典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計算，設(shè)備規(guī)格型號的選定。4、編寫設(shè)計說明書 將設(shè)計所選定的工藝流程方案、主要步驟及計算結(jié)果匯集成工藝設(shè)計說明書。應(yīng)采用簡練、準(zhǔn)確的文字圖表，實事求是的介紹設(shè)計計算過程和結(jié)果。設(shè)計說明書要求在6000字以上，A4紙打印。 設(shè)計說明書內(nèi)容：（1） 封面（課程設(shè)計題目、學(xué)生班級、姓名、指導(dǎo)教師、時間）（2） 目錄

3、（3） 設(shè)計任務(wù)書（4） 概述與設(shè)計方案簡介（5） 工藝及設(shè)備設(shè)計計算（6） 輔助設(shè)備的計算機選型（7） 設(shè)計結(jié)果匯總表（8） 設(shè)計評述（9） 參考資料（10） 主要符號說明（11） 致謝(一) 概述及設(shè)計方案簡介1 概述1.1 換熱器在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上流體參加換熱的換熱器，但它的基本原理與上述情形并無本質(zhì)上的差別。在食品、化工、石油、動力、制冷等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，它不僅可以單獨作為加熱器、冷卻器等使用，而且是一些化

4、工單元操作的重要附屬設(shè)備，因此在化工生產(chǎn)中占有重要地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設(shè)計中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。1.2 換熱器的選擇換熱器的種類很多，根據(jù)其熱量傳遞的方法的不同，可以分為3種形式：堅壁式、直接接觸式和蓄熱式。列管式換熱器的應(yīng)用已有很悠久的歷史，現(xiàn)在，它被當(dāng)作一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用，尤其在石油、化工、能源設(shè)備等部門所使用的換熱設(shè)備中，列管式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。雖然列管式換熱器在傳熱效率、緊湊性和金屬耗量等方面不及

5、某些新型換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、適應(yīng)性強、制造材料廣泛等獨特的優(yōu)點，因而在換熱設(shè)備中仍處于主導(dǎo)地位。同時板式換熱器也已成為高效、緊湊的換熱設(shè)備，大量應(yīng)用于工業(yè)中。列管換熱器主要特點：(1) 耐腐蝕性：聚丙烯具有優(yōu)良的耐化學(xué)品性，對于無機化合物，不論酸，堿、鹽溶液，除強氧化性物料外，幾乎直到100都對其無破壞作用，對幾乎所有溶劑在室溫下均不溶解，一般烷、徑、醇、酚、醛、酮類等介質(zhì)上均可使用。(2) 耐溫性：聚丙烯塑料熔點為164-174，一般使用溫度可達110-125。(3) 無毒性：不結(jié)垢，不污染介質(zhì)，也可用于食品工業(yè)。(4) 重量輕：對設(shè)備安裝維修極為方便。列管式換熱器主要分為以

6、下四種：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、填料函式換熱器 。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)特點：兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)的殼側(cè)清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時，會使管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏。固定管板式換熱器1封頭；2法蘭；3排氣口；4殼體；5換熱管；6波形膨脹節(jié)；7折流板（或支持板）；8防沖板；9殼程接管；10管板；11管程接管；12隔板；13封頭；14管箱；15排液口；16定距管；17拉桿；18支座；19墊片；20、21螺栓、螺母

7、適用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。.浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)特點：兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端則可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點是當(dāng)換熱管與殼體間有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時，互不約束，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可以從殼體內(nèi)抽搐，便與管內(nèi)管間的清洗。缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴(yán)，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。適用于管壁間溫差較大或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場合。浮頭式換熱器1防沖板；2折流板；3浮頭管板；4鉤圈；5支耳 U型管換熱器U型管換熱器結(jié)構(gòu)特點是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩

8、程。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U型環(huán)熱管由溫差時，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U型管式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，只有一塊管板，密封面少，運行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。缺點：管內(nèi)清洗困難；由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束內(nèi)程管間距大，殼程易短路；內(nèi)程管子損壞不能更換，因而報廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。 U形管式換熱器1中間擋板；2U形換熱管；3排氣口；4防沖板；5分程隔板.填料函式換熱器填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。其特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點是

9、結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進行清洗，維修方便。缺點：填料函乃嚴(yán)不高，殼程介質(zhì)可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。填料函式換熱器1縱向隔板；2浮動管板；3活套法蘭；4部分剪切環(huán)；5填料壓蓋；6填料；7填料函1.3 流動空間的選擇 在管殼式換熱器的計算中，首先需決定何種流體走管程，何種流體走殼程，這需遵循一些一般原則： 應(yīng)盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。 在運行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置， 應(yīng)盡量減少其冷量損失。 管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢

10、和修理，以保證運行的可靠性。 所以在具體設(shè)計時應(yīng)綜合考慮，決定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。 1.4 流速的確定 表2-2 換熱器常用流速的范圍 介質(zhì)流速 循環(huán)水新鮮水一般液體易結(jié)垢液體低粘度油高粘度油氣體管程流速，m/s1.0-2.00.8-1.50.5-3>1.00.8-1.80.5-1.55-30殼程流速，m/s0.5-1.50.5-1.50.2-1.5>0.50.4-1.00.3-0.82-151.5 材質(zhì)的選擇 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 碳鋼 價格低，強度較高，對堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。如一般換

11、熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號和20號碳鋼。 不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。1.6 管程結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管內(nèi)的通道部分稱為管程。 1.6.1換熱管布置和排列問距 常用換熱管規(guī)格有19×2 mm、25×2 mm、25×2.5 mm。標(biāo)準(zhǔn)管子的長度常用的有1500mm，2000mm，3000mm，6000mm等。當(dāng)選用其他尺寸的管長時，應(yīng)根據(jù)管長的規(guī)格，合理裁用，避免材料的浪費。 換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和

12、同心圓排列，如下圖所示。 (a) 正方形直列     （b）正方形錯列    (c) 三角形直列  （d）三角形錯列  （e）同心圓排列正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 1.6.2 管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程

13、的流體分隔開來。 管板與管子的連接可脹接或焊接。1.7 殼程結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道部分稱為殼程。 殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場合不同，殼程內(nèi)對各種元件的設(shè)置形式亦不同，以此來滿足設(shè)計的要求。各元件在殼程的設(shè)置，按其不同的作用可分為兩類：一類是為了殼側(cè)介質(zhì)對傳熱管最有效的流動，來提高換熱設(shè)備的傳熱效果而設(shè)置的各種擋板，如折流板、縱向擋板。旁路擋板等；另一類是為了管束的安裝及保護列管而設(shè)置的支承板、管束的導(dǎo)軌以及緩沖板等。 1.7.1 殼體 殼體是一個圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進人和排出之用。直徑小

14、于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mrn的可用鋼板卷焊而成。殼體材料根據(jù)工作溫度選擇，有防腐要求時，大多考慮使用復(fù)合金屬板。 介質(zhì)在殼程的流動方式有多種型式，單殼程型式應(yīng)用最為普遍。如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。用兩個換熱器串聯(lián)也可得到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯流等型式。 殼體內(nèi)徑D取決于傳熱管數(shù)N、排列方式和管心距t。計算式如下： 單管程 式中 t管心距，mm； d0換熱管外徑，mm； nc橫過管束中心線的管數(shù)，該值與管子排列方式有關(guān)。 正三角形排列： 正方形排列： 多管程 式中 N排列管子數(shù)目； 管板利用率。 正角形排列：2管程 =0

15、.70.85 >4管程 =0.60.8 正方形排列：2管程 =0.550.7 >4管程 =0.450.65殼體內(nèi)徑D的計算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 1.7.2 折流板 在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過管束，增加流體速度，以增強傳熱；同時起支撐管束、防止管束振動和管子彎曲的作用。 折流板的型式有圓缺型、環(huán)盤型和孔流型等。 圓缺形折流板又稱弓形折流板，是常用的折流板，有水平圓缺和垂直圓缺兩種。切缺率(切掉圓弧的高度與殼內(nèi)徑之比)通常為2050。垂直圓缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有懸浮固體粒子流體用的水平熱交換器等。垂直圓缺時，不凝氣不能在折流板頂部積存，而在冷

16、凝器中，排水也不能在折流板底部積存。弓形折流板有單弓形和雙弓形，雙弓形折流板多用于大直徑的換熱器中。 折流板的間隔，在允許的壓力損失范圍內(nèi)希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值為殼內(nèi)徑的1/5或者不小于50 mm，最大值決定于支持管所必要的最大間隔。 1.7.3 殼程接管 殼程流體進出口的設(shè)計直接影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。當(dāng)加熱蒸汽或高速流體流入殼程時，對換熱管會造成很大的沖刷，所以常將殼程接管在入口處加以擴大，即將接管做成喇叭形，以起緩沖的作用；或者在換熱器進口處設(shè)置擋板。 2 設(shè)計方案簡介2.1選擇換熱器的類型因為我們要加熱的材料是果汁，流體壓力不大，管程與殼層溫度差較大，并考慮

17、易清洗性，所以初步確定選用固定管板式換熱器。2.2 流體流動空間及流速的確定因為本次所要處理的果汁與冷卻水的進出口溫差都大于50°C，所以需要焊接膨脹節(jié)。由于果汁較水有腐蝕性，而管子及管箱用耐腐蝕材料造價低,故應(yīng)使果汁走管程，冷卻水走殼程?？紤]到要進行加熱的是果汁，所以選用不銹鋼材質(zhì)的管。綜上所述，選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，選用25*2.0的不銹鋼管，管內(nèi)流速取u=0.5m/s.（二）工藝及設(shè)備設(shè)計計算1 確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進口溫度的平均值殼程水的定性溫度為： 管程果汁的定性溫度為： t =50 根據(jù)定性溫度，查得：果汁在50下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 = 105

18、0 kg/定壓比熱容 =3.98 kJ/(kg·K)導(dǎo)熱系數(shù) =W/(m·K)黏度 =0.00215Pa·s冷卻水在11下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 =999.7 kg/定壓比熱容 =4.191 kJ/(kg·)導(dǎo)熱系數(shù) = 0.5741 W/(m·)黏度 =0.001271Pa·s2 計算總傳熱系數(shù)2.1 熱流量=2000×3.98×(80-20)=477600 kJ/h=132.7(kW)2.2 平均傳熱溫差=（）2.3 冷卻水用量 kg/h2.4 總傳熱系數(shù)K管程傳熱系數(shù) 2300<Re<1000

19、0過渡流 Pr= 流體被冷卻n=0.3 = =2415W/(·)）殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù) W/(·)污垢熱阻 (·) / W(·) / W管壁的導(dǎo)熱系數(shù) .4 W/(m·)，故 = = 398 W/(·)3 傳熱面積的計算 S= （）考慮15%的面積裕度，S=1.15×S=1.15×10.13=11.65（）4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.1 管徑和管內(nèi)流速選用25mm×2.0mm的不銹鋼管，管內(nèi)流速取ui=0.5m/s。4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) =3.05根4根按單管程計

20、算，所需的傳熱管長度為：L=49.4m按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長=6m，則該換熱器的管程數(shù)為:N=9(管程)傳熱管總根數(shù)為：N=34.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)R =6 P =0.135按單殼程，三管程結(jié)構(gòu)，溫度校正系數(shù)查表得： =0.93平均傳熱溫差 = 4.4 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距 t=1.25（焊接法），則t=1.2525=31.25 mm 32 （mm）橫過管束中心線的管數(shù) 4.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑為：D=1.05t=1.0

21、532=208.7（mm）圓整可取D=273mm。4.6 折流板數(shù)采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25，則切去的圓缺高度為：h=0.25273=68.25（mm）， 故可取h=65mm 。取折流板間距B=0.3D,則 B=0.3273=81.9（mm），可取B為150mm 。折流板數(shù) N=-1=-1=39（塊）折流板圓缺面水平裝配。4.7 接管殼程流體進出口接管:取接管內(nèi)流速為u=1.0 m/s,則接管內(nèi)徑為： =0.0635（m）取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 60 mm 。管程流體進出口接管:取接管內(nèi)流速為u=1.5 m/s,則接管內(nèi)徑為：0.0212（m）取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 20 mm5 換熱器

22、核算5.1 熱量核算（1）殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板,可采用克恩公式：=0.36當(dāng)量直徑，由正三角形排列得d=0.020（m）殼程流通截面積：=BD(1-)=0.150.273 (1-)=0.00896（m）殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為=0.353（m/s） 2000<Re<100000 Pr=黏度校正（）=0.95 =0.36W/(·)（2）管程對流傳熱系數(shù)=0.00104（m）=（m/s） (2300<Re<10000)（3）傳熱系數(shù)K =504.5 W/(·)（4）傳熱面積S S=（m）該換熱器的實際傳熱面積（m）該換熱器的面積裕度為 H

23、=該換熱器的面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。5.2 換熱器內(nèi)流體的流動阻力（1）管程流動阻力由Re=5230，傳熱管相對粗糙度，查摩擦因數(shù)圖得，流速=0.51（m/s）， kg/，所以=Pa= Pa故 Pa 100 KPa管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。（2）殼程阻力流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.4（正方形錯列） Pa流體流過折流板缺口的阻力 B=0.15m ，D=0.273 m Pa總阻力 Pa < 10 KPa 殼程流動阻力也比較適宜。（三）輔助設(shè)備的計算及選型1 封頭殼體內(nèi)徑較小，故采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。2

24、 分程隔板分程隔板可提高介質(zhì)流速，增強傳熱。同時應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。（四）設(shè)計結(jié)果匯總表換熱器型式：帶膨脹節(jié)的固定管板式管口表換熱面積（m2）：9.80符號尺寸用途連接型式工藝參數(shù)：a果汁入口平面名稱殼程管程b果汁入口平面物料名稱冷卻水果汁c冷卻水入口凹凸面操作溫度，6/1680/20d冷卻水入口凹凸面流量，kg/h113962000e排氣口凹凸面流體密度，kg/m99971050f放靜口凹凸面流速，m/s0.3530.51傳熱量，kW132.7總傳熱系數(shù)，W/m2·504.5對流傳熱系數(shù)，W/m2·86231837污垢系數(shù)，m2·/W0.0001720.0005阻力降，Pa952479912程數(shù)19推薦使用材料不銹鋼不銹鋼管子規(guī)格25×2.0管數(shù)27管長，mm6000管間距，mm32排列方式正三角形折流板型式弓形上下間距，mm150切口高度25%殼體內(nèi)徑，mm273保溫層厚度，mm(五）設(shè)計評述該換熱器是專為冷卻果汁設(shè)計的，嚴(yán)格按照國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。這是我第一次做該類設(shè)計，雖然努力依照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計但許多地方仍不太明確，且沒