列管式換熱器的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書

食品工程原理課程設(shè)計(jì)說明書列管式換熱器的設(shè)計(jì)學(xué)號(hào)： 班級(jí)：2012年12月24日

食品工程原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)號(hào)：班級(jí)：一、設(shè)計(jì)題目：列管式換熱器設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)容設(shè)計(jì)容某生產(chǎn)過程中，需將11200kg/h的牛奶從1401冷卻至501，冷卻介質(zhì)采用循環(huán)水，循環(huán)水入口溫度20T，出口溫度為40T。允許壓降不大于105Pa。試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器并進(jìn)行核算。牛奶定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度1040kgm-3；黏度1.103*10-4Pas；定壓比熱容2.11kJ/(kg°C)；熱導(dǎo)率0.14W/(mC)完成日期2012年12月21日三、設(shè)計(jì)要求序號(hào)設(shè)計(jì)容要求1工藝計(jì)算熱量衡算，確定物性數(shù)據(jù)，計(jì)算換熱面積2結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)管徑、流速、管程數(shù)、傳熱管數(shù)、殼徑、殼程數(shù)、折流板數(shù)等3核算熱量核算、流動(dòng)阻力計(jì)算4編寫設(shè)計(jì)說明書目錄，設(shè)計(jì)任務(wù)書，設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)果，參考資料等5其他設(shè)計(jì)的評(píng)述及有關(guān)問題的分析和討論6圖紙2#主視圖(設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)形狀及主要零部件間的裝配連接關(guān)系)尺寸(表示設(shè)備的總體大小規(guī)格裝配安裝等尺寸)主要零部件編號(hào)及明細(xì)欄管口符號(hào)及管口表等目錄、設(shè)計(jì)意義 4二、主要參數(shù)說明 4三、設(shè)計(jì)計(jì)算--51、確定設(shè)計(jì)方案 -52、確定物性數(shù)據(jù)--- 53、計(jì)算總傳熱系 6數(shù)4、計(jì)算傳熱面積 75、工藝結(jié)構(gòu)尺寸 76、換熱器核算-91）熱量核算 92）換熱器流體的流動(dòng)阻力 113）換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果總表 12四、參考文獻(xiàn)13一、設(shè)計(jì)意義換熱器廣泛應(yīng)用于化工、石油化工、動(dòng)力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工等行業(yè)。在食品工業(yè)中的加熱、冷卻、蒸發(fā)和干燥的單元操作中，我們也經(jīng)常見到換熱器應(yīng)用于食品物料的加熱或冷卻。在眾多類型的換熱器結(jié)構(gòu)中，管殼式換熱器應(yīng)用最為廣泛，因此要根據(jù)特定的工藝要求設(shè)計(jì)合理的換熱器，以滿足不通場所的需求。的沖梅樹狼浮工曽板圖1浮頭地?zé)崞鬟x擇換熱器時(shí)，要遵循經(jīng)濟(jì)，傳熱效果優(yōu)，方便清潔，符合實(shí)際需要等原則。換熱器分為幾大類：夾套式換熱器，沉浸式蛇管換熱器，噴淋式換熱器，套管式換熱器，螺旋板式換熱器，板翅式換熱器，列管式換熱器等。不同的換熱器適用于不同的場合。在眾多類型的換熱器中，浮頭式換熱器應(yīng)用較為廣泛。它的結(jié)構(gòu)簡單，其優(yōu)點(diǎn)有介質(zhì)間溫差不受限制，可在高溫，高壓下工作，可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合，可用于管程易腐蝕場合，尤其是其管束可以抽出，以方便清洗管及殼程，管束在使用過程中由溫差膨脹而不受殼體約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差壓力，所以，首選浮頭式換熱器。、主要參數(shù)說明B 折流板間距，m；C 系數(shù)，無量綱；d――管徑，m；D——換熱器外殼徑，m；f——摩擦系數(shù)；F——系數(shù)；h 圓缺髙度，m；K——總傳熱系數(shù)，W/（m2?「C）；L 管長，m；m 程數(shù)；n 指數(shù)；N——管數(shù)；NB——折流板數(shù)；Nu——怒賽爾特準(zhǔn)數(shù)；P——壓力，Pa；Pr——普蘭特準(zhǔn)數(shù)q 熱通量，W/m2；Q——傳熱速率，W；r 半徑，m；R——熱阻，m2C/W；Re——雷諾數(shù)；S 傳熱面積，m2；t——冷流體溫度，°C；T——熱流體溫度，C；u 流速，m/s；W 質(zhì)量流量，kg/s；a——對(duì)流傳熱系數(shù)，w/(m2C)A——有限差值； 。入——導(dǎo)熱系數(shù)，w/(mC)；■卩 粘度，Pa.s；。P 密度，kg/m3；■e 校正系數(shù)；下標(biāo)c 冷流體；h 熱流體；i――管；m——平均；o——管外；s 污垢.三、設(shè)計(jì)計(jì)算1.確定設(shè)計(jì)方案工藝要求：某生產(chǎn)過程中，需將11200kg/h的牛奶從140C冷卻至50C,冷卻介質(zhì)采用循環(huán)水，循環(huán)水入口溫度20C，出口溫度為40C。允許壓降不大于105Pa。試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器并進(jìn)行核算。(1)選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140C,出口溫度50C，冷流體(循環(huán)水)進(jìn)口溫度20C，出口溫度40C。浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體

自由浮動(dòng)。殼體和管束對(duì)熱膨脹是自由的，故當(dāng)兩種介質(zhì)的溫差較大時(shí)，管束與殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼體，這樣為檢修，清洗提供了方便。（2）流動(dòng)空間及流速的確定由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，牛奶走殼程。選用巾25X2.5的碳鋼管，管流速取u=1.0m/s。i2．確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。殼程牛奶的定性溫度為丁=140+50殼程牛奶的定性溫度為丁=140+50=95代)管程冷卻水的定性溫度為t=20+402=30(r)根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。牛奶在95r下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:密度P0=1040kg/m3定壓比熱容cP0=2.11kj/(kg?r)導(dǎo)熱系數(shù)九=0.140W/(m?°C)0粘度卩=0.0001103Pa?s0循環(huán)冷卻水在35r下的物性數(shù)據(jù):密度P=995.7kg/m3i定壓比熱容cp=4.17kJ/(kg?C)pi導(dǎo)熱系數(shù)九=0.617W/(m?C)i粘度卩=0.0008012Pa?si3．計(jì)算總傳熱系數(shù)(1)熱流量Q=WCAt=11200/3600X2.11X(140-50)=590.8(kW)oopoo

（2）平均傳熱溫差也當(dāng)=58.14(°C)At1At2(140-40)-(50-20)（2）平均傳熱溫差也當(dāng)=58.14(°C)~T~At~= I140—40In1 InAt2 50-203）3）冷卻水用量WiWi=-Q0-CAt590.8*36004.17*(40-20)25502.16(kg/h)（4）總傳熱系數(shù)K取K=500W/(m2k)粗估傳熱面積S=Q/K△t=20.32（m2）考慮15%的面積裕度.S=1.15XS'=1.15X20.32=23.37（m2）。5．工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）管徑和管流速選用巾25X2.5傳熱管（碳鋼），取管流速u=1.0m/s。i2）管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管徑和流速確定單程傳熱管數(shù)4v

d2u4v

d2ui25502.16十995.7十36000.785x0.022x1.0二22.66二23按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為兀dn兀dn0s23.373.14x0.025x23二12.94按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長l=7m，則該換熱器管程數(shù)L12.94為N= = =2（管程）pl7傳熱管總根數(shù)N=23X2=46（根）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)竺聖二4.540-20P二二40—20二0.167T-t140-2011按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表，可得?At=0.91平均傳熱溫差A(yù)t=? t=0.91X58.14=52.91(°C)mAt m由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流量較大，故取單殼程合適。(4)傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距t=1.25d，則t=1.25X25~32(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離$= +6=22(m)02各程相鄰管的管心距為44m橫過管束中心線的管數(shù) n=1.1^46=8(根)c殼體徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率n=0.70，則殼體徑為D=1.05t\N/?=1.05x32"46/0.7=272.38(mm)圓整可取325mm折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺髙度為殼體徑的25%，則切去的圓缺髙度=0.25X325=81.25(mm),故可取h=80mm。取折流板間距B=0.3D，則B=0.3X325=97.5(mm)則可取B為100折流板數(shù)N=傳熱管長/折流板間距-1=7000/100-1=69(塊)B折流板圓缺面水平裝配。接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管牛奶流速為u=2.0m/s，則接管徑為=0.044(m).'4x11200/(3600x1040)i'3.14x2.0=0.044(m)取標(biāo)準(zhǔn)管徑為45mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管循環(huán)水流速u=2.0m/s，則接管徑為=0.067(mm)7 '4W/p i'4x25502.16/(3600x995.7)=0.067(mm)d=\^r= ^*2^圓整后取接管徑為70mm。6．換熱器核算(1)熱量核算①殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形折流板，可采用公式a二0.36a二0.36—R0de

e1 L10.55P3( 4)0.14rP當(dāng)量直徑，由正三角形排列得當(dāng)量直徑，由正三角形排列得、( t2、( t2——d2I2 40丿d=e4^4P23、兀x0.0322-—X0.02524 丿丿=0.020(m)3.14x0.025殼程流通截面積=BD(1-佇殼程流通截面積=BD(1-佇)=t0.01*0.325*(1—0.025/0.032)=0.00656(m2)殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為Re0q/p 11200/(3600*1040)一乙亠= =0.4560(m2Re0q/p 11200/(3600*1040)一乙亠= =0.4560(m2)S 0.006560dup0.02*0.456*1040=_fL_Q&= =85993.61P0普蘭特準(zhǔn)數(shù)0.006560.0001103PrC卩p0 0九02110X°.0001103二1.660.140.14粘度校正a=0.360.14粘度校正a=0.36X吵X85993.610.55x1.6600.02二1544.25W/(m2?K)②管程對(duì)流傳熱系數(shù)a②管程對(duì)流傳熱系數(shù)ai九=0.023fRe0.8Pr0.4

di管程流通截面積兀S=dN/N=3.14/4X0.022x46/2=0.00722(m2)i4 0 p管程流體流速

W/p 25502.16u=—iJ=iS3600*995.7*0.00722idup0.02*0.9854*995.7ReW/p 25502.16u=—iJ=iS3600*995.7*0.00722idup0.02*0.9854*995.7Re=——i_ii=—i卩 0.0008012i=0.9854(m/s)=24492.12普蘭特準(zhǔn)數(shù)PriC卩p—

九i4.17*1000*。.0008012=5.410.617ai=0.023*0.627*24492.120-8*5.140-4=4523?59(3)污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻：R0=0.000176(m2k/w)管側(cè)污垢熱阻：R=0.0006(m2k/w)i取碳鋼的熱導(dǎo)率為50w/(mk)所以R=0.0025=0.00005(m2k/w)w50③傳熱系數(shù)K聽*0.。20+0?0006*牆+O.。0005*髄+0?000176+罷524.80④傳熱面積sSQS二 0—KAtm590.8*1000524.80*52.91二21.28(m2)該換熱器的實(shí)際傳熱面積SpS=兀dlN=46*3.14*0.025*7=25.2&m2)p 0T該換熱器的面積裕度為25.28-25.28-21.2821.28=18.80%SSH= ——S傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2壁溫核算

因管壁很薄，且管壁熱阻很小，該換熱器用循環(huán)水冷卻，且傳熱管側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差，但在操作初期，污垢熱阻較小，課題和傳熱管壁溫之差可能較大，計(jì)算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，區(qū)兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。t/a+1/a―mc m h11+-aach140+50z=952t=30m傳熱管平均壁溫t=46.05殼體壁溫T=95殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為At=95-30=65該溫差較大，故需要溫度補(bǔ)償裝置。換熱器流體的流動(dòng)阻力①管程流動(dòng)阻力EAp=(Ap+Ap)FtNsNpNs=1,Np=2,Ft=1.5AP=九丄些,AP=竺

iid2 2 2由Re=24492.12，傳熱管相對(duì)粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄圖得入i=0.04W/m?￡,流速u.=0.9098m/s,P=995.7kg/im，所以iiAP=AP=0.04xJLx0.02995.7x0.908922=5769.24(Pa)=1236.27(Pa)AP=3x995?7X°.90892=1236.27(Pa)2 2工P=(5769.24+1236.27)x1.5x2=21016.53(Pa)vl05(Pa)i管程流動(dòng)阻力在允許圍之。②殼程阻力

EAP=(APZ+APZ)FNo12tsNs=l,Ft=1.15f=5Re=5x85993.61-o.228=0.37500n=&N=69,u=0.4560cB0AP'=0.5x0.375x8x70x1040x0.45602=11353.31(Pa)i2流體流過折流板缺口的阻力B=0.10m,D=0.30mAP'2=AP'2=69x(3.5-2x0.10.31040x0.4