列管式換熱器

1、輕工食品學(xué)院食品工程原理課程設(shè)計(jì)列管式換熱器的設(shè)計(jì)班級(jí)食品081姓名謝蘭方學(xué)號(hào)200810714129指導(dǎo)教師張宏康提交日期2010-12-30目錄1.引言31.1.設(shè)計(jì)題目的目的和意義31.2.實(shí)習(xí)內(nèi)容和要求：32.設(shè)計(jì)任務(wù)書42.1.題目：列管式換熱器的設(shè)計(jì)42.2.原始數(shù)據(jù)和操作條件：42.3.設(shè)計(jì)任務(wù)內(nèi)容：42.4.換熱器設(shè)計(jì)說(shuō)明:43.列管式換熱器的設(shè)計(jì)流程圖54.確定設(shè)計(jì)方案64.1.選擇換熱器的類型64.2.流體流入空間的選擇64.3.流向的選擇64.4.確定物性數(shù)據(jù)65.初算傳熱面積85.1.計(jì)算熱負(fù)荷（忽略熱損失）85.2.加熱水用量（忽略熱損失）85.3.傳熱平均溫度差85

2、.4.計(jì)算傳熱面積86.列管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)86.1.選管子規(guī)格86.2.總管數(shù)和管程數(shù)86.3.確定管子在管板上的排列方式96.4.殼體的內(nèi)徑確定96.5.繪管板布置圖確定實(shí)際管子數(shù)目96.6.折流擋板106.7.其他附件106.8.接管117.傳熱面積校核117.1.傳熱溫度差的校核127.2.總傳熱系數(shù)k的計(jì)算127.3.傳熱面積校核148.壁溫的計(jì)算148.1.換熱管壁溫148.2.殼體壁溫159.核算壓力降159.1.管程壓力降159.2.殼程壓力降1610.計(jì)算結(jié)果1811.重要符號(hào)說(shuō)明1912.換熱器結(jié)構(gòu)圖2013.參考文獻(xiàn)211. 引言1.1.設(shè)計(jì)題目的目的和意義通過(guò)食品工程原理

3、課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步鞏固理論教學(xué)所學(xué)過(guò)的知識(shí)，學(xué)習(xí)運(yùn)用書本知識(shí)，學(xué)會(huì)工程設(shè)備設(shè)計(jì)的基本方法和基本技能，學(xué)習(xí)各種食品工程圖表的使用方法，學(xué)習(xí)利用圖書館，和電子計(jì)算機(jī)獲取資料的方法，提高分析問(wèn)題和解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的能力。通過(guò)文件的整理過(guò)程提高文檔綜合處理能力。為畢業(yè)設(shè)計(jì)和以后的工作奠定良好的基礎(chǔ)。1.2.實(shí)習(xí)內(nèi)容和要求：1 掌握工程設(shè)計(jì)基本知識(shí)、基本方法2 學(xué)習(xí)工程常用工具書的使用方法，正確使用工程數(shù)據(jù)、圖表3 學(xué)習(xí)利用圖書館，和電子計(jì)算機(jī)獲取資料的方法4 進(jìn)一步熟練掌握物料衡算，熱量衡算的方法，提高工藝計(jì)算實(shí)際工作能力5 加強(qiáng)圖紙表達(dá)能力，和文檔能力。提高分析問(wèn)題和解決工程問(wèn)題的能力2. 設(shè)計(jì)任務(wù)書

4、2.1.題目：列管式換熱器的設(shè)計(jì)列管式超高溫瞬時(shí)滅菌機(jī)的工藝原理如圖所示：平衡罐奶泵熱交換均質(zhì)機(jī)熱交換熱交換包裝機(jī)熱交換保溫管熱交換熱交換 4 4 4 85 85原料 137回流20 20 45 112 137 包裝成品奶超高溫滅菌的工藝原理根據(jù)上述工藝流程圖，試設(shè)計(jì)超高溫瞬時(shí)滅菌機(jī)的一列管式換熱器2.2.原始數(shù)據(jù)和操作條件：試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，要求將牛奶從4升溫到85，日處理牛奶90t，加熱蒸氣入口溫度為140，則水蒸氣出口溫度為45。試設(shè)計(jì)能完成上述任務(wù)的列管式換熱器。2.3.設(shè)計(jì)任務(wù)內(nèi)容：設(shè)計(jì)計(jì)算列管式換熱器的熱負(fù)荷、傳熱面積、換熱管、冷卻水的用量、傳熱面積、管子的尺寸與排列方式的確

5、定，以及總傳熱系數(shù)和傳熱面積的校核。繪制列管式換熱器的裝配圖。編寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。2.4.換熱器設(shè)計(jì)說(shuō)明:根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)簡(jiǎn)述所沒計(jì)的設(shè)備在生產(chǎn)中的作用。畫出工藝流程示意圖。說(shuō)明選用該設(shè)備的理由、依據(jù)和優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)中遇到的特殊問(wèn)題及解決方法。在工業(yè)生產(chǎn)中，要實(shí)現(xiàn)熱量的交換，須采用一定的設(shè)備，此種交換器的設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。固定管板式換熱器主要由殼體、管束、管板、封頭和折流擋板等部件組成。分為管程和殼程兩部分。有管程和多管程，單殼程和多殼程，因此要根據(jù)物料地性質(zhì)和工藝條件來(lái)設(shè)計(jì)選用不同型號(hào)的設(shè)備，從而達(dá)到高效的目的。3. 列管式換熱器的設(shè)計(jì)流程圖根據(jù)原始數(shù)據(jù)和操作條件，設(shè)計(jì)了列管式換熱器流程圖，如下圖

6、所示： 圖1換熱器的設(shè)計(jì)流程圖4. 確定設(shè)計(jì)方案4.1.選擇換熱器的類型兩流體的溫度變化情況：冷流體的進(jìn)口溫度為4，出口溫度為85。熱流體的進(jìn)口溫度為140，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇水溫降低95，水蒸氣出口溫度為45。(140+45)/2(85+4)/2=4850從兩流體的溫度來(lái)看，由于兩流體溫差50，估計(jì)換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差不會(huì)很大，因此初步確定選用固定管板式換熱器。4.2.流體流入空間的選擇該設(shè)計(jì)任務(wù)的熱流體為水蒸氣，冷流體為牛奶，為使牛奶通過(guò)殼體壁面向空氣中吸熱，提高加熱效果，故使牛奶走殼程，另外，水也較易結(jié)垢，為便于提高流速減少污垢生成，以及便于清除污垢，使水走管程。4.3.流向的選擇

7、因工藝上無(wú)特殊要求，逆流操作有利于傳熱效果，所以選用逆流操作。4.4.確定物性數(shù)據(jù)牛奶的定性溫度： 水蒸氣的定性溫度： (表一)兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)牛奶在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)水在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度比熱容導(dǎo)熱系數(shù)粘度5. 初算傳熱面積5.1.計(jì)算熱負(fù)荷（忽略熱損失）5.2.加熱水用量（忽略熱損失）5.3.傳熱平均溫度差按逆流計(jì)算得：5.4.計(jì)算傳熱面積根據(jù)牛奶的粘度，傳熱系數(shù)k的大致范圍2，取k=1200w/則估算傳熱面積：考慮15%的面積裕度，取實(shí)際面積為估算面積的1.15倍，則實(shí)際估算面積為：6. 列管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1.選管子規(guī)格按照管子規(guī)格的選取標(biāo)準(zhǔn)3，選用25mm 2

8、.5mm的無(wú)縫鋼管，管長(zhǎng)。6.2.總管數(shù)和管程數(shù)總管數(shù)根按照單程流速的計(jì)算4：?jiǎn)纬塘魉佥^低，為提高傳熱效果考慮采用多程管。按管程流速的推薦范圍，選管程流速為，所以管程數(shù)為6.3.確定管子在管板上的排列方式因?yàn)楣艹虨殡p程，故采用組合排列法，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。管子與管板采用焊接結(jié)構(gòu)。管心距取 查表可知，隔板相鄰管心距：ac=44mm6.4.殼體的內(nèi)徑確定采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按式估算。取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為：按殼體標(biāo)準(zhǔn)圓整取 換熱器長(zhǎng)徑比 ，在范圍內(nèi)。6.5.繪管板布置圖確定實(shí)際管子數(shù)目由管板布置圖知到實(shí)際排管數(shù)為70根，扣除4根拉桿，則實(shí)際換熱管數(shù)為66根

9、。取管板厚度為40mm，設(shè)管子與管板焊接時(shí)伸出管板長(zhǎng)度為3mm，所以換熱器的實(shí)際傳熱面積：管程實(shí)際流速：6.6.折流擋板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的20，則切去圓缺高度為：因殼程為單相清潔流體，所以折流板卻口水平上下布置。缺口向上的折流板底部開一90小缺口，以便停機(jī)時(shí)排凈器內(nèi)殘液。5取折流板間距 (0.2d b0.8，所以選用單殼程可行。7.2.總傳熱系數(shù)k的計(jì)算管內(nèi)膜傳熱系數(shù)因?yàn)楣軆?nèi)流體無(wú)相變化，在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)，而且低于2倍常溫水的粘度，而且流體被加熱，所以傳熱系數(shù)公式選用：代入計(jì)算得：管外膜傳熱系數(shù)水蒸氣飽和溫度下的壓力為80kpa，查表得流體被冷卻，水蒸氣在

10、水平管外了冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)可用下列公式計(jì)算： 1-1傳熱當(dāng)量直徑的計(jì)算與管子排列方式有關(guān)。因?yàn)楣茏尤切闻帕?，所以傳熱?dāng)量直徑為1-1式中的流速u根據(jù)流體流過(guò)管間的最大截面s計(jì)算 所以殼程流通截面積：殼程流體流速：代入計(jì)算得：污垢熱阻力和管壁熱阻 管內(nèi)、外熱阻分別取9：， 。已知；取碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)?？倐鳠嵯禂?shù)k總傳熱系數(shù)k 為 7.3.傳熱面積校核 所需的傳熱面積 前已算出換熱器的實(shí)際傳熱面積，則為保證換熱器操作的可靠性，一般應(yīng)使換熱器的面積裕度大于1025。現(xiàn)在該換熱器有16的面積裕度，在1025范圍內(nèi)，能夠完成生產(chǎn)任務(wù)8. 壁溫的計(jì)算為檢驗(yàn)所選換熱器的型式是否合適，是否需要加設(shè)溫度補(bǔ)償裝置

11、等，所以要計(jì)算其壁溫。8.1.換熱管壁溫?fù)Q熱管壁溫可由下式估算。由上面計(jì)算知； 所以換熱管平均溫度為：8.2.殼體壁溫殼體壁溫的計(jì)算方法與傳熱管壁溫的計(jì)算方法類似。這里由于傳熱條件使殼體壁溫接近于介質(zhì)溫度，所以殼體壁溫可取殼程流體的平均溫度。即殼體壁溫與傳熱管壁溫之差為：9. 核算壓力降9.1.管程壓力降對(duì)于多程換熱器，其總阻力為各程直管阻力、回彎管阻力及進(jìn)出口阻力之和。相比之下，進(jìn)出口的阻力較少，一般可忽略不計(jì)。因此，管程總阻力的計(jì)算式為為管程校正系數(shù)，對(duì)252.5mm的管子取1.4為串聯(lián)的殼程數(shù) 為管程數(shù)已知：；（湍流）；對(duì)于碳鋼管，取管壁粗糙度10 由關(guān)系圖查得 所以計(jì)算得：9.2.殼程

12、壓力降由于殼程流體的流動(dòng)狀況較為復(fù)雜，計(jì)算壓力降的方法較多，用不同的公式計(jì)算結(jié)果往往偏差較大。下面選用較通用的埃索計(jì)算公式：其中 為殼程結(jié)垢校正系數(shù)，對(duì)于液體1.15管子的排列方式按正三角形 所以f0.5，折流擋板間距 b0.15m折流檔板數(shù) 19塊殼程流通截面積 殼程流速 符合公式要求所以 已知 ； ，有計(jì)算結(jié)果表明，管程和殼程的壓力降均能滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)結(jié)果為：選用固定管板式換熱器10. 計(jì)算結(jié)果 根據(jù)上述所計(jì)算的結(jié)果，匯列如下表：(表二)計(jì)算結(jié)果一覽表 參 數(shù)殼 程管 程物料名稱水牛奶進(jìn)口溫度/1404出口溫度/4585物 性定性溫度/92.544.5密度/(kg/m2 )992.21

13、023.5定壓比熱容/kj/（kg）4.1743.98熱導(dǎo)率/w/(m)0.6370.5698粘度/(pas)0.65310-32.2110-3普朗特?cái)?shù) 主要計(jì)算結(jié)果殼 程管 程流量/(kg/h)7144.989000流速/(m/s)1.980.273表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/w/( m2)1023.76壓力降/pa熱流量/w傳熱溫差/k48傳熱系數(shù)/w/( m2)裕度/14公稱壓力/mpa1.6參 數(shù)管 程殼 程設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm300殼程數(shù)1管徑/mm252.5管心距/mm32管長(zhǎng)/mm3000管子排列正三角形管數(shù)目/根57折流板數(shù)/個(gè)39傳熱面積/m227.3折流板間距/

14、mm150管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼材質(zhì)碳鋼折流板高度/mm85管板利用率0.8管板厚度mm40材質(zhì)碳鋼11. 重要符號(hào)說(shuō)明文章涉及到的重要符號(hào)說(shuō)明如下：（表三）重要符號(hào)說(shuō)明符號(hào)意義單位t溫度q熱負(fù)荷wq質(zhì)量流量kg/sc定壓比熱容j/（kg）a面積m2管長(zhǎng)mmk傳熱系數(shù)w/( m2)u流體流速m/sa管心距mmd殼體內(nèi)徑mmh切去圓缺高度mm折流板數(shù)塊b相鄰折流板間距mm對(duì)流傳熱膜系數(shù)w/( m2)流體導(dǎo)熱系數(shù)w/( m)管外徑mm管內(nèi)徑mm當(dāng)量直徑mmr污垢熱阻( m2)/w12. 換熱器結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計(jì)出的換熱器結(jié)構(gòu)如下圖： 13. 參考文獻(xiàn)1劉光啟.馬連湘.劉杰 2匡國(guó)柱，史啟才主編化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)化學(xué)工業(yè)出版社，2002-1（1）3錢頌文主編換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)化學(xué)工業(yè)出版社，2002-8（1）4王明輝主編化工單元過(guò)程設(shè)課程設(shè)計(jì)化學(xué)工業(yè)出版社，2002-6（1）5匡國(guó)柱，史啟才主編