換熱器設計案例

1、換熱器設計說明書一、設計任務設計基本參數(shù)處理能力：5000kg/h設備型式：列管式換熱器操作條件：冷卻介質：水入口溫度：10，出口溫度：17；果漿： 入口溫度：80，出口溫度：20。二、設計方案簡介2.換熱器類型選擇按照設計任務書的要求，冷卻介質：水入口溫度：10，出口溫度：17；果漿： 入口溫度：80，出口溫度：20。鑒于要冷卻的材料是果漿，流體壓力不大，溫度變化為8020，管程與殼程的溫度差較大（相差50以上），加上考慮清洗要求高等因素，本次設計我決定采用浮頭式換熱器。浮頭式換熱器的結構如下圖所示。這種換熱器有一端的管板不與殼體相連，可沿管長方向自由伸縮，即具有浮頭結構，當殼體與管束的熱膨

2、脹不一致時，管束連同浮頭可在殼體內軸向上自由伸縮。這種結構不但徹底消除熱應力，而且整個管束可以從殼體中抽出，便與管內管間的清洗，維修。因此，用材量大，造價高，結構復雜，但應用仍十分廣泛?？紤]到水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下，綜合考慮以上標準，確定果漿應走管程，水走殼程。由于果汁有弱酸性，又因不銹鋼管較碳鋼管有較好的抗酸腐蝕性，故選用的不銹鋼管。由于增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。查閱資料管程一般液體流

3、速0.5-3m/s，易結垢液體1m/s。故擬取流速為2m/s。三、工藝及設備設計計算3.1確定設計方案3.1.1換熱器類型 浮頭式換熱器3.1.2流體流動形式為了增大平均溫差，節(jié)省操作費用，本次設計采用逆流的流動方式。3.2確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：對于一般液體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進、出口溫度的平均 值。 故：果漿的定性溫度為 水的定性溫度為 t = 果漿在50下的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度 ： = 1058 kg/定壓比熱容： Cpo =3584 J/(kg)導熱系數(shù) ： =0.61 W/(m)0m黏度 ： = 210-3 Pas水在13.5下的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 ： = 9

4、99.7 kg/ 定壓比熱容：Cpi= 4191 J/(kg) 導熱系數(shù) ： = 0.58 W/(m)黏度 ： = 1.210-3 Pas3.3計算總傳熱系數(shù)3.3.1熱負荷3.3.2平均傳熱溫差所以=28.8（）3.3.3水用量3.3.4總傳熱系數(shù)K（1）管程傳熱系數(shù)：4000 (湍流區(qū)) 對流傳熱系數(shù)： （2）殼程傳熱系數(shù)：假設殼程的傳熱系數(shù) W/() 污垢熱阻 Rso=0.0003(m)/W Rsi=0.0002(m)/W 管壁的導熱系數(shù) =17.4W/(m) 3.4計算換熱面積 考慮15%的面積裕度：3.5工藝尺寸計算3.5.1 管徑和流速取的不銹鋼管,流速u=2m/s.3.5.2 管

5、程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)（根）按單管程計算，所需的傳熱管長度為：傳熱管長： 按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)本設計的實際情況，現(xiàn)取傳熱管長l=3m，則該換熱器的管程數(shù)為:管程數(shù)：總根數(shù)：因此此換熱器采用單殼程，6管程的結構3.5.3傳熱管排列和分程方法浮頭式換熱器為了清洗方便，采用正方形錯列排列方法。取管心距橫過管束中心線管數(shù)：3.5.4殼體內徑的確定采用多管程結構，取管板利用率=0.7，則殼體內徑為：根據(jù)標準可取D=450mm。3.5.5.折流板弓形折流板高度為殼體內徑的25%，則切去圓缺的高度為：取h=110mm折流擋板間距： 取B=100mm折流

6、擋板數(shù)目：3.5.6.接管管程流體進出口接管為：，則接管內徑為：圓整后可取管內徑為：30mm殼程流體進出口接管取接管內液體流速為：圓整后可取管內徑為：100mm四、換熱器核算4.1熱量核算4.1.1傳熱溫度差校正平均傳熱溫差校正系數(shù)：R=8.57 P=按單殼程，6管程結構，查溫差校正系數(shù)表，用代替R，用PR代替P,查表得：，平均傳熱溫差4.2總傳熱系數(shù)K的計算4.2.1殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板,可采用克恩公式： 當量直徑，由正方形排列得： 殼程流通截面積：取折流板間距B=0.10m，D=0.40m殼程流體流速： 雷諾數(shù)：普蘭特數(shù)：流體被冷卻，黏度校正（）0.954.2.2.管程對流傳熱系

7、數(shù) （n值當流體被加熱時取0.4，被冷卻時取0.3）管程流體流通截面積：管程流體流速：雷諾數(shù)：4000普蘭特數(shù)： 4.2.3.污垢熱阻和管壁熱阻 查表知管內側污垢熱阻：Rso=0.000344(m2)/W Rsi=0.000172(m2)/W管壁的導熱系數(shù)： =17.4W/(m)4.2.4.總傳熱系數(shù)K的計算 4.3傳熱面積校核所需傳熱面積換熱器實際傳熱面積：傳熱面積裕度：H=該換熱器的面積裕度在10-25之間，則所設計換熱器能夠完成生產任務。五、換熱器結果總匯表參數(shù)管程（果漿）殼程（水）流率/(Kg/h)500042860進（出）口溫度/80（20）10（17）物性定性溫度/5013.5密度

8、/(kg/m3)1058999.7定壓比熱容/kJ/(Kg)3.5844.191黏度/Pas210-31.210-3熱導率/W/(m0.610.58普朗特數(shù)8.6711.75設備結構參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內徑/mm426臺數(shù)1管徑/mm252管心距/mm32管長/mm3000管子排列正方形管數(shù)目/根108折流板數(shù)/個29傳熱面積/m222.37折流板間距/mm100管程數(shù)6材質不銹鋼主要涉及結果管程殼程流速/(m/s)1.910.15表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/(m21463.955048.87污垢熱阻/(m2)/W0.0001720.00052熱流量/Kw298.67傳熱溫差/26.29傳熱系數(shù)/

9、W/(m2627.70裕度1.191六、設計評述通過本次的課程設計，使我對換熱器的結構和工作原理有了進一步的理解。并在設計過程中掌握了一定的工藝計算方法。同時，也讓我更深刻的了解到全局觀念的重要性。在設計換熱器時：首先要根據(jù)任務要求選擇合適的換熱器形式。通過對設計參數(shù)的核算，固定管板式和浮頭式換熱器能夠滿足本次設計的基本需求。浮頭式換熱器雖然是從性能各方面看都是本次設計理想的換熱器，但是對于同樣能滿足需求的兩個換熱器來說，固定管板式換熱器成本相對較低，結構簡單，易于維修和清洗。所以綜合考慮設計參數(shù)、經濟等方面條件后，我最終選擇了固定管板式換熱器。其次，要選擇合適的流體流徑。根據(jù)選擇的主要因素分

10、析，有好多理論相互之間是矛盾的，并不能使條件一一滿足。所以要抓住主要矛盾，依據(jù)傳熱效果好，清洗方便等具體情況分析，最終選擇了水走殼程，果漿走管程?？紤]到果漿產品的衛(wèi)生要求，為減少果漿的污染，換熱器材質選用不銹鋼材料。每程內都采用正方形排列，正方形排列便于機械清洗。本設計所有參數(shù)經反復核算，保證各參數(shù)均在設計要求之內，準確可行。七、參考資料1.天津大學化工原理教研室.化工原理課程設計.化工出版社,1997,第一版2.聶清德.化工設備計算.化工出版社,1991,第一版3.馮骉.食品工程原理.中國輕工業(yè)出版社,2007,第一版4.許學勤.食品工廠機械與設備.中國輕工業(yè)出版社,2008,第一版5.楊祖榮.化工原理.化學工業(yè)出版社,2009,第二版八、主要符號說明符號意義及單位符號意義及單位B折流板間距，mP壓力，PaCp熱容，kJ/(kg)Pr普蘭特準數(shù)d管徑，mq熱通量，W/m2D換熱器外殼內徑，mQ傳熱速率，Wf摩擦系數(shù)r半徑，mF系數(shù)R熱阻，m2/Wh圓缺高度，mRe雷諾數(shù)K總傳熱系數(shù)，W/(m2)S傳熱面積，m2L管長，mqm質量流量，m3/sA流通截面積，m2RS污垢熱阻，m2/WN管數(shù)對流傳熱系數(shù)，W/(m2)；Np管程數(shù)有限差值NB折流板