列管式换热器

1、轻工食品学院食品工程原理课程设计列管式换热器的设计班级食品081姓名谢兰方学号200810714129指导教师张宏康提交日期2010-12-302目录目录1.引言31.1.设计题目的目的和意义31.2.实习内容和要求：32.设计任务书42.1.题目：列管式换热器的设计42.2.原始数据和操作条件：42.3.设计任务内容：42.4.换热器设计说明:43.列管式换热器的设计流程图54.确定设计方案64.1.选择换热器的类型64.2.流体流入空间的选择64.3.流向的选择64.4.确定物性数据65.初算传热面积85.1.计算热负荷（忽略热损失）85.2.加热水用量（忽略热损失）85.3.传热平均温度

2、差85.4.计算传热面积86.列管换热器结构设计86.1.选管子规格86.2.总管数和管程数86.3.确定管子在管板上的排列方式96.4.壳体的内径确定96.5.绘管板布置图确定实际管子数目96.6.折流挡板106.7.其他附件106.8.接管117.传热面积校核117.1.传热温度差的校核127.2.总传热系数k的计算127.3.传热面积校核148.壁温的计算148.1.换热管壁温148.2.壳体壁温159.核算压力降159.1.管程压力降159.2.壳程压力降1610.计算结果1811.重要符号说明1912.换热器结构图2013.参考文献21引言1. 引言1.1.设计题目的目的和意义通过食

3、品工程原理课程设计，进一步巩固理论教学所学过的知识，学习运用书本知识，学会工程设备设计的基本方法和基本技能，学习各种食品工程图表的使用方法，学习利用图书馆，和电子计算机获取资料的方法，提高分析问题和解决工程设计问题的能力。通过文件的整理过程提高文档综合处理能力。为毕业设计和以后的工作奠定良好的基础。1.2.实习内容和要求：1 掌握工程设计基本知识、基本方法2 学习工程常用工具书的使用方法，正确使用工程数据、图表3 学习利用图书馆，和电子计算机获取资料的方法4 进一步熟练掌握物料衡算，热量衡算的方法，提高工艺计算实际工作能力5 加强图纸表达能力，和文档能力。提高分析问题和解决工程问题的能力21列

4、管式换热器2. 设计任务书2.1.题目：列管式换热器的设计列管式超高温瞬时灭菌机的工艺原理如图所示：平衡罐奶泵热交换均质机热交换热交换包装机热交换保温管热交换热交换 4 4 4 85 85原料 137回流20 20 45 112 137 包装成品奶超高温灭菌的工艺原理根据上述工艺流程图，试设计超高温瞬时灭菌机的一列管式换热器2.2.原始数据和操作条件：试设计一台列管式换热器，要求将牛奶从4升温到85，日处理牛奶90t，加热蒸气入口温度为140，则水蒸气出口温度为45。试设计能完成上述任务的列管式换热器。2.3.设计任务内容：设计计算列管式换热器的热负荷、传热面积、换热管、冷却水的用量、传热面积

5、、管子的尺寸与排列方式的确定，以及总传热系数和传热面积的校核。绘制列管式换热器的装配图。编写课程设计说明书。2.4.换热器设计说明:根据设计任务简述所没计的设备在生产中的作用。画出工艺流程示意图。说明选用该设备的理由、依据和优缺点。设计中遇到的特殊问题及解决方法。在工业生产中，要实现热量的交换，须采用一定的设备，此种交换器的设备统称为换热器。固定管板式换热器主要由壳体、管束、管板、封头和折流挡板等部件组成。分为管程和壳程两部分。有管程和多管程，单壳程和多壳程，因此要根据物料地性质和工艺条件来设计选用不同型号的设备，从而达到高效的目的。3. 列管式换热器的设计流程图根据原始数据和操作条件，设计了

6、列管式换热器流程图，如下图所示： 图1换热器的设计流程图4. 确定设计方案4.1.选择换热器的类型两流体的温度变化情况：冷流体的进口温度为4，出口温度为85。热流体的进口温度为140，根据经验，选择水温降低95，水蒸气出口温度为45。(140+45)/2(85+4)/2=4850从两流体的温度来看，由于两流体温差50，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。4.2.流体流入空间的选择该设计任务的热流体为水蒸气，冷流体为牛奶，为使牛奶通过壳体壁面向空气中吸热，提高加热效果，故使牛奶走壳程，另外，水也较易结垢，为便于提高流速减少污垢生成，以及便于清除污垢，使水

7、走管程。4.3.流向的选择因工艺上无特殊要求，逆流操作有利于传热效果，所以选用逆流操作。4.4.确定物性数据牛奶的定性温度： 水蒸气的定性温度： (表一)两流体在定性温度下的物性数据牛奶在定性温度下的物性数据水在定性温度下的物性数据：密度比热容导热系数粘度列管式换热器5. 初算传热面积5.1.计算热负荷（忽略热损失）5.2.加热水用量（忽略热损失）5.3.传热平均温度差按逆流计算得：5.4.计算传热面积根据牛奶的粘度，传热系数k的大致范围2，取k=1200w/则估算传热面积：考虑15%的面积裕度，取实际面积为估算面积的1.15倍，则实际估算面积为：6. 列管换热器结构设计6.1.选管子规格按照

8、管子规格的选取标准3，选用25mm 2.5mm的无缝钢管，管长。6.2.总管数和管程数总管数根按照单程流速的计算4：单程流速较低，为提高传热效果考虑采用多程管。按管程流速的推荐范围，选管程流速为，所以管程数为6.3.确定管子在管板上的排列方式因为管程为双程，故采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。管子与管板采用焊接结构。管心距取 查表可知，隔板相邻管心距：ac=44mm6.4.壳体的内径确定采用多管程结构，壳体内径可按式估算。取管板利用率，则壳体内径为：按壳体标准圆整取 换热器长径比 ，在范围内。6.5.绘管板布置图确定实际管子数目由管板布置图知到实际排管数为70根

9、，扣除4根拉杆，则实际换热管数为66根。取管板厚度为40mm，设管子与管板焊接时伸出管板长度为3mm，所以换热器的实际传热面积：管程实际流速：6.6.折流挡板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20，则切去圆缺高度为：因壳程为单相清洁流体，所以折流板却口水平上下布置。缺口向上的折流板底部开一90小缺口，以便停机时排净器内残液。5取折流板间距 (0.2d b0.8，所以选用单壳程可行。7.2.总传热系数k的计算管内膜传热系数因为管内流体无相变化，在圆形直管内作强制湍流时，而且低于2倍常温水的粘度，而且流体被加热，所以传热系数公式选用：代入计算得：管外膜传热系数水蒸气饱和温度下的压力为

10、80kpa，查表得流体被冷却，水蒸气在水平管外了冷凝的对流传热系数可用下列公式计算： 1-1传热当量直径的计算与管子排列方式有关。因为管子三角形排列，所以传热当量直径为1-1式中的流速u根据流体流过管间的最大截面s计算 所以壳程流通截面积：壳程流体流速：代入计算得：污垢热阻力和管壁热阻 管内、外热阻分别取9：， 。已知；取碳钢导热系数。总传热系数k总传热系数k 为 7.3.传热面积校核 所需的传热面积 前已算出换热器的实际传热面积，则为保证换热器操作的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于1025。现在该换热器有16的面积裕度，在1025范围内，能够完成生产任务8. 壁温的计算为检验所选换热器的

11、型式是否合适，是否需要加设温度补偿装置等，所以要计算其壁温。8.1.换热管壁温换热管壁温可由下式估算。由上面计算知； 所以换热管平均温度为：8.2.壳体壁温壳体壁温的计算方法与传热管壁温的计算方法类似。这里由于传热条件使壳体壁温接近于介质温度，所以壳体壁温可取壳程流体的平均温度。即壳体壁温与传热管壁温之差为：9. 核算压力降9.1.管程压力降对于多程换热器，其总阻力为各程直管阻力、回弯管阻力及进出口阻力之和。相比之下，进出口的阻力较少，一般可忽略不计。因此，管程总阻力的计算式为为管程校正系数，对252.5mm的管子取1.4为串联的壳程数 为管程数已知：；（湍流）；对于碳钢管，取管壁粗糙度10

12、由关系图查得 所以计算得：9.2.壳程压力降由于壳程流体的流动状况较为复杂，计算压力降的方法较多，用不同的公式计算结果往往偏差较大。下面选用较通用的埃索计算公式：其中 为壳程结垢校正系数，对于液体1.15管子的排列方式按正三角形 所以f0.5，折流挡板间距 b0.15m折流档板数 19块壳程流通截面积 壳程流速 符合公式要求所以 已知 ； ，有计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计要求。设计结果为：选用固定管板式换热器10. 计算结果 根据上述所计算的结果，汇列如下表：(表二)计算结果一览表 参 数壳 程管 程物料名称水牛奶进口温度/1404出口温度/4585物 性定性温度/92.544

13、.5密度/(kg/m2 )992.21023.5定压比热容/kj/（kg）4.1743.98热导率/w/(m)0.6370.5698粘度/(pas)0.65310-32.2110-3普朗特数 主要计算结果壳 程管 程流量/(kg/h)7144.989000流速/(m/s)1.980.273表面传热系数/w/( m2)1023.76压力降/pa热流量/w传热温差/k48传热系数/w/( m2)裕度/14公称压力/mpa1.6参 数管 程壳 程设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm300壳程数1管径/mm252.5管心距/mm32管长/mm3000管子排列正三角形管数目/根57折流板数/个

14、39传热面积/m227.3折流板间距/mm150管程数2材质碳钢材质碳钢折流板高度/mm85管板利用率0.8管板厚度mm40材质碳钢11. 重要符号说明文章涉及到的重要符号说明如下：（表三）重要符号说明符号意义单位t温度q热负荷wq质量流量kg/sc定压比热容j/（kg）a面积m2管长mmk传热系数w/( m2)u流体流速m/sa管心距mmd壳体内径mmh切去圆缺高度mm折流板数块b相邻折流板间距mm对流传热膜系数w/( m2)流体导热系数w/( m)管外径mm管内径mm当量直径mmr污垢热阻( m2)/w列管式换热器12. 换热器结构图 设计出的换热器结构如下图： 参考文献13. 参考文献1刘光启.马连湘.刘杰 2匡国柱，史启才主编化工单元过程及设备课程设计化学工业出版社，2002-1（1）3钱颂文主编换热器设计手册化学工业出版社，2002-8（1）4王明辉主编化工单元过程设课程设计化学工业出版社，2002-6（1）5匡国柱，史启才主