列管式换热器的设计学生作品

1、附件二食品工程原理课程设计列管式换热器的设计姓 名 叶阳学号： 20021204024 班级 02 级食科（ 4）班2005 年 1 月 10 日目录一、设计意义 3二、主要参数说明 4三、设计计算 51、确定设计方案 52、确定物性数据 53、计算总传热系数 64、计算传热面积 75、工艺结构尺寸 76、换热器核算 91）、热量核算 92）、换热器内流体的流动阻力 103）、换热器主要结构尺寸和计算结果总表 12灭菌后的牛奶在冷却过程中列管式换热器的设计设计意义：该过程需采用冷却换热装置。 随着我国工业的发展，对能源 利用、开发和节约的要求不断提高。为了有效地使用能源，降低 生产成本，应根据

2、工艺要求选择适用的换热器类型，然后计算换热所需换热面积，并确定换热器的结构尺寸。列管式换热器的应用已有悠久的历史。它的设计和分析包括 热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。不仅在设计一台 新的换热器时需要进行列管式换热器的设计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足要求时，均需进行这方面的工作。所以，列管式换热器的设计在今天仍有广泛 的实践指导意义。主要参数说明冷盐水的密度冷盐水的定压比热容Cpi冷盐水的导热系数/-i冷盐水的粘度片牛奶的密度牛奶的定压比热容CPo牛奶的导热系数 o牛奶的粘度Jo热流量Q平均传热温差心总传热系数K传热面积S壳体内径D折流板间距B管径d流

3、体流速u雷诺数Re普兰特准数Pr阻力P设计过程：在灭菌后牛奶的冷却过程中，牛奶由66oC降至4oC，牛奶流量为5000kg h，压力为0.5MPa。该过程采用浓度很稀的冷盐水冷却（因此冷盐水的相关物性数据可参考水的物性数据）。冷盐水入口温度为0oC，出口温度10oC。试设计一台列管式换热器，完成该生 产任务。设计计算：（一）、确定设计方案1、选择换热器类型两流体温度变化情况：热流体进口温度66oC，出口温度4oC ;冷流体进口温度0oC， 出口温度10oC。考虑到该换热器的管壁温和壳体壁温相差较大，因此初步确定选用带膨胀 节的固定管板式换热器。2、流动空间及流速的确定由于冷盐水较易结垢，为便于

4、清洗，另外，粘度大的流体（牛奶）宜于通入管间空间，所以应使冷盐水走管程， 牛奶走壳程。选用 25 2.5mm的碳钢管。管内流速取ui = 1m s。（二）、确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值。 管程冷盐水的定性温度为T=0±® = 5OC2壳程牛奶的定性温度为66+4= 35oC根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。冷盐水在5oC的有关物性数据如下:密度叫=999.8kg. m3定压比热容Cpi=4200kJ. kg k导热系数=0.562W m k粘度亠=0.00154* s牛奶在35oC下的物性数据如下:密度定压比热容导热系数粘度©

5、=1030kg m3Cp°=3770J. kg ko= 0.61W. m kJo = 0.00212ma s（三）、计算总传热系数1、热流量Qo= moCp°.：t。= 5000 377066-4 = 1.17 106 kJ h = 324.6kW2、平均传热温差-'：t m =加1 加2(6610 -(40L19.7oC6610 In 403、冷却冷盐水用量QoWi =CpQtj 4.20x(10 0)117000=27857kgh4、总传热系数K管程传热系数d u PRe=i0.02 1 999.8=129840.00154i0.8:i = 0.023- Red

6、i-.0.4CPi叮:i =0.023 0562 129840.80.020壳程传热系数,0.44200 0.001540.562 丿=3354W m2假设壳程的传热系数为：o = 1200W m2 k污垢热阻Rsi = 0.000172m2 kWRso=0.000172m2 kW管壁的导热系数 =45W. m kdo:idi+ Rsidodibdo'd m+ Rso+1：o0.025+ 0.000172 x 3354 0.02010.025 丄 0.0025 0.025 丄+ 0.000172 +0.02045 0.022511200=604.3W m2 k（四）计算传热面积s =亠

7、=246_K：tm604.3 19.7=27.3m2考虑15%的面积裕度S=1.15 S =1.15 27.3= 31.36m2（五）工艺结构尺寸1、管径和管内流速选用 25 2.5mm传热管（碳钢）。管内流速取ui=1 m s。2、管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数。V= 27857A9"Bx3600）=246 圖25根0.785 0.022 1ns=2di u4按单程管计算，所需的传热管长度为SL =15.98m二dons3.14 0.025 2531.36按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 管程数为L 15.98Np=4管程p l 6传

8、热管总根数为则该换热器N= 25 4=100根3、平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R=心=62 =6.210-010P=0.15660按单壳程、四管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得：=0.83平均换热温差：tm= 厂：-tm =0.83 19.7=16.4°C4、传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25do。则t=1.25 25=31.25 32mm横过管束中心线的管数nc=1.19 N=1.19.100=11.9 12根5、壳体内径采用多管程结构。取管板利用率=0.6。则壳体内径为D =1.05t

9、.厂=1.05 32100 0.6= 433.8mm圆整可取D = 450mm。6、折流板采用弓形折流板。取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%。则切去的圆缺高度为h=0.25 450=112.5mm。故可取 h=110mm。取折流板间距B=0.3D，贝UB = 0.3 45C=135mm。故可取 B=150mm。折流板数B i折流板间距丿1150 丿折流板圆缺面水平装配。7、接管壳程流体进出口接管。取接管内牛奶流速为2 m s。则接管内径为取标准管径30mm。管程流体进出口接管。取接管内冷盐水流速为u=1.5m s。则接管内径为4 27857 "9.8 3600 =0.081mm3

10、.14 1.5取标准管径80mm 。(六)、换热器核算1、热量核算(1 )、壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式:_ 1 e0.553：o= 0.36- Re。Pr3deo.14当量直径，由正三角形排列得3 2 二2、4 t -do )d =244( 0.0322-0.785 0.0252)2= 0.020m壳程流通截面积do3.14 0.025So= BD (1 -虫)=0.15 0.45 (1-)= 0.01476mt0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为uo= 5000(3600030)=0.0914ms0.01476Reo =亠=O'020 O'0914 10

11、30 =888.1Jo0.00212普兰特准数Pr=沁3770 0.°0212 =13.100.610.14粘度校正ao=0 36 況汇888.10.55 x 13.103 = 1083w(m2 k)0.02(2)、管程对流传热系数i0.80.4-：» = 0.023- Re Prdi管程流通截面积2 100 2S=0.785疋0.022 沃一=0.00785m2管程流体流速Ui- 27857上60L9998 -0.986ms0.00785Re duPi = 0.02x0.986x999.8 12803°叫=0.00154普兰特准数Pr= Cp = 4200 汇

12、0.00154 =11.51 打0.562:i = 0.0232 1280308 11.5104=3317W (m2 k)0.02(3 )、传热系数KK -电+ Rq玉+处+ R+丄:ididi dm： o0 +0.000172 整+ °.°025 °.°25+0.0001720.02045汉 0.02253317 0.02011083= 571.8W m2 k(4 )、传热面积S324600o QSK：tm571.8 16.4=34.6m2该换热器的实际传热面积SpSp=：doLN - nc = 3.14 0.025 (6 -0.06) (100 -1

13、2) = 41.0m2该换热器的面积裕度为H = SPS 100%= 41.0一 34.6 =18.5%S34.6传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2、换热器内流体的流动阻力1)、管程流动阻力'DR =F1NsNpNs=1Np = 4F1 =1.4：u2由Re=12803,传热管相对粗糙度为 0.01 =0.005。查莫狄图，得20扎=0.041W/(m .k), 流速 比=0.986m/'s,所以7999.8kg m32cc 一 6999.8 汉 0.986= 0.041 -0.02 2= 5977.8Pa2999.8 0.9862= 1458.0Paz 也P =(

14、5977.8+1458.0) >d.4>d4 = 41640Pac0.5P管程流动阻力在允许范围之内。(2)、壳程阻力、：Po=( ：R：P2) FtNsFt=1Ns=1流体流经管束的阻力二 Ff。nc(NB + 1):ufonc =12NB =39u。二 0.0914 m sF =0.50.228 0.228=5 Re。5 888.11.0635P =0.5 1.0635 12 (39 1) 1030 ：.°914 = 1098Pa流体流过折流板缺口的阻力P2 = Nb(3.52B、'u。2 云)B = 0.15m D = 0.45m=39 (3.52 0.150.4521030 0.09142-475.4Pa、 Po=1098+ 475.4=1573.4Pa ： 10KPa壳程流动阻力也比较适宜。3、换热器主要结构尺寸和计算结果如下表:换热管型式：固定管板式换热面积：41.0 m2工艺参数名称管程壳程物料名称冷盐水牛奶操作压力Mpa0.60.5操作温度，C010664流里，kg/h278575000