换热器设计案例

1、一、设计任务设计基本参数处理能力：5000kg/h设备型式：列管式换热器操作条件：冷却介质：水入口温度：10，出口温度：17；果浆： 入口温度：80，出口温度：20。二、设计方案简介2.换热器类型选择按照设计任务书的要求，冷却介质：水入口温度：10，出口温度：17；果浆： 入口温度：80，出口温度：20。鉴于要冷却的材料是果浆，流体压力不大，温度变化为8020，管程与壳程的温度差较大（相差50以上），加上考虑清洗要求高等因素，本次设计我决定采用浮头式换热器。浮头式换热器的结构如下图所示。这种换热器有一端的管板不与壳体相连，可沿管长方向自由伸缩，即具有浮头结构，当壳体与管束的热膨胀不一致时，管束

2、连同浮头可在壳体内轴向上自由伸缩。这种结构不但彻底消除热应力，而且整个管束可以从壳体中抽出，便与管内管间的清洗，维修。因此，用材量大，造价高，结构复杂，但应用仍十分广泛。考虑到水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下，综合考虑以上标准，确定果浆应走管程，水走壳程。由于果汁有弱酸性，又因不锈钢管较碳钢管有较好的抗酸腐蚀性，故选用的不锈钢管。由于增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。查阅资料管程一般液体流速0.5-3m/

3、s，易结垢液体>1m/s。故拟取流速为2m/s。三、工艺及设备设计计算3.1确定设计方案换热器类型 浮头式换热器流体流动形式为了增大平均温差，节省操作费用，本次设计采用逆流的流动方式。3.2确定物性数据 定性温度：对于一般液体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进、出口温度的平均 值。 故：果浆的定性温度为 水的定性温度为 t = 果浆在50下的有关物性数据如下：密度 ： = 1058 kg/定压比热容： Cpo =3584 J/(kg·)导热系数 ： =0.61 W/(m·)0m黏度 ： = 2×10-3 Pa·s水在13.5下的有关物性数据如下

4、： 密度 ： = 999.7 kg/ 定压比热容：Cpi= 4191 J/(kg·) 导热系数 ： = 0.58 W/(m·)黏度 ： = 1.2×10-3 Pa·s3.3计算总传热系数热负荷平均传热温差所以=28.8（）水用量总传热系数K（1）管程传热系数：>4000 (湍流区) 对流传热系数： （2）壳程传热系数：假设壳程的传热系数 W/(·) 污垢热阻 Rso=0.0003(m·)/W Rsi=0.0002(m·)/W 管壁的导热系数 =17.4W/(m·) 3.4计算换热面积 考虑15%的面积裕度：3

5、.5工艺尺寸计算3.5.1 管径和流速取的不锈钢管,流速u=2m/s.3.5.2 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（根）按单管程计算，所需的传热管长度为：传热管长： 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计的实际情况，现取传热管长l=3m，则该换热器的管程数为:管程数：总根数：因此此换热器采用单壳程，6管程的结构3.5.3传热管排列和分程方法浮头式换热器为了清洗方便，采用正方形错列排列方法。取管心距横过管束中心线管数：3.5.4壳体内径的确定采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为：根据标准可取D=450mm。3.5.5.折流板弓形折流板高度为壳体内

6、径的25%，则切去圆缺的高度为：取h=110mm折流挡板间距： 取B=100mm折流挡板数目：.接管管程流体进出口接管为：，则接管内径为：圆整后可取管内径为：30mm壳程流体进出口接管取接管内液体流速为：圆整后可取管内径为：100mm四、换热器核算4.1热量核算4.1.1传热温度差校正平均传热温差校正系数：R=8.57 P=按单壳程，6管程结构，查温差校正系数表，用代替R，用PR代替P,查表得：，平均传热温差4.2总传热系数K的计算壳程对流传热系数对圆缺形折流板,可采用克恩公式： 当量直径，由正方形排列得： 壳程流通截面积：取折流板间距B=0.10m，D=0.40m壳程流体流速： 雷诺数：普兰

7、特数：流体被冷却，黏度校正（）0.954.2.2.管程对流传热系数 （n值当流体被加热时取0.4，被冷却时取0.3）管程流体流通截面积：管程流体流速：雷诺数：>4000普兰特数： 4.2.3.污垢热阻和管壁热阻 查表知管内侧污垢热阻：Rso=0.000344(m2·)/W Rsi=0.000172(m2·)/W管壁的导热系数： =17.4W/(m·)4.2.4.总传热系数K的计算 4.3传热面积校核所需传热面积换热器实际传热面积：传热面积裕度：H=该换热器的面积裕度在10-25之间，则所设计换热器能够完成生产任务。五、换热器结果总汇表参数管程（果浆）壳程（水

8、）流率/(Kg/h)500042860进（出）口温度/80（20）10（17）物性定性温度/5013.5密度/(kg/m3)1058999.7定压比热容/kJ/(Kg·)3.5844.191黏度/Pa·s2×10-31.2×10-3热导率/W/(m·0.610.58普朗特数8.6711.75设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/mm426台数1管径/mm25×2管心距/mm32管长/mm3000管子排列正方形管数目/根108折流板数/个29传热面积/m222.37折流板间距/mm100管程数6材质不锈钢主要涉及结果管程壳程流速/(m

9、/s)1.910.15表面传热系数/W/(m2·1463.955048.87污垢热阻/(m2·)/W0.0001720.00052热流量/Kw298.67传热温差/26.29传热系数/W/(m2·627.70裕度1.191六、设计评述通过本次的课程设计，使我对换热器的结构和工作原理有了进一步的理解。并在设计过程中掌握了一定的工艺计算方法。同时，也让我更深刻的了解到全局观念的重要性。在设计换热器时：首先要根据任务要求选择合适的换热器形式。通过对设计参数的核算，固定管板式和浮头式换热器能够满足本次设计的基本需求。浮头式换热器虽然是从性能各方面看都是本次设计理想的换热器

10、，但是对于同样能满足需求的两个换热器来说，固定管板式换热器成本相对较低，结构简单，易于维修和清洗。所以综合考虑设计参数、经济等方面条件后，我最终选择了固定管板式换热器。其次，要选择合适的流体流径。根据选择的主要因素分析，有好多理论相互之间是矛盾的，并不能使条件一一满足。所以要抓住主要矛盾，依据传热效果好，清洗方便等具体情况分析，最终选择了水走壳程，果浆走管程。考虑到果浆产品的卫生要求，为减少果浆的污染，换热器材质选用不锈钢材料。每程内都采用正方形排列，正方形排列便于机械清洗。本设计所有参数经反复核算，保证各参数均在设计要求之内，准确可行。七、参考资料1.天津大学化工原理教研室.化工原理课程设计

11、.化工出版社,1997,第一版2.聂清德.化工设备计算.化工出版社,1991,第一版3.冯骉.食品工程原理.中国轻工业出版社,2007,第一版4.许学勤.食品工厂机械与设备.中国轻工业出版社,2008,第一版5.杨祖荣.化工原理.化学工业出版社,2009,第二版八、主要符号说明符号意义及单位符号意义及单位B折流板间距，mP压力，PaCp热容，kJ/(kg·)Pr普兰特准数d管径，mq热通量，W/m2D换热器外壳内径，mQ传热速率，Wf摩擦系数r半径，mF系数R热阻，m2·/Wh圆缺高度，mRe雷诺数K总传热系数，W/(m2·)S传热面积，m2L管长，mqm质量流量，m3/sA流通截面积，m2RS污垢热阻，m2·/WN管数对流传热系数，W/(m2·)；