换热器设计说明书

1512-换热器的设计目录一、设计任务 3二、概述与设计方案简介 42.1概述 42.2.1换热器类型及特点 42.2设计方案简介 42.2.1换热器设计的基本要求 42.2.2换热器类型选择 4三、工艺及设备设计计算....................................................53.1确定设计方案 53.1.1换热器类型 53.1.2流体流动形式 53.2确定物性数据 53.3计算总传热系数 63.3.1热负荷 63.3.2平均传热温差 63.3.3水用量 63.3.4总传热系数K 63.4计算换热面积 73.5工艺尺寸计算 73.5.1管径和流速 73.5.2管程数和传热管数 73.5.3传热管排列和分程方法 73.5.4壳体内径的确定 83.5.5折流板 8四、换热器核算 84.1热量核算84.1.1传热温度差校正 84.2总传热系数K的计算 94.2.1壳程对流传热系数94.2.2管程对流传热系数94.2.3污垢热阻和管壁热阻104.2.4总传热系数K的计算10五、换热器结果总汇表 10六、设计评述 11七、参考资料 11八、主要符号说明 12九、致谢 12一、设计任务姓学生名班级指导教师题目换热器的设计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℃；果汁：入口温度：80℃，出口温度：20℃。设计要求及内容1、设计方案简介对给定或选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要论述。2、主要设备的工艺设计计算物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。3、辅助设备的选型典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备规格型号的选定。4、编写设计说明书将设计所选定的工艺流程方案、主要步骤及计算结果汇集成工艺设计说明书。应采用简练、准确的文字图表，实事求是地介绍设计计算过程和结果。设计说明书要求在6000字以上，A4纸打印。设计说明书内容：封面（课程设计题目、学生班级、姓名、指导教师、时间）目录设计任务书概述与设计方案简介工艺及设备设计计算辅助设备的计算机选型设计结果汇总表设计评述参考资料主要符号说明致谢各阶段时间安排（以天为单位）用一周时间集中进行设计方案选定：0.5天主要设备的工艺设计计算：2天辅助设备的选型：0.5天编写设计说明书：2天二、概述与设计方案简介2.1概述2.1.1换热器的类型及特点在工业生产中用于实现物料间热量传递的设备称为换热设备，即换热器。换热器是化工、动力、食品及其他许多部门中广泛采用的一种通用设备。换热器的种类很多，根据其热量传递的方法的不同，可以分为3种形式，即间壁式、直接接触式、蓄热式。间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。2.2设计方案简介2.2.1换热器设计的基本要求根据换热目的不同，换热器在设计时应满足以下基本要求：（1）满足工艺上规定的换热条件。（2）结构上安全可靠。（3）制造、安装、操作和检修方便。（4）经济上合理。2.2.2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80—20℃，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/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3.1.1．换热器类型浮头式换热器3.1.2．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：=1058kg/定压比热容：Cpo=3584J/(kg·℃)导热系数：=0.61W/(m·℃)0黏度：=2×10-3Pa·s0水在13.5℃下的有关物性数据如下：密度：=999.7kg/定压比热容：Cpi=4191J/(kg·℃)导热系数：=0.58W/(m·℃)黏度：=1.2×10-3Pa·s3.3计算总传热系数3.3.1热负荷3.3.2平均传热温差所以===28.8（℃）3.3.3水用量3.3.4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：W/(·℃)污垢热阻Rso=0.0003(m·℃)/WRsi=0.0002(m·℃)/W管壁的导热系数λ=17.4W/(m·℃)3.4计算换热面积考虑15%的面积裕度：3.5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=426mm。3.5.5.折流板弓形折流板高度为壳体内径的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：3.5.6.接管管程流体进出口接管，取接管内液体流速为：，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===8.57P=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4.2.1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·℃)/WRsi=0.000172(m2·℃)/W管壁的导热系数：λ=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）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/mmΦ25×2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/s)1.910.15表面传热系数/〔W/(m2·℃〕1463.955048.87污垢热阻/〔(m2·℃)/W〕0.0001720.00052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，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.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·℃