食品工程原理课程设计列管式换热器的设计.doc

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1、目录1 食品工程原理课程设计任务书12 概述与设计方案的选择32.1 概述32.1.1 换热器32.1.2 换热器的选择32.1.3 流动空间的选择52.1.4 流速的确定52.1.5 材质的选择62.1.6 管程结构62.1.7 壳程结构72.2 设计方案简介82.2.1选择换热器的类型82.2.2 流体流动空间及流速的确定83 工艺及设备设计计算93.1 确定物性数据9计算总传热系数93.1.1 热流量93.1.2平均传热温差93.1.3 冷却水用量103.1.4 总传热系数K103.2传热面积的计算103.3工艺结构尺寸113.3.1 管径和管内流速113.3.2 管程数和传热管数113

2、.3.3 平均传热温差校正及壳程数113.3.4 传热管排列和分程方法113.3.5壳体内径123.3.6 折流板数123.3.7 接管123.4 换热器核算123.4.1 热量核算123.4.2 换热器内流体的流动阻力144 设计结果汇总表165 讨论17参考资料18结束语19附录（主要符号说明）201 食品工程原理课程设计任务书1.1 设计题目年处理量为 7.4万吨花生油换热器的设计；1.2 操作条件（1）花生油：入口温度110，出口温度40；（2）冷却介质：采用循环水，入口温度20，出口温度30；井水，入口压强0.3MPa。（3）每年按330天计，每天24小时连续生产。（4）花生油定性温

3、度下的物性数据：（5）允许压强降：不大于30kPa。（6）换热器热损失：以总传热量的5%计。（7）油侧污垢热阻0.000176 m2K /W，水侧污垢热阻0.00026 m2K /W.1.3 设计任务（1）设备型式：列管式换热器；（2）选择适宜的列管式换热器并进行核算；（3）绘制设备工艺条件图，并编写设计说明书。（4）工艺设计计算包括：选择适宜的换热器并进行核算，主要包括物料衡算和热量衡算、热负荷及传热面积的确定、换热器主要尺寸的确定、总传热系数的校核等。（注明公式及数据来源） （5）结构设计计算：选择适宜的结构方案，进行必要的结构设计计算。主要包括管程和壳程分程、换热管尺寸确定、换热管的布置

4、、折流板的设置等。（注明公式及数据来源） （6）绘制工艺流程图 绘制工艺流程图一张； CAD绘制。 （7）编写设计说明书 设计说明书的撰写应符合规范与要求。 1.4 参考书（1）贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计，天津大学出版社；（2）陈敏恒，丛德滋等.化工原理上册，化学工业出版社出版；（3）匡国柱.史启才.化工单元过程及设备课程设计；（4）化工设计全书编辑委员会.金国淼等编.吸收设备化学工业出版社；（5）李云飞，葛克山.食品工程原理，中国农业大学出版社；（6）其它参考书。食品工程教研室 2011年5月2 概述与设计方案的选择2.1 概述2.1.1 换热器在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交

5、换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与上述情形并无本质上的差别。在食品、化工、石油、动力、制冷等行业中广泛使用各种换热器，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要地位。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。2.1.2 换热器的

6、选择换热器的种类很多，根据其热量传递的方法的不同，可以分为3种形式：坚壁式、直接接触式和蓄热式。列管式换热器的应用已有很悠久的历史，现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在石油、化工、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。虽然列管式换热器在传热效率、紧凑性和金属耗量等方面不及某些新型换热器，但它具有结构简单、坚固耐用、适应性强、制造材料广泛等独特的优点，因而在换热设备中仍处于主导地位。同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量应用于工业中。列管换热器主要特点：1 耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸，碱、盐溶液，

7、除强氧化性物料外，几乎直到100都对其无破坏作用，对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使用。2 耐温性：聚丙烯塑料熔点为164-174，一般使用温度可达110-125。3 无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。4 重量轻：对设备安装维修极为方便。列管式换热器主要分为以下四种：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器 。（1）固定管板式换热器结构特点：两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构的壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太

8、大而产生不同的热膨胀时，会使管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。固定管板式换热器1封头；2法兰；3排气口；4壳体；5换热管；6波形膨胀节；7折流板（或支持板）；8防冲板；9壳程接管；10管板；11管程接管；12隔板；13封头；14管箱；15排液口；16定距管；17拉杆；18支座；19垫片；20、21螺栓、螺母 （2）浮头式换热器结构特点：两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是当换热管与壳体间有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管

9、间的清洗。缺点：结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。适用于管壁间温差较大或易于腐蚀和易于结垢的场合。浮头式换热器1防冲板；2折流板；3浮头管板；4钩圈；5支耳（3） U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。缺点：管内清洗困难；由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束内程管间距大，壳程易短路；内程管子损坏

10、不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。 U形管式换热器1中间挡板；2U形换热管；3排气口；4防冲板；5分程隔板（4）填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。缺点：填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。填料函式换热器1纵向隔板；2浮动管板；3活套法兰；4部分剪切环

11、；5填料压盖；6填料；7填料函2.1.3 流动空间的选择 在管壳式换热器的计算中，首先需决定何种流体走管程，何种流体走壳程，这需遵循一些一般原则： 应尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。 在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置， 应尽量减少其冷量损失。 管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。 所以在具体设计时应综合考虑，决定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。 2.1.4 流速的确定 表2-2 换热器常用流速的范围 介质流速 循环水新鲜水一般液体易结垢液体低粘度油高粘度油气体管程流速，m/s1.0-2.00.8-1.50.

12、5-31.00.8-1.80.5-1.55-30壳程流速，m/s0.5-1.50.5-1.50.2-1.50.50.4-1.00.3-0.82-152.1.5 材质的选择 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 （1） 碳钢 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。 （2）不锈钢 奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。2.1.6 管程结构介质流经传热管内的通道部分称为管程。 （1）

13、换热管布置和排列问距 常用换热管规格有192 mm、252 mm、252.5 mm。标准管子的长度常用的有1500mm，2000mm，3000mm，6000mm等。当选用其他尺寸的管长时，应根据管长的规格，合理裁用，避免材料的浪费。 换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。 (a) 正方形直列 （b）正方形错列 (c) 三角形直列 （d）三角形错列 （e）同心圆排列正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列

14、居多，也有正三角形排列。 对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。 （2） 管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。2.1.7 壳程结构介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。 壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置

15、的各种挡板，如折流板、纵向挡板。旁路挡板等；另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。 （1） 壳体 壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mrn的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。 介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。用两个换热器串联也可得到同样的效果。为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。 壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。计算式如下： 单管

16、程 式中 t管心距，mm； d0换热管外径，mm； nc横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。 正三角形排列： 正方形排列： 多管程 式中 N排列管子数目； 管板利用率。 正角形排列：2管程 =0.70.85 4管程 =0.60.8 正方形排列：2管程 =0.550.7 4管程 =0.450.65壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。 （2） 折流板 在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。 折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。 圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直

17、圆缺两种。切缺率(切掉圆弧的高度与壳内径之比)通常为2050。垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。弓形折流板有单弓形和双弓形，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。 折流板的间隔，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50 mm，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。 （3）壳程接管 壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩

18、大，即将接管做成喇叭形，以起缓冲的作用；或者在换热器进口处设置挡板。 2.2 设计方案简介2.2.1选择换热器的类型因为我们要加热的材料是花生油，流体压力不大，管程与壳层温度差较大，并考虑易清洗性，所以初步确定选用固定管板式换热器。2.2.2 流体流动空间及流速的确定因为本次所要处理的花生油与冷却水的进出口温差都大于50C，所以需要焊接膨胀节。由于花生油较水有腐蚀性，而管子及管箱用耐腐蚀材料造价低,故应使冷却水走管程，花生油走壳程。考虑到要进行加热的是花生油，所以选用不锈钢材质的管。综上所述，选用带膨胀节的固定管板式换热器，选用25mm2.5mm的不锈钢管，管内流速取u=0.5m/s.3 工艺

19、及设备设计计算3.1 确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值壳程花生油的定性温度为： 管程循环水的定性温度为： t =根据定性温度，查得：花生油在75下的有关物性数据如下： 密度 定压比热容 = 2.22 kJ/(kg) 导热系数 = 0.41W/(m) 黏度 = 0.000715Pas冷却水在25下的有关物性数据如下： 密度 =996.95kg/定压比热容 = 4.18 kJ/(kg) 导热系数 =0.608 W/(m) 黏度 = 0.000903Pas计算总传热系数3.1.1 热流量=7.4/330/242.22(110-40)=1.45 kJ/h=402.8(kW)3.1.2平均

20、传热温差=（）3.1.3 冷却水用量 kg/h3.1.4 总传热系数K管程传热系数 =2415W/() 壳程传热系数假设壳程的传热系数W/()污垢热阻 () / W () / W管壁的导热系数W/(m)，故 = = 221.4 W/()3.2传热面积的计算 S=（）考虑15%的面积裕度，S=1.15S=1.1543.2=46.8（）3.3工艺结构尺寸3.3.1 管径和管内流速选用25mm2.5mm的不锈钢管，管内流速取ui=0.5m/s。3.3.2 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 =58.5根59根按单管程计算，所需的传热管长度为：L=10.5m按单程管设计，传热管过长，

21、宜采用多管程结构。现取传热管长=6m，则该换热器的管程数为:N=2(管程)传热管总根数为：N=3.3.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R = P =0.11按单壳程，三管程结构，温度校正系数查表得： =0.85平均传热温差 = 3.3.4 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=1.25（焊接法），则t=1.2525=31.25 mm 32 （mm）横过管束中心线的管数 3.3.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为：D=1.05t=1.0532=436.2（mm）圆整可取D=600mm。3.3.

22、6 折流板数采用弓形折流板，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=0.25500=125（mm）， 故可取h=150mm 。取折流板间距B=0.3D,则 B=0.3500=150（mm），可取B为150mm 。折流板数 N=-1=-1=39（块）折流板圆缺面水平装配。3.3.7 接管壳程流体进出口接管:取接管内流速为u=1.0 m/s,则接管内径为： =0.063（m）取标准管径为 60 mm 。管程流体进出口接管:取接管内流速为u=1.5 m/s,则接管内径为：（m）取标准管径为 80 mm 3.4 换热器核算3.4.1 热量核算（1）壳程对流传热系数 对圆缺形折流板

23、,可采用克恩公式：=0.36当量直径，由正三角形排列得d=0.020（m）壳程流通截面积：=BD(1-)=0.150.5 (1-)=0.01641（m）壳程流体流速及其雷诺数分别为=0.187（m/s） 2000Re100000 黏度校正（）1 =0.36W/()（2）管程对流传热系数 =0.01853（m）=（m/s） W/()（3）传热系数K =354.6 W/()（4）传热面积S S=（m）该换热器的实际传热面积（m）该换热器的面积裕度为 H=该换热器的面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。3.4.2 换热器内流体的流动阻力（1）管程流动阻力由Re=10952，传热管相对粗糙度，查摩擦

24、因数图得，流速=0.496（m/s），kg/，所以=Pa= Pa故Pa 30 KPa管程流动阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力流体流经管束的阻力 F=0.5 Pa流体流过折流板缺口的阻力 B=0.15m ，D=0.50 mPa总阻力 Pa 30 KPa 壳程流动阻力也比较适宜。4 设计结果汇总表换热器型式：带膨胀节的固定管板式换热面积（m2）：49.0工艺参数：名称壳程管程物料名称花生油循环水操作温度，110/4020/30流量，kg/h934432955流体密度，kg/m845996.95流速，m/s0.1870.496传热量，kW402.8总传热系数，W/m2354.6对流传热系数，W/m

25、25732479污垢系数，m2/W0.0001760.00026阻力降，Pa4514.45076.9程数12推荐使用材料不锈钢不锈钢管子规格，mm252.5管数118管长，mm6000管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式弓形上下间距，mm160切口高度25%壳体内径，mm 500保温层厚度，mm2.55 讨论该换热器是专为冷却花生油设计的，严格按照国家及行业标准设计。这是我第一次做该类设计，虽然努力依照标准设计但许多地方仍不太明确，且没有任何实际经验，漏洞在所难免。此次课设，我选用的252.5mm的碳钢管，管内流速取u=0.5m/s。通过年产7.4W吨的花生油计算出了以下数据：花生油质量

26、流量9344Kg/h，然后求得壳程与管程的定性温度分别为75、25，由此查得壳程（花生油）、管程（冷却水）的物性数据。然后根据热量衡算公式求得热流量为402.8KW，由于换热器存在热损失，以总传热量的5%计，求得冷却水的质量流量为32955Kg/h,然后初算平均传热温差=43.3。计算雷诺数Re=11040,从而求得管程的对流传热系数值为2415 。假定壳程的对流传热系数为值为290 ，由已知条件可知，管程和壳程的污垢热阻分别为0.00026 、0.000176 ，求得总传热系数K值为221.4，然后可以初算出传热面积S为43.2，由于存在15%的面积裕度，所以求得的实际传热面积为46.8。进

27、行工艺尺寸的计算：再次确定选用的材料管径为252.5的碳钢管及管内流速为0.5 m/s，依据传热管内径和流速确定单程传热管数约为59根，按单程管计算，所需的传热管长度为10.5 m,选取6米的传热管，则换热器管程数为2，传热管总根数为118根。后进行温差校正，求得R值为7，P值为0.11，查图可得温差校正系数值为0.85，则校正后的平均传热温差为37。由于传热管数较多，所以采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列，管心距为32 mm。由总传热管数可求得横过管束中心线的管数值为13根。因为采用夺冠成结构，取管板利用率为0.7，求得壳体内D值为436.2 mm。圆整可取60

28、0mm本传热器采用共性折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度h约为150 mm,取折流板间距B=0.3D得150 mm，从而可求得折流板数值为39块。然后由公式求得壳程和管程流体进出口接管内径d分别为0.063 m、0.088 m,取标准管径为60 mm、80 mm。校核传热面积：由公式求得壳程的当量长度值为0.020 m，壳程流通截面积值为0.01641，壳程流体的流速为0.187 m/s,雷诺数Re值为4420，普兰特准数Pr值为11.34，壳程对流传热系数的校正系数约为1，则求得其对流传热系数值为573。计算得到的管程的流通截面积值为0.0185，流速为0.496

29、m/s，雷诺数Re值为10952，普兰特准数Pr值为6.91，求得其对流传热系数值为2497，所以求得总的对流传热系数K值为354.6，理论传热面积S为30.7，实际传热面积值为49.0，由此求得实际面积裕度为59.6%。核算换热器内压降：由公式求得管程压降为5076.9Pa，小于30 Kpa,所以管程压力降在允许范围之内；壳程压力降值为4504.4 Pa，小于30 Kpa,，所以壳程压力降在允许范围之内。通过此次设计课程，我学到了许多理论课中所学不到的知识。开始时一团雾水的我，经过一周的资料搜集和研读才开始设计工作，中途对数据进行了数次调整，同学们互相帮助与鼓励，终于在今天完成了这次任务。这

30、次刻骨铭心的经历必会对我未来产生深远的影响。参考资料（1）贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计，天津大学出版社；（2）陈敏恒，丛德滋等.化工原理上册，化学工业出版社出版；（3）匡国柱.史启才.化工单元过程及设备课程设计；（4）化工设计全书编辑委员会.金国淼等编.吸收设备化学工业出版社；（5）李云飞，葛克山.食品工程原理，中国农业大学出版社；（6）其它参考书。结束语 经过一周的艰苦努力工作，这个艰巨的任务终于完成了。虽然其中的艰辛在所难免，但是，在这其中我学习到了很多书本上没有的知识。我运用了食品科学原理的知识，解决了很多问题，使我对这项工艺有了更新、更深刻的了解，也因此增添了许多爱好。而且，我也从

31、中学习到了论文的格式和写论文的方法，这将对我在一年之后的毕业论文书写有着重要的帮助作用。这次经历，还培养了我的分析问题，解决问题的能力，以及上网检索信息的能力。我们也从中体会到了获得知识的快乐，我相信这份经历将影响到我今后的人生。在这之前，我曾对食品科学这项专业感觉很迷茫，不知今后的方向该如何选择，可是经历了这次课设，我才明白这项专业也是可以联系到实践当中，例如这次的冷却器工艺，让我深有感触。也许这次可设的冷却器制造的不会太好，但是，我内心的兴奋之感还是不言而喻的。对于第一次运用理论联系到实际的我们来说，我想这也许已经足够了。但是我们还是会继续努力，奋勇向前的。我在此向给予我帮助的老师和同学们

32、致于衷心的感谢和诚挚的祝福。并希望今后的学习生活中有所进步。附录（主要符号说明）符号含义单位Q热负荷 K总传热系数S与K值对应的传热面积平均温度差流体的质量流量按逆流计算的平均温度差温差校正系数无量纲总传热系数传热管内、外侧流体的对流传热系数传热管内、外侧表面上的污垢热阻传热管内径、外径及平均直径传热管壁导热系数传热管壁厚直管中因摩擦阻力引起的压力降回弯管中因摩擦阻力引起的压力降（管程）结垢校正系数，无因次，252.5的换热管取1.4串联的壳程数管程数流体横过管束的压力降流体流过折流挡板缺口的压力降（壳程）结垢校正系数，无因次，对液体=1.15，=1.0管子排列方式对压力降的校正系数：三角形排列=0.5 壳程流体摩擦系数横过管束中心线的管数折流板间距壳体直径折流板数目按壳程流通截面积（）计算的流速管心距排列管子数目管板利用率，正三角形排列:2管程=0.7-0.85