化工原理课程设计换热器设计.docx

食品工程原理课程设计题目I列管式换物K班鲂化工姓名：波书目第一章设计方案概述和简介21.1 概述21.2 方案简介312.1 列管式换熟器的分类312.2 2设计方案选定3其次比换热器的设计计算42.1 物性参数的确定42.1.1 定性温度，取流体进口温度的平均值42.1.2 果汁和水在定性温度下的相关物性参数42.2 估算传热面积52.2.1 计算热负荷52.2.2 确定冷却水用赣52.2.3 传热平均海度差52.2.4 初算传热面积52.2.5 工艺结构尺寸62.3 换热器校核72.3.1 传热面枳校核72.3.2 壁温的计舞102.3.3 核算压力降IO分,.一协助设t的If和JA，乜123.1 其他附件的设计和计算123.1.1 拉杆规格123.1.2 接管12第四章设计结果汇总表12第五章设计评述13参考文武幡谀!未定义书签.符号说明幡谀!未定义书签.致谢传课！未定义书筌第一章设计方案概述和简介1.1在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，筒称为换热器。化工生产中换热器的运用特别普遍,由于无聊的性质、歌热要求各不相同,换热器的种类许多。/解各种换热器的特点，依据工艺要求正确选用适当类型的换热器是特别重要的。依据热城交换的方法不同，分为间壁式换热器、干脆接触式换热器、蓄热式换热器三种。化工生产中绝大多数状况卜.不允许冷、热两流体在传热过程中发生混合，所以，间壁式换热罂的应用最广泛。在换热器中至少要仃两种温度不同的潦体，一种流体温度较高，放出热量：另一种流体温度较低，汲取热量0换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中都有广泛应用，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有特别重要的地位。1.2 方案简介依据列管式换热器的结构特点，主要分为以卜泗种。以卜依据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热冷。1.2.1 列管式换热片的分类1.2.1.1 IJ型管换热gU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。管束可以臼由伸缩，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洁，只有一块管板,密封面少，运行牢苑：管束可以抽山，管间清洗便利。其缺点是管内清洗困难：哟由于管子须要肯定的叁曲半径，故管板的利用率较低：管束最内程管间距大，光程易短路：内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。1.2.1.2 浮头式换热暑浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之不与外科固定连接，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党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力：管束可以从壳体内抽搐，便与省内管间的清洗。其缺点是结构较困雄，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。1.2.2 设计方案选定1.2.2.1 换热类型的选撵依据设计任务书的要求，热流体果汁入口温度80C,出口温度20C,冷流体是水，入口温度6C,出口16*C,操作压力小于0.6MPa,果汁的温度改变为60C比较大。基于这些要求，应选择填料函式换热器，是由于它具有管束可以自由伸缩，不会产生闪光壁与管壁温差而引起的温差应力、制造便利和易于清洗的特点。1.2.2.2 流体路径的选择果汁是粘度较大的液体，口须要冷却，所以选择走壳程，并II，馍料函式换热器具有不论管内还是管间都易于清楚地优点，又给果汁走壳程增加了有力的理论依据。这样，冷却水即走管程。依据一般状况，选用规格为82525mm的不锈纲无缱管.1.2.2.3 .列管式换热暑设计的主要内容列管式换热涔的设计和分析包括热力设计、液体设计、结构设计、以及强度设计,其中以热力i殳计最为IR要，不仅在设计一台新的换热器时须要IS行热力设计，而且对于己生产出来的.甚至已投入运用的换热渊在检验它是否满意运用时,均须要进行这方面的工作.热力谀计毡指依据运用舱位提出的基本要求，合埋的选择运行参数,并依据传热学的学问进行传热计算。其次章换热器的设计计算2.1 物性数的确定2.1.1 定性温度，取流体进口温度的平均值壳程流体果汁的定性温度：T=验砂=50C2管程潦体水的定性湿度：丁=竽=IrC2.1.2 果汁和水在定性温度下的相关物性叁数依据定性温度分别查取壳程和管程流体的有关物性数据，果汁在50,C卜的物性数据和水在I1.C下的物性数据如下表目对心、密度(kgm3)比热容<kg-r)导热率(UVm-tC)弑度(Pas)果汁105031870.610.00162水999.554190.20.57690.001282.2估算传热面积2.2.1计算焦负荷-4)=x3187x(80-20)=1.067x1052.2.2确定冷却水用汽1.()67XKf4190.2x(16-6)=2.5bs则流淌方式选用逆潦2.2.3传热平均温度差=收?(80-16)-(20-6)In20-6=32.89C2.2.4初算传羯面积参照传热系数的K的大致范围,取K=295Wm,*r.则估算传热面枳A伍=.067×i,=32.76m,Kk295x32.89取实际面枳为估算面积的1.15倍，则Ai.=I.I5×32.76=40.95m,2.2.5工艺结构尺寸22.5.1选定换热加格依据流体粘度来选定换热管规格。由于管内走水，换热管采纳无缝不锈钢管25×2.5mm,则其内径<=(25-2×2.5)×1.(),=0.02/,外径da=().()25n取管内流体流速0.5ms,则估算换热管数量H=警=25根p,×-mi'×tt999.55X-X(O.O22)x0.544依据实际面积，估竟换热管氏度/=土=0-5-=20.86，,若果纳4管程,则每d?nX0.025x25程长为6m。所以总管数为25x4=100根。22.5.2事定换热排列方式基于所估算的管程数，应当须要排列索凑,换热效果好的管子排列的方式，所以采纳正三角错列形式。管子与管板采纳焊接结构。管心距=1.25Jrt=I.25×0.025=31.25=32",则各程相邻管的管心距«,=44MtfH12.5.3克体的相关依采纳多管程的换热器，壳体内径可依据式D=I.05”聆计/取，7(管板利用率>=08D=1.O5×32X375.66""按壳体标准圆取整D=400wph,22.5.4雉IN管板布置图、确定实际换编数.换热管的排列方式为正三角形式，则中心线上管数应依据式外=1.IG来计算/r=1.1.v=1.所以，中心管数为I1.根，换热管的大致排列方式如右图所示，依据正三角形排列法，每行管数都比前行的少I,距中心线最远行的换热管数为6。实际的排管数为11+2*10+2*9+2*8+2*7+2*6=91。扣除4根拉杆，则实际换热管数为91-4=87根。取管板厚度为50三,规定管子与管板焊接时伸出官办的长度为3mm,所以实际换热面积A=i,(-J-0.003)=87××0.025(6-0.05-0.003)=40.27m,.管内的实际流速：“,=一=萨=0.9，/S-×-×d2i999.55X-X-X(0.022)III444实际流速小于1.811s,属于实际状况。其切去的胧缺高度=400X22.5%=90/，"允许的折流板限小间距8=20%x400=80】">5(M"，所以选用折流板的问距为8=20(»皿。换热耦为卧式，且过程中流体没有相变，所以选用水平装配弓形折流板(横向)，且不必另设支撵板。所以可得用到的折潦挡板数为Af换热管长6000“折流板间版200-1=29块。所以，综上所述换热管的总体规格可表示为：壳径mm400总管数100管程数4樗列正三角换热管尺寸mm025x2.5管中心距mm32实际传热面枳m'10.95折流板间距/e200管长/m6折流板形式弓形折流板2.3换热器校被2.3.1 传皓面积校核2.3.1.1 传焦濯度差计算P和R冷流体温升16-6T1-I,两流体最初温度差80-6=0.1357；_.=热流体温降=W)-20=6I,T1.一冷流体温升一16-6-依据P、Rft.查温校正系数图，=0.925>0.8,所以，所选的单光程是可行的.2.3.1.2总传羯系数2.3.1.2.1 对于走程的水(画8)*Mdpu0.02x999.55x0.95-Sr“、雷诺数：Re2=上二=：=14837.1()1.28×10-j普朗特常量:也=沿=幽也当”=9.2957.69×IO-2管径比：=竺.=30(管径取内径4)d1.2()水是被加热的：.在式a=0.()23-(-)n(-)i=0.023(Re)ft8(Pr)i中，k取0.4。4di.管内传热膜系数ai=0.023(1.459×10,)ft(9.29)w=4194.44Wm1.C0022.3.1.2.2 对于走亮程的果汁雷诺数：Re=4生,其中4为当用直径，对丁以正三角形排列的换热管4(-<2)4(0.032)2-(0.025)2Jd24=-24=0.%r,dfpti().02X105()×0.5.o小所以，Re,=-i-=；=6.48x101.62×IO-'普朗特常量0c1,w3187x1.62x1()7Pr=-2-=0.61=8.46壳程的传热膜系数6=0.36Rc"55P）（卫）014-XA.4其中,果汁是被冷却的,则(上严=0.95，壳程的传热膜系数a1.=0.36×(6.48×IO3)fts,×(8,46)7×0.9×=2653.3Wm,*X?0.0223.1.2.3再垢热阻和壁焦阻查表得13,果汁为一一般有机物，其污垢热阻常为Rv1.=O.I761.OimcV,是管外网的污垢热阻.水的污垢热阻为管内测污垢热阻，Rv,=0.26×1.()-,mC/W.已知管壁原为b=OOO25m,取碳剂的导热率为A=51.27IVw-°C23.1.2.4计算总传热系数-+Rv,-+Rs1.+d,dn,a,0.025-0.0210.025In0.02代入上式，即=0.02241/M=22.4111w254194.44x20+000026至+°°°25x252051.27x22.41+O.I76×1O3+!2653.3=31209Wrn,?23.1.3传热面积校核经过以上一系列的计算，可知rm=30.34'C.K，粒植rt=312.09Wm,4,C所以，可计算所需的换热面积A=M吧'=33.56m，,而己计算出换K-t.,30.43x312.09V热器的实际传热面枳A=4027m',则3=竺二=1.20,说明该换热涔有20%的面枳富、A33.56裕度，在10%25%之内，能移完成生产任务，232壁温的计算换热器壁温可由下式估算tf=÷¾其中，a1.=aO=2653.3W/m,a2=a,549.98W/m,'C,7；=0.47；+0.67；=0.4×80+0.6×20=44'C,1.=().4r1.+0.6r,=O.4×6+O.6×I6=12,C06533x44+549Q8×12.代入上式彳f：J-U=38.4C,此即为换热管的平均壁:温-克程2653.48+549.98的壁泡可近似地取果汁的定性温度.乙=殁型=50c.于是.管、光程I流体的壁ifi差为A=50-38.4=116CYSOC所以不必再另设置出差补保.233核算压力降2.3.3.1程压力降；有三部分姐成，可按下式计茸IM=(p,+,)F,NpNs+A几M其中pz=y(T1)pz=3().M"=1.5畔)di222F1.=I.4(对步25X25mm的换热管而古).NP为管程数4,NS为率联的壳程数I.而3 MMa.61999.55X(0.02-4 =d=O.O44×=67.9Pa'Rc214590.022pf=3(2)=产55*3)=55%,皿=1.5(2)=7.32Pa222所以，可带入求的管内压力降:p,=(68.43+15.55)×1.4×4+7.78=434.17PaIOH23.3.2克程压力降：依据埃索法进行计埠Po=SP+M；)FN其中，M=F+ZX=NB35-券唳Fs(对于液体)=1.15,Ns(cff>=i.F(正三角形排列)=0.5,=中心管数，2»折流板数，B折流板间距，。壳体内径.2000%=%=0.(M4，“/s,(D,-n1.dn)3600x0.2X(0.4-i1.×().()25)Rc1.=d.,pc,0.()25X1050×0.(M4uyfi1.1.62XIO=：=11O.O1.人先帆体锦加=5.0XRe9"=5.0x(1(X)8.81)=1.028.M=0.5X1.028XI1.×(29+1)×*竺”=317.8,/7,=29×(3.5-=I55.63Pa2×0.21()50X(0.06)0.4所以，可带入求得壳程压力降为p41=(317.8+155.63)×1.15x1.=434.7PuYIoH”iHZ果表明，管理和克程的压力降运能清意设计要求.第三章协助设备的计算和选型3.1 其他附件的设计和计算3.1.1 拉杆规格拉杆选取外径1611un的拉杆,共4根，匀称布翼在管束外边缘。.3.1.2 接管3.1.2.1 管程进出口接管由Qv=-m1.-u，乩4取管内流速m=1.8w5（允许范国内的最大流速）4x1-992登=0.0734，”=73.34”“,×1.8按接管标准圆取整，取89×8ww规格。3.1.2.2 克程灌体进出口接取壳程流速M=.115（允许范围内的最大流速）20CX)由二4=4×如XXKM)=0.0335nun=33.51nun11×1.8依先接管标准回取整，取¢38X3，规格.第四章设计结果汇总表换热落形式：填料函式换热涔换热面积（mz）：33.56工艺参数物料名称果汁循环水操作压力，Mpa0.40.3操作温度，c80/206/16流量，kg/h2000115.31流体密度，kgm31050999.55流速，m/s0.5000.90传热量，kW106700总传热系数，wm2.X?312.09对流传热系数，Wm'.C2653.484194.44污垢系数，m；CW0.000260.000176阻力降，pa434.17317.8程数41举荐运用材料不锈钢、无缝不锈钢、无缝管子规格，的25*2.5管数，80管长，6000mm管间距，mm32排列方式正三角形折流板形式弓形上下间距,20011m切口高度22.5%壳体内径，E305保温程厚度，mm第五章设计评述通过本次的课程设计，我不仅学会/换热器设计本身，还对食品工程原理的课程有了相关的回顾，同时对办公软件也有了进一步的了解。