套管式换热器课程设计.doc

成 绩大连民族学院工程原理课程设计说明书题 目： 果汁冷却器的设计 设 计 人： 李 系 别： 生物工程 班 级： 084 指导教师： 刘俏老师 设计日期 2010 .11.12 12.4 目 录设计任务书1一、方案简介2二、方案设计31.确定设计方案32.确定物性数据33.基本量计算34.工艺结构尺寸45.换热器核算4三、设计结果一览表8四、设计过程中的体会9五、参考文献10六、主要符号说明11七、Key words12设计任务书（一）设计题目 果汁冷却器的设计。（二）设计任务及操作条件（1） 处理能力 1980吨/年（2） 设备形式 套管式换热器（3） 操作条件 果汁：入口温度75，出口温度20。 冷却水：入口温度6，出口温度16。 允许压降：不大于1MP 每年按330天计，每天24小时继续运行。（3） 设计要求 选择适宜的套管式换热器并进行核算。 画出工艺设备图及列管布置图。1、 方案简介本设计任务是利用冷流体（水）给果汁降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。下图（图1）是工业生产中用到的套管式换热器。 通常，热流体（A流体）由上部引入,而冷流体（B流体）则由下部引入。套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。内管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取47米。这种换热器传热面积最高达18米2, 故适用于小容量换热。当内外管壁温差较大时,可在外管设置U形膨胀节（图中b）或内外管间采用填料函滑动密封（图中c）,以减小温差应力。管子可用钢、铸铁、陶瓷和玻璃等制成,若选材得当,它可用于腐蚀性介质的换热。 选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,符合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，列管式换热器等。套管式换热器的主要结构是由两种大小不同的标准管组成的同轴套管。它的程数可以根据所需传热面积大小随意增减，套管式换热器适合于高温、高压、小流量流体的传热，它具有较高的总传热系数，除此之外，它还有耐高温、结构简单，制造方便、传热面积易于调整等优点。二、方案设计1确定设计方案 由于果汁的黏度比水的大，水的对流系数一般较大，且易结垢，因此冷却水走内管，果汁走外管，这样的选择可以使果汁通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。2、确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 外管果汁的定性温度为：内管流体的定性温度为： 根据定性温度，分别查取外管和内管流体的有关物性数据。 果汁在47.5下的有关物性数据如下： 密度 o=1080 kg/m3定压比热容 cpo=3.187kJ/(kg)导热系数 o=0.559 W/(mK)黏度 o=0.0015 Pas冷却水在11下的物性数据： 密度 i=999.7kg/m3定压比热容 cpi=4.191 kJ/(kg)导热系数 i=0.5745W/(m)黏度 i=0.0012713Pas3基本量计算3.1热流量 果汁的质量流量 Wo=1980103=0.069kg/s 果汁的热流量 Qo=WocpoT=0.0693.187=J/s3.2平均传热温差 T1=75 T2=20 t1=6 t2=16 t1=T1-t2=59 t2=T2-t1=14 tm=31.283.3冷却水用量 3.4传热面积假设总传热系数K=350 W/(m2)传热面积考虑 15的面积裕度，S=1.15S=1.151.1=1.3m24. 工艺结构尺寸 4.1管径和管内流速及管长 内管选用19.52.25mm传热管(碳钢)，外管选用563mm(碳钢）取管内流速ui=1.7m/s4.2传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按单管程设计，所需的长度为按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长l=6m,则该换热器管程数为 传热管总根数 N=4 (根)5.换热器核算 5.1热量核算5.1.1外管对流传热系数 外管流体流速及其雷诺数分别为 普朗特准数 格拉晓夫常数(为流体的膨胀系数，)努塞尔数 =- =34.25.1.2内管对流传热系数 内管流体流速及雷诺数分别为普朗特准数5.1.3总传热系数K污垢热阻 Rs1=0.00021m2/w Rs2=0.0015m2/w 管壁热阻 =45w/m5.1.4传热面积S该换热器的实际传热面积Sp该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 5.2换热器器内流体的压力降 5.2.1内管流动阻力 Pi=(P1+P2)NsNpNs=3 Np=4由Re18873，传热管相对粗糙度0.25/150.017，查莫狄图得i0.046W/m， 流速ui1.6m/s，999.7kg/m3，所以 内管压力降在允许范围之内。5.2.2外管流动阻力3、 设计结果一览表换热器形式：套管式换热器换热面积（m2）:1.47工艺参数名称内管外管物料名称冷却水果汁操作压力，Pa未知未知操作温度，6/1675/20流量，kg/s0.290.069流体密度，kg/m3999.71080流速，m/s1.60.04传热量，J/s12200总传热系数，W/m2K279.41传热系数，W/（m2）8638.8878污垢系数，m2K/W0.000210.00151阻力降，Pa99937.947.6程数41推荐使用材料碳钢碳钢管子规格19.52.25mm（内管）管数1管长m:6563mm（外管)四、设计过程中的体会 初次接触化工原理课程设计，根本不知道该做什么，虽然学过理论课，可运用到实际中还是觉得无从下手，感觉好难。刚开始的几周都是在忙着找一些参数，比如果汁的密度、黏度、热导率等，找了好长时间也没有结果，最后在老师的引导下，终于在图书馆找到了所需要的数据。找到了数据，本以为很快就会做好的，却没想到中间的过程会那么曲折。选好管子开始算流速，结果流速非常小从而导致雷诺数很小，管外的果汁始终处于层流区。换了好多次管子的规格，结果都一样。后来大家商量把处理能力扩大十倍，可算完的压力降又超过了允许范围，于是又开始重新选管子。没办法只好又找老师帮忙，最终在老师的帮助之下，用Excel终于找到了合适的管子规格，虽然果汁还是处于层流区，好在也找到了应用于层流区的公式。又经过了几番折腾终于算出了数据并成功地进行了校核。看着自己辛辛苦苦整理出来的设计方案，十分开心，虽然过程有些纠结，但看到自己的努力有了成果，一切辛苦都很值得。其实，在整个过程中，虽然遇到了很多问题，也犯了不少错误，但是自己真的学到了很多东西，比如word文档公式的运用，Excel在数据处理方面的运用等。以前这些办公软件根本就没得到很好地利用。另外如何查找数据也很重要，假如自己查不到数据，接下来的工作就没办法做，如果查的数据是错误的，那设计出来的东西也是错误的，很可能会导致严重的后果。在找数据的过程中，我明白了，查数据不能就在一本书上找，图书馆的资源很丰富，一定要有耐心，不能浮躁，也不能盲目地寻找，要按着你所需数据的应用范围寻找，不要轻易就说放弃，任何事情都会有解决的办法。同时，我也学到了要从不同角度思考问题，比如说如何使自己的设计更加合理，这就要求自己在设计前要详细的考虑各种可能出现的问题和解决办法，才能达到事半功倍的效果。5、 参考文献1柴诚敬，王军，张缨编，化工原理课程设计天津科学技术出版社，2006.2周巍主编，食品工程原理中国轻工业出版社，2002.3马连湘，列光启，王文中编.化工设备算图手册4食品工程原理（上），中国轻工业出版社，1997.5食品工程与原理 例题与习题，化学工业出版社，2007.6杨祖荣主编.化工原理（第二版）.北京: 化学工业出版社,20107潘国昌，郭庆丰主编.化工设备设计手册.北京:清华大学出版社,19988中国石化集团上海工程有限公司 编.化工工艺设计手册（第三版）.北京:化学工业出版社,19879周大军主编.化工工艺制图北京:化学工业出版社,200310韩冬冰主编.化工工程设计北京:学苑出版社,200011 刘苏编著. AutoCAD2002应用教程北京:科学出版社,200312 潘永亮等编.化工设备机械设计基础北京:科学出版社,1991六、主要符号说明物理性质符号物理性质符号果汁的定性温度T冷却水定性温度t果汁定压比热容cpo冷却水定压比热容cpi果汁导热系数o冷却水导热系数i果汁粘度o冷却水粘度i热流量Wo冷却水流量热负荷Qo平均传热温差总传热系数雷诺数内管传热系数外管传热系数 初算初始传热面积传热管数初算实际传热面积S管程数壳程压力降面积裕度H七、Key Words 套管式换热器 double-pipe heat exchanger对流传热 convectrive heat transfer逆流 countercurrent flow传热速率 heat transfer rate 对数平均温度差 logmean temperature difference总传热系数 overall heat transfer coefficient污垢热阻 fouling resistance热导率 thermal conductivity