食品工程原理课程设计-年处理量为28万吨花生油的换热器的设计【全套图纸】.doc

吉林化工学院食 品 工 程 原 理 课 程 设 计题目 年处理量为28万吨花生油的换热器的设计 CAD图纸，加153893706教 学 院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 2013年5月 25 日 摘要11. 换热器的选择11.1 列管式换热器类型11.1.1 固定管板式换热器11.1.2 U形管式换热器11.1.3 浮头式换热器21.2 选择换热器类型21.2.1 换热器选型21.2.2 流体流动空间选择22. 初选换热器型号以及其他32.1 物性数据32.1.1花生油定性温度下的物性数据32.1.2 水定性温度下的物性数据32.1.3 热负荷及冷却水用量42.1.4 两流体的平均温差42.2 初选换热管类型与排列62.2.1 预估换热面积62.2.2 选择管内水的流速72.2.3 选择换热管的规格72.2.4 换热管的排列82.2.5 列管中心距82.3折流挡板的选择82.3.1折流挡板82.3.2 折流挡板的形式92.3.3 挡板间距92.4 接管102.4选择换热器型号103 核算总传热系数及压力降113.1 核算总传热系数K值113.1.1 计算管程对流传热系数113.1.2 计算壳程流体对流传热系数113.1.3 污垢热阻123.1.4 核算总传热系数K值133.1.5 核算传热面积133.2核算压力降143.2.1 计算管程压力降143.2.2 计算壳程压力降164. 设计结果汇总185. 结果与讨论20致谢21参考文献22附录23摘要 此次设计的设备是28万吨花生油的冷却设备，设计内容包括对热力设计，流动设计，结构设计。 热力设计采用热力学公式，进行相应的热量衡算，以得到不同流体的流量等数据，为以后的流体流动分析进行必要的前提准备。 流动设计对此次设计起着承上启下的作用，通过从流动设计中选取某些重要参数，可以正确选择热力设计。通过流动设计，可以将计算过程转化为相应的设备型号，或者是相应的零部件的规格。 结构设计是将每一个计算结果转化成相应的部件，是完成本次设计的重要步骤。 在这次设计中，应用到热力学热量衡算以及质量衡算，还要进行雷诺数和普兰特常数的计算，而且设计管路时，还要计算管的排列方式以及折流挡板弓形高度，间距的计算，设计过程复杂。1 食品工程原理课程设计任务书1.1 设计题目年处理量为28万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15，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、折流板的设置等。（注明公式及数据来源） （6）绘制工艺流程图，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 2013 年5月1. 换热器的选择1.1 列管式换热器类型 在化工企业中列管式换热器的类型很多，如板式，套管式，蜗壳式，列管式。其中列管式换热器虽在热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但它却具有结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广等特点，因此成为石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构形式。列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、填函式换热器和U型管式换热器，而其中固定管板式换热器由于结构简单，造价低，因此应用最普遍。1.1.1 固定管板式换热器这类换热器操作简单、便宜。最大的缺点是管外侧清洗困难，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当壳壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50以上时，换热器应有温差补偿装置，图为具有温差补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器。一般这种装置只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。壳程压强超过6105Pa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就应考虑采用其他结构。1.1.2 U形管式换热器 此类换热器只有一个管板，管程至少为两程。每根管子都变成U型，两端固定在同一块管板上。这样每根管子均可以按管长方向自由伸缩，以解决热补偿问题。由于管束可以取出，管外侧清洗方便，另外，管子可以自由膨胀。缺点是U型管的更换及管内清洗困难。1.1.3 浮头式换热器用法兰把管束一侧的管板固定到壳体的一端，另一侧的管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩。这种形式的优点是当前两侧传热介质温差较大时，不会因膨胀产生温差压力，且管束可以自由拉出，便于清洗。缺点是结构复杂，造价高。1.2 选择换热器类型1.2.1 换热器选型 用循环水冷却花生油，不是在高温高压环境下，故采用固定管板式或者浮头式换热器，而且使用二者没有太多不同，但是，在使用时考虑到经济因素以及效益问题，固定管板式换热器价格较便宜，而且换热面积也比浮头式换热器大20%左右，故而考虑到用固定管板式换热器。1.2.2 流体流动空间选择 冷、热流体流动通道的选择的一般原则：1) 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。2) 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。3) 压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。4) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。5) 流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。6) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。7) 需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。 综合以上的各种条件，其中有部分是相互矛盾的，但是经过比较以及筛选，可以选定，循环冷却水在管程内流动，而花生油在壳程内流动。2. 初选换热器型号以及其他2.1 物性数据2.1.1花生油定性温度下的物性数据2.1.2 水定性温度下的物性数据2.1.3 热负荷及冷却水用量（以下公式均出自于食品工程原理，李云飞著）考虑到有5%的热量损失，可以知道传热,则可知道，冷却水用量如下：式中：W-物料的质量流量，kg/h；-物料的平均定压比热，kJ/(kg);T-物料的进口温度，；h-热流体，即花生油；c-冷流体，即循环冷却水；1，2-分别代表进口和出口温度。2.1.4 两流体的平均温差先按照理想逆流传热温度差进行计算，即再按单壳程，双管程进行计算，对逆流传热温度差进行校正.式中：R-热流体的温降/冷流体的温升； P-冷流体的温升/两流体的最初温差图2-1 温度差校正系数值经查图2-1，P和R的关系式中，校正系数为：=0.900.80所以此种是可行的。所以，修正后的传热温差为：2.2 初选换热管类型与排列2.2.1 预估换热面积 由于,两流体间的温差较大，需要进行温度补偿；同时为了便于壳程污垢的清洗，以固定板式换热器为宜，而且温差超过50，则需要使用膨胀节，所以选择的换热器为具有膨胀节的固定板式换热器。若选择换热器型号，须知传热面积。要计算传热面积，又需要先求出总传热系数K值，但是K值又是由两流体的对流传热系数，垢层热阻等所决定。但在换热器型号未确定之前，换热器直径，换热管规格与根数等参数根本无法计算，所以对换热器的具体型号的选择只能进行试算。表2-1 列管式换热器中的总传热系数冷流体热流体总传热系数K/水水8501700水气体17280水有机溶剂280850水轻油340910水重油60280有机溶剂有机溶剂115340 参照表2-1中列管式换热器中K值得大致范围，根据两流体的具体情况，初步选定总传热系数，于是，换热器的传热面积可以初步确定，即：2.2.2 选择管内水的流速表2-2 列管式换热器中常用的流速范围流体种类流速（m/s）管程壳程一般流体0.530.21.5易结垢流体10.5气体530315 有表2-2中可知，管程内水的流速可以在0.53范围之内，则可以取管内冷却水的流速u=0.7m/s。2.2.3 选择换热管的规格表2-3 列管式换热器换热管规格换热管外径壁厚（d）排列形式管心距碳素钢，低合金钢不锈耐酸钢252.5252正三角形3219219225 通过2-3表格，知道：由于花生油和水均不是酸性液体，考虑到经济因素，可以使用碳素钢，而且由于此种换热器的热流量较大，则可以选择的管为碳素钢25mm2.5mm的钢管,管内径d=0.025-20.0025=0.02m，于是，单程管根数n为：取n=106根，按双程记，则换热器总管数为2106=212根。这样，在换热器系列标准中，2.2.4 换热管的排列 换热管在管板上排列方法主要有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列、同心圆排列等，如图3-5所示。图2-2 换热管在管板上的排列 正方形排列较紧凑，可在一定管板面积上配置较多的管子数，传热效果也好，管板的强度较高，在管板加工时也便于划线和钻孔，但管外清洗较困难。正方形直列则管外清洗方便，适合于管程流体易结垢的情况，但其对流传热系数较小，一定管板面积可排列的管子数减少。若将管束斜转45变成正方形错列，可增强传热效果。本系列采用的是正三角形排列。2.2.5 列管中心距 中心距的确定主要考虑到管板的强度和清洗管外表面所需空隙，也与管子在管板上的固定方法有关。采用焊接时，中心距与管外径的比例常取.如果采用胀接法，较小的管中心距会造成管板在胀接时由于挤压力的作用而发生形变，失去了管子与管板间的紧固性，所以胀接法时常采用。此设计采用的管中心距为32mm。2.3折流挡板的选择2.3.1折流挡板 折流挡板主要作用是提高壳程流体的对流传热系数，支撑等作用。不利因素是挡板的存在会是阻力增加，另外，如果挡板和壳体间，挡板和管束间的间隙过大，会产生旁流，严重时会使对流传热系数减小。2.3.2 折流挡板的形式 折流挡板主要有三种形式：环盘形，弓形和圆缺形，如图2-3所示。常用的为圆缺形挡板，但是由于结构复杂，不便清洗，一般只在压力比较高和物料清洁的场合使用。圆缺形挡板切去的弓形高度约为壳体内径的10%40%，常用的有20%和25%，弓形太大或弓形太小都将产生流体不能正常流动的“死区”，不仅不利于传热，而且还使流动阻力增加，如图2-4所示。 图2-3 折流挡板形式 图2-4 挡板对流体流动的影响(a)缺口过小；(b)缺口适当；(c)缺口过大 在本设计中，采用的是圆缺形挡板，切去的弓形高度为20%壳体内径，即为切去120mm。2.3.3 挡板间距 板间距一般为壳体内径的0.21.0倍。在系列标准中，固定板式有150mm，300mm和600mm。浮头式的有150mm,200mm,300mm,480mm和600mm。在本设计中，选择挡板间距为300mm。2.4 接管 壳程流体进出口接管：取接管内花生油的流速为u=1.0m/s，则接管的内径为： 取标准管径为120mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.0m/s，则接管内径为： 取标准管径为150mm。2.4选择换热器型号 综上所给条件，初步选定的具体型号为型换热器，具体参数见表2-4表2-4 型号换热器的基本参数壳径/mm600管子尺寸25mm2.5mm公称压力（MPa）16管长/m6公称传热面积（m2）107.5管子总数232管程数2管子排列方式正三角形壳程数1折流挡板形式圆缺形3 核算总传热系数及压力降3.1 核算总传热系数K值3.1.1 计算管程对流传热系数 在本型号的换热器中，管程的流通面积; 这样可以得知，管内的冷却水的实际流速：3.1.2 计算壳程流体对流传热系数 换热器的列管中心距t=32mm。 流体通过管间的最大截面积，即壳程的流通截面积A为： 壳程中花生油的流速：当量直径： 由于壳程里面的花生油是被冷却的，所以应该取,于是壳程流体的对流传热系数为：3.1.3 污垢热阻 管程与壳程热阻分别为：3.1.4 核算总传热系数K值 管壁的热阻可以忽略时，以外表面积为准，总传热系数为： 在初选换热器型号时，要求换热过程的总传热系数在。通过核算，知道该型号换热器在规定的流体流动条件下，所能提供的总传热系数为，故所选换热器是合适的。总传热系数的裕度为3.1.5 核算传热面积 按照核算后所得的总传热系数的值进行计算，则完成换热任务所需的传热面积为： 而该型号换热器的实际传热面积为： 从传热面积的核算中也可以得出，所选换热器是合适的。换热器的面积裕度为：3.2核算压力降 由于任务书中要求，压力降不得超过30KPa,所以要对管程和壳程的压力降进行核算。3.2.1 计算管程压力降（以下公式均出自化工原理课程设计，贾绍义，柴诚敬著） 管程压力降的计算的通式为： 式中：壳程数Ns=1，管程数Np=2雷诺数 可知管程流体呈湍流状态。表3-1 管材的绝对粗糙度管材粗糙度/mm铜，铝管0.0015无缝钢管0.040.17新钢管0.12 有表3-1可以取管壁的粗糙度为0.1mm，相对粗糙度：图3-1 莫迪图 根据莫迪图，可以查出摩擦因数为=0.035，所以： 于是：3.2.2 计算壳程压力降 由于壳程流体的流动状况复杂，所以计算壳程压力降的表达式例如Bell法，Kern法,Esso法等很多，计算结果也相差很大，而且，Bell法计算结果与实际数据一致性较好，但是计算比较复杂，而且对换热器结构尺寸要求较详细。工程计算常采用Esso法，该计算公式如下：式中 而 式中 在本设计中，管子的排列方式对压力影响的校正因数为1.15，壳程数为1。管子为正三角形排列，管子排列方法对压力降的校正系数为0.5。 横过管束中心线的管子数。 折流板挡板间距h=0.3m。 折流挡板板数为 壳程流通截面积 于是就有： 经过以上压力降核算可知，壳程和管程压力降都小于所要求的30kPa。核算表明所选的型换热器可用。4. 设计结果汇总表4-1计算结果以及设计结果汇总参数管程壳程流率(kg/h)83241.535353.54进口温度/15110出口温度/3040压力/Mpa0.3-物性参数定性温度/22.575密度/（kg/m3）997.6845定压比热容/kJ/（kg）4.182.22粘度/（mPas）0.1750.954热导率（W/m） 0.60.14普朗特数11.346.64设备结构参数形式具膨胀节的固定板式壳程数1壳体内径/mm600台数1管径/mm管心距mm32管长/mm6000管子排列正三角形管数/根232折流板数/个19传热面积/m2109.3折流板间距mm300管程数2材质碳钢圆缺高度/mm120主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.6370.295表面传热系数/W/（m2）2934.3573.8污垢热阻/（m2/W）0.000260.000176管壁热阻/（m2/W）0阻力/ kPa5.4654.035热流量/KW1526.09温度校正系数0.90传热温差/42.65总传热系数ko/W/（m2）358.95. 结果与讨论 此课程设计是设计年处理量为28万吨的花生油换热器，根据计算以及相应的调整，我选择的换热器型号为换热器。 换热器具体的参数是：壳径为600mm，公称压力为16MPa，壳程为1；采用25x2.5mm的换热管，管长为6m，管程数为2，换热管为232根，换热管的排列方式为正三角形排列，公称传热面积为107.5；折流挡板的圆缺高度为120mm。 经过面积核算和压力核算，其中面积裕度为16.3%，面积裕度合理；壳程压力降为4.035KPa，管程压降为5.465KP