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吉林化工学院食品工程原理课程设计14吉林化工学院食品工程原理课程设计 第1章 绪论1.1换热器的概况换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工,石油,动力,食品及其它各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用更加广泛。换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不用压力的换热器，结构和型式亦不同，换热器种类随新型、高效换热器的开发不断更新，具体可分为以下几类。(一) 混合式换热器混合式换热器，亦称直接接触式换热器，它是将冷热两流体通过直接接触进行热量交换实现传热的，如工业上的冷却塔（亦称凉水塔），洗涤塔、气压冷凝器（或称干式逆流高位冷凝器），以及干事并流低位冷凝器等。(二) 蓄热式换热器蓄热式换热器，是将高温流体和低温流体交替地通过加热表面进行换热的，是一种间歇操作的换热设备，即一会儿热流体功过蓄热器，把热量留给蓄热器的加热面，一会儿冷流体又通过它，把热量从被加热面上取走，如此反复进行，以达到换热的目的。蓄热式换热器多用于石油裂解和冶金工业中的平炉蓄热器等方面。(三) 间壁式换热器间壁式换热器，亦称表面式换热器或间接式换热器。所谓间壁式换热器，就是冷热两流体被一固体壁隔开，而热量传递是通过固体壁进行的。此种换热器在工业上，特别是在石油和化学工业上应用极广。间壁式换热器在实际生活中采用的型式很多，且无统一的分类方法。下面就按几种常见的分类方法，作一介绍。1. 按传热面的结构分类（1） 管式换热器 如列管式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、喷淋式换热器、翅片管式换热器、盘管式换热器和U形式换热器等。（2） 板式换热器 如平板式换热器、翅片板式换热器、螺旋板式换热器、石墨板式换热器、板壳式换热器及夹套式换热器等。（3） 特殊形式的换热器 如块孔式换热器、空气冷却器、以及原子能工业中用的同流式换热器等。2. 按用途分类（1） 加热器 用于流体的加热；（2） 冷却器 用于流体的冷却；（3） 预热器 用于流体的预热；（4） 冷凝器（或称全凝器） 用于整齐的冷凝、整流过程中馏分的回收和产生真空等；（5） 分凝器（或称部分冷凝器） 用于使蒸汽ufen冷凝，广泛用于蒸馏生产过程中；（6） 再沸器（或称汽化器） 用作被蒸馏物料的加热汽化；（7） 深冷热交换器 用于深冷分离工程。3. 按换热器使用材质分类（1） 金属材质的换热器；（2） 非金属材质换热器如石墨、塑料、玻璃、陶瓷等换热器。换热器的介绍A. 浮头式换热器 是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等零部件组成。最大的特点是管束在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差应力，其优点是：a) 管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；b) 介质间温差不受限制；c) 可在高温、高压下工作，一般温度450，压力6.4MPa；d) 可用于结垢比较严重的场合；e) 可用于管程易腐蚀场合。缺点：a) 小浮头易发生内漏；b) 金属材料耗量大；c) 结构复杂。B. 固定板式换热器 是由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成。其结垢较紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大，制造较简单，是最后一道壳体与管板的焊缝无法无损检测。其优点是：a) 传热面积比浮头式换热器打20%30%；b) 路旁漏流较小；c) 锻件使用较少，成本低20%以上；d) 没有内漏。 缺点：a) 壳体与管子壁温差一般易小于等于50，大于50时应在课题上设置膨胀节；b) 管板与管头之间易产生温差应力而损坏；c) 壳程无法机械清洗；d) 管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，故设备寿命相对较低；e) 不适用于壳程易结垢场合C. U形管换热器 是由管箱、壳体、管束等两部件组成，只需一块管板，重量较轻。同样直径情况下，换热面积最大，结构较简单、紧凑，在高温、高压下金属耗量最小，目前加氢换热器基本上全部采用U形管换热器。其优点是：a) 管束可抽出来机械清洗；b) 壳体与管壁不受温差限制；c) 可在高温、高压下工作，一般适用于温度500，压力10 Mpa；d) 可用于壳程结垢标胶严重的场合；e) 可用于管程易腐蚀场合。 缺点：a) 在管子的U型管处易冲蚀，应控制管内流速；b) 管程不使用结垢较重的场合；c) 单管程换热器不使用；d) 不适用于内导流筒，故死区较大。D. 沉浸式换热器 又称箱式换热器，它和我们日常生活中急于要喝冷开水而把盛有热开水的杯子沉浸于冷却介质连续流动的箱或槽内。其优点是：a) 因水槽内经常存有水，所以暂时停水不会影响生产正常进行，这对易于发生火灾的有机化工产品的冷凝、冷却，具有一定的安全性；b) 因蛇管能承受高的压力，所以常被用于高压流体的冷却；c) 对于在冷却过程中易因低温而结晶堵塞换热器的流体，也可采用此类换热器；d) 蛇管可采用任何材料制造，这对修旧利废，因陋就简地发展圣餐，提供一定方便。 结构简单，价格低，制造、安装、清晰和维修方便。 缺点：a) 单位传热面积耗金属量大，每平方米传热面积约需刚才100公斤，约是列管式换热器的三倍；b) 体积大，占地面积大，每平方米冷却器体积只有15平方米的传热面积；c) 传热系数低。E. 喷淋式换热器 用冷却水直接在管外喷淋，使管内热流体冷凝或冷却，所以一般称为喷淋式冷却器。其优点是： 由于冷却水直接喷淋在排管外壁面上，所以会有一部分水吸收管内热流体的热量而蒸发汽化（蒸发汽化的水量约为水量的34%）。再者，喷淋式换热器一般是安装在室外空寂流通的空间里，空气也吸收一部分热量。由于冷却水和空气的共同冷却，所以传热效果好，用水量少，在相同情况下，消耗水量壁沉浸式换热器几乎要少一半； 对于一定的传热面，如安装高度不受限制，可以把排管做的很窄，使地面积减小； 如果使排管外壁保持清洁，可获得好的冷却效果；F. 套管式换热器 将不同直径的两种管子套在一起组成同心的套管，其内管借U形肘管顺次连接，外管与外管互相连接而构成。其优点是：a) 由于套管的环隙截面可以选的很小，使流体流速快，传热效果好，所以特别适用于管的环隙间给热系数小和流量下的流体的换热；b) 由于流体流速快及保证两流体呈逆流传热，所以它的传热效果优于列管式换热器；c) 套管式换热器是用标准管子与管件组合而成，构造简单，不需要另外加工，且排数、管程可按传热需要而增减。 缺点：a) 管子接头太多，易因受热膨胀，震动等原因而发生泄漏，所以环隙内的流体，以水一类无害介质或低压介质为宜；b) 单位传热面积小号金属材料多；c) 设备体积大，占地面积多，每平方米换热器的传热面积约为20平方米，相当于列管换热器的1/21/7.5；d) 管子接头多，安装，检修工作量大；e) 流体阻力损失大。G. 螺旋板式换热器 因具有传热效率高，结构紧凑，流体流道不易堵塞等优点，所以在化工、炼油等工业部门中官方应用。其优点是：a) 传热效率高；b) 可以实现完全逆流，平均温差大，适用于回收低温热能；c) 不易结垢；d) 结构可靠和紧凑；e) 好金属材料少，每平方米传热面积耗金属为50160公斤；f) 操作稳定，可精确的控制温度；g) 结构简单，成本低，流体阻力较列管换热器小。 缺点：a) 不耐高压；b) 制造安装要求严，否则容易泄漏；c) 检修和清扫困难。H. 空气冷却器 又称空冷式换热器，顾名思义，是以空气为冷却剂的换热器。其优点是：a) 流体易产生湍流，对传热有利；b) 操作费用较低；c) 风机可设在地上；减少机架结构的复杂性，方便施工；d) 检修管束方便；e) 同样情况下比抽风式耗能力少。 缺点：a) 空气分布不均匀；b) 由于管束上部敞开在空气中，易受阳光和雨水的影响。I. 板式换热器 是由板片、压紧板、胶垫、支架等零部件组成，是一种传热效率高，占地面积小，重量轻，结构紧凑，维修、检修、安装较方便的换热器。其优点是：a) 传热效率高，比管壳式换热器高2倍以上；b) 对数温差大；c) 重量，占地面积小；d) 末端温差小；e) 污垢系数低；f) 适用于多种介质换热；g) 清洗方便；h) 很容易改变换热面积和流程组合；i) 适用于油冷器、水冷器、蒸发器、冷凝器。 缺点：a) 工作压力2Mpa；b) 工作温度200；c) 不适用于易堵塞介质；d) 胶垫密封处易泄漏。1.2换热器在工业中的应用换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，再热ichangshenghuozhongchuanre设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。在研究投入大、人力资源配备足的情况下，一批具有代表性的搞笑换热器和强化传热元件诞生。随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成果，得到了大量的回报，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T形翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热接专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状况。国内各研究机构、高等院校对传热理论及高校换热器的研究一直非常重视，走过了从引进、消化、吸收、发展到自主开发的历程。从20实际5060年代的照搬发展到70年代消化和吸收，进入80年代以来国内有出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，形成第一次传热开发浪潮。到90年代中期，大量的强化传热技术应用于工业装置中，带来了良好的社会效益和经济效益。近几年国内应用的强化传热技术基本上式80年代中期开发的，由于国内市场较大，使用者多不了解，认为很多技术都是新开发的。在90年代大量应用的基础上，几类了很多经验，预计在2005年以后将会再掀起一次传热技术开发的高潮。国内80年代传热技术高潮时期的代表作有折流杆换热器、新结构搞笑换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一大批优良的搞笑换热器。 换热器是一种实现无聊之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占种设备数量的40%左右，咱总投资的3040%。1.3换热器的发展历史二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。 第二章 设计方案2.1换热器的选择设计一个传热设备时，最重要的决定是选择设备的基本形式，以满足给定的应用场合的特定需要。在设计过程的最初阶段，设计者的责任是调查现有各种基本设备类型，选择一个对整个流程或局部流程最舍用的类型。如果不能做出明确的决定，就要大致证明，对每种合乎使用要求的设备型式，至少在进行初步设计时经济上式合算的。常常是在进入到对设备的基本型式选择的考虑时，就需要对该设备现有的全部精确的设计方法有所了解。因此，已有成熟的实际程序的列管式换热器常常被优先选用，而另外类型的换热设备，在实用上可能具有内在的优越性，但缺少能使设计者完全可信的设计方法。这一原则有其合理之处，但这要花费很高的代价。对于多数应用场合，有很多类型的热唤起都有很好的设计方法，虽然，最好的设计方法常常有制造商与其合作的研究组织的人员所专有。2.2换热器的流体流道的选择现以列管式换热器为例，简要介绍一下流体流到选择一般原则。a) 流量大的气体宜用过管外，这样可较低流速，减少压力损失，节约动力消耗；b) 流体粘度特别大时，应流过管外；c) 换热量流体温度差较大时，会在管束与壳体间产生热应力，损坏设备。为此，宜将其中给热系数较大的流体流过管外。如此可达到降低壳体和管束间温度差，减小热应力的目的；d) 蒸发或汽化的液体，和蒸汽冷凝，因其给热系数值大，一般使其通过管外，这样有利于提高传热系数，减少流体阻力损失；e) 冷却水宜流过管外，可免除被冷却流体同时对壳体和管束的材质要求；f) 为了利用外壳想周围散热，常使冷却流体（无腐蚀性的）在管外流动，以增加其冷却效果； 某一流体在热唤起中的阻力损失不允许太大时，宜使其流过管外；上述原则也不是绝对的，例如一强腐蚀性热流体冷却时，从散热角度考虑，宜流过管外，从腐蚀角度考虑，宜流过管内，但从生产和经济等方面权衡，以腐蚀危害影响生产最严重，应使其走管内，这可避免管束和壳体同时遭受腐蚀，易确保正常生产。总之，确定流体的流道，应按生产的具体情况来考虑。2.3换热器的主要结构2.3.1管束的长度和管径 在使用换热器时，希望体积小，传热效果好，这样可使材料耗量少，占地面积小。 管子长度的选择，除应符合工艺条件要求外，还要注意到安装位置等方面的具体情况。如设备离地面较高，现场空间又窄小，则采用短管为宜，不然会增加检修时拆卸或清洗的困难，且所需平台也要增大。 为了增加传热面积，提高传热效率，特别当换热两流体中有一流体的给热系数很小时，应使其流过带翅片的管侧，如其体育水蒸气或冷水换热时，因气体的给热系数很小所以要提高传热效果，就应在换热管的气体落果一侧增加翅片，这样即可增加传热面积，又可增加气体流速，造成湍流状态，提高气体的给热系数，从而提高传热效果。 2.3.2 管板 管板，或称花板，适用于固定管束的。在设计时，可根据下列因素进行选用。（1） 换热器型式 在相同的操作压力和壳体直径相同的条件下，管板受力大小顺序如下：U形管式浮头式固定管式填料函式和浮动管板式。（2） 课题与管束之间的压力差的大小。（3） 壳体直径和管径 当壳体直径大时，在相同操作压力下，管板受力就比较大，法兰部分较易泄漏，且制造时的瓢曲变形也较大。（4） 当两流体的温度差大时，会使管板上有较大的热应力。 2.3.3 壳体 换热器的壳体长度与直径之比一般取46。壳体可选用标准管或有钢板卷成，其壁厚由薄壁圆管公式计算决定。此外，壳体壁厚也可按工作压力、温度等去顶，但所取之厚度，最小也不应小于下表所列数值。 壳 体 直 径300500600800900100012001500固定管板式壳体厚度4.56810活动管板式壳体厚度681012 2.3.4 进出口管径 换热器的进出口管径可由流体在管道内输送时常用的流速范围来决定。 2.3.5 管箱（分配室） 管箱或称分配室，其内径与壳体内径一般是相同的。 2.3.6 隔板与分程方法 隔板是安装在管箱内作分程用的。选用的隔板要具有形状简单，密封长度短，所用材料要与分配室的封头材料相同。 2.3.7 折流板（挡板） 壳体内装设流板，是为了提高壳体内流体的传热系数，改善传热效果。折流板在换热器中具有重要作用。折流板与管束成垂直安装时，称为横向折流板。此种折流板除使流体横过管束流动外，还有支撑管束，防止管束弯曲的作用。折流板与管束成平行并固定在外壳上时，称为纵向折流板。在U形管换热器中，常用纵向折流板。此种折流板使壳体想流体纵向流过管束，其传热效果比横向流过管束的差。经验指出，其给热系数比横向流过管束小2/51/2。 2.3.8 管间距 管间距是指管板上相邻两根管子的中心距离，所以又称为管心距。它一般是根据管隙间要求的流体速度决定的。小的管间距，可以增大管隙间流体速度，提高传热效果，减少换热器外形尺寸。 2.3.9 管束在管板上的排布和固定 要是管束在管板上均匀排布，对单程换热器比较容易做到，但对剁成换热器就要困难得多。实际采用的排布方式有：正三角形、正方形、正方形斜转45、正六角形及圆形等多种形式。 2.3.10 支持板、拦液板、旁路挡板（1）支持板 在无折流板换热器中，要视具体情况设置支持板，支持板一般为半圆形。只哎哟是防止换热器管子发生弯曲变形。（2）拦液板 在冷凝器中，为建波管壁上的液膜，提高传热效果，可设置拦液板以起到拦截液膜的作用（3）旁路挡板 在浮头式换热器中，因安装浮头法兰，其周围都有一圈没有排布管子的较大间隙，当流体换热时，会使一部分壳体内的流体不与管束接触，二由此间隙短路流过，降低传热效果。如增设了旁路挡板，则可改变此种不良状况。每侧设旁路挡板，一般为两块。旁路挡板可加工成长条状贯穿于所有的折流板，并用点焊连接于折流板上，也可将其分段这节接于折流板之间。 第三章 工艺计算(1)根据需要的换热任务求出热负荷Q Q=Wc*Cp*(t2-t1)=19000*1000/330/24*1.7*(106-20)=350000 W(2)确定流体流动方向 食用油走管程，饱和水蒸气走壳程(3)确定流体定性温度，物性数据。 定性温度：Tm=1/2*(20+106)=63 160 饱和水蒸气：温度：160 密度：907.1 /m粘度系数：0.1736 mpas比热容：4.346 kj/（kg）热导率：0.6817 w/（m）汽化热：2087.1 kj/kg63 食用油：温度：63 密度：900 /m粘度系数：0.48 mpas比热容：1.7 kj/（kg）热导率：0.18 w/（m）(4)计算平均温度差T=(T1-t2)-(T2-t1)/In(T1-t2)/(T2-t1) =(160-20)-(160-106)/In(160-20)/(160-106) =86/In(140/54) =90.3 (5)计算传热面积选取经验传热系数K=100 W/()则传热面积： F=Q/（K*T） =35000/（100*90.3）=38.8(6)初选换热器结构尺寸。 根据此传热面积值，由列管式换热器的标准系列（详见有关设计资料），初步选出固定管板式换热器。换热器的结构尺寸：公称直径：400 工程面积：42 管子外径：25 管壁厚度：2.5管子中心距：32管材料：10号钢（导热系数=49 kj/(m)管长：6m管子排列方式：正三角形(7)计算管内给热系数油根据所选换热器的结构尺寸，可求出管内食用油的流速为 U1=19000000/900/330/24/3600/0.785/0.02/0.02/43 =0.055 m/s于是可以求得雷诺准数Re和普兰德准数Pr，即 Re=u1*d*/=0.55*0.02*900/0.48*1000=2062.5(湍流) Pr=Cp*/=1.7*0.48/0.18=4.53由于流体为湍流，根据有关资料查知，其水的给热系数可按下式计算： 油=0.021*/d*Re0.8Pr0.45 =0.021*0.48/0.02*（2062.5）0.8*（4.53）0.45 =439.6 KJ/(m)同理，可求出管外给热系数水=125 KJ/(m)(8)计算传热系数K K=1/(1/水