换热器或冷却设备设计

1、 食品工程原理课程设计说明书大豆油冷却设备的设计姓名： 耿栋辉 学号： 201320010514 班级： 国食科F303班 2015 年 12月21日设计任务书目 录一、设计依据及指导思想-3二、主要参数说明-3 三、设计计算-5 1、确定设计方案-5 2、确定物性数据-5 3、计算总传热系数-6 4、计算传热面积-7 5、工艺结构尺寸-7 6、换热器核算-9 1）热量核算-9 2）换热器内流体的流动阻力-11 3） 换热器主要结构尺寸和计算结果总表-13 四、设计结果-16 五、参考文献-16 一、设计依据及指导思想换热器广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业。在食品工

2、业中的加热、冷却、蒸发和干燥的单元操作中，我们也经常见到换热器应用于食品物料的加热或冷却介质间的热交换。在众多类型的换热器结构中，管壳式换热器应用最为广泛，因此要根据特定的工艺要求设计合理的换热器，以满足不同场所的需求。选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洁，符合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，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。不同的换热器适用于不同的场合。在众多类型的换热器中，浮头式换热器应用较为广泛。它的结构简单，其优点有介质间温差不受限制，可在高温，高压下工作，可用于结垢比较严重的场合，可用于管程易腐蚀场合

3、，尤其是其内管束可以抽出，以方便清洗管及壳程，管束在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差压力，所以，首选浮头式换热器。二、主要参数说明B折流板间距，；C系数，无量纲； d管径，m；D换热器外壳内径，m；f摩擦系数；F系数；h圆缺高度，m；K总传热系数，W/(m2·)；L管长，m；m程数；n指数； N管数；NB折流板数；Nu怒赛尔特准数；P压力，Pa；Pr普兰特准数q热通量，W/m2；Q传热速率，W；r半径，m；R热阻，Re雷诺数；S传热面积，m2；t冷流体温度，；T热流体温度，；u流速，m/；W质量流量，kg/s；a对流传热系数，有限差值；导热系数，；粘度，Pa.s；密度

4、，kg/m3；校正系数；下标c冷流体；h热流体；i管内；m平均；o管外；s污垢.三、设计计算1.确定设计方案 工艺要求：某生产过程中，需将5600 kg/h的大豆油从130冷却至30，压力为0.3MPa；冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水入口温度15，出口温度为25。（1）选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度130，出口温度30，冷流体(循环水)进口温度15，出口温度25。浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容

5、易的插入或抽出壳体，这样为检修，清洗提供了方便。（2）流动空间及流速的确定 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用25mm×2.5mm的碳钢管，管内流速取=0.5m/。2确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程大豆油的定性温度为T=90()管程冷却水的定性温度为t=35()根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 大豆油在90下的有关物性数据如下：密度=825 kg/m3定压比热容=2.22kJ/(kg·)导热系数 =0.140 W/(m·)粘度=0.000715 Pa·s循环冷却水在35下的

6、物性数据：密度=994 kg/m3定压比热容 =4.08 kJ/(kg·)导热系数 =0.626 W/(m·)粘度 =0.0007225 Pa·s3计算总传热系数 （1）热流量 Qo=WoCpoto=6500/3600×2.22×(130-50)=320.67(kW)（2）平均传热温差（）（3）冷却水用量 (kg/h)（4）总传热系数K 管程传热系数 W/( m2·)如果是冷凝器设计，管程对流传热系数按书上P169第5-7节内容进行计算壳程传热系数 假设壳程的传热系数=400 W/(m2·)； 查表得出污垢热阻=0.0001

7、72（m2·）/W , =0.000516（m2·）/W管壁的导热系数=45.4 W/( m·)4计算传热面积 考虑 15的面积裕度.S = 1.15×S = 1.15×23.6 =27.2 (m2) 5工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速 选用25×2.5传热管（碳钢），取管内流速ui=0.5m/s。 （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 按单程管计算，所需的传热管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（国标推荐的传热管长度为1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0

8、 m、4.5 m、6.0 m、7.5 m、9.0 m、12m），则该换热器管程数为传热管总根数N =17×4=68(根)（3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表，可得t=0.812平均传热温差tm=ttm=0.812×50.9=41.33()由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流量较大，故取单壳程合适。（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，则t=1.25×2532 (mm) 多管程结构中，隔板中心道离其最近一排管中心的距

9、离可用下式计算：S=（t/2+6）mm横过管束中心线的管数 (根)（5）壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率0.71，则壳体内径为 圆整可取400mm（6）折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20，则切去的圆缺高度为h0.20×40080(mm)，故可取h80 mm。 取折流板间距B0.3D，则B0.3×400120 (mm) 则可取B为150折流板数=（传热管长/折流板间距）-1=（6000/150）-1=39(块)折流板圆缺面水平装配。 （7）接管 壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为 u1.5 m/s，则接管内径为 取标准管径为50 mm。 管程

10、流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.1m/s，则接管内径为 取标准管径为60mm。（8）壳体厚度计算 6换热器核算 （1）热量核算 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用公式 当量直径，由正三角形排列得 壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正管程对流传热系数 管程流通截面积管程流体流速 普兰特准数传热系数K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。 （2）换热器内流体的流动阻力 管程流动阻力Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=4, Ft=1.4由Re13757.79，传热管相对粗糙度0.0

11、1/200.005，查莫狄图得i0.04， 流速0.49376m/s， 994kg/m3，所以 管程流动阻力在允许范围之内。 壳程阻力 Po=(P1+P2)FtNsNsl，Ftl.15流体流过折流板缺口的阻力 总阻力壳程流动阻力也比较适宜。 (3)换热器主要结构尺寸和计算结果 表1 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果换热管形式：浮头式换热面积：27.05m2工艺参数名称管程壳程物料名称冷却水大豆油操作压力Mpa0.40.3操作温度3590流量，kg/h9431.476500流体密度kg/m3994825流速m/s0.489760.1679传热量kw320.67总传热系数

12、W/(m2)315.1对流传热系数W/(m2)2709.92519.4污垢系数m2/W0.0001720.000516阻力降MPa0.0101780.00303268程数41推荐使用材料碳素钢碳素钢管子规格25×2.5mm管数68管长mm6000管间距mm44排列方式每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列折流板形式弓形折流板间距mm150折流板切口高度20%壳体内径mm400结构设计（1）圆筒厚度查GB151-99P21表8得圆筒厚度为：8 mm （2）椭圆形封头 查JB/T4737-95，椭圆形封头与圆筒厚度相等，即8mm公称直径DN（mm）曲面高度（mm）直边高度（mm）碳钢厚度（mm）内表面积A （）容积V（）质量M（kg）60015025804374003532747（3）管箱短节厚度 查GB151-99P20，管箱短节厚度与圆筒厚度相等，即8mm（4）压力容器法兰(甲型)DNDD1D3螺柱规格数量质量6007306906454023M202428.62（5）膨胀节因为 （6）管板 查（化工单元设备设计P25-27）得固定管板式换热器的管板的主要尺寸：公称直径Dbcd螺栓孔数质量6007306905986453610232877(7)分程隔板公称直径 DN/mm隔板最小厚度/mm碳