南昌大学食品工程原理课程设计报告

1、 课程设计报告 课程名称： 食 品 工 程 原 理 题 目： 列管式固定管板式换热器的设计 学 院： 生命科学与食品工程 专 业： 食 品科学与工 程 班 级： 学 号： 学生姓名： 起讫日期： 2014年5月5日至2014年5月12日 指导老师： 目录 概述3一、设计目的与内容5二、设计任务书5三、设计方案简介51.操作条件下流体的物性参数52.列管式换热器型式的选择63.冷热流体流程、流向的选择64.换热器规格及其在管板上的排列方式65.列管式换热器作用66.列管式换热器优点77.设计流程图9四、传热过程工艺计算101.热负荷Q102传热面积A103.换热器的基本尺寸（如d、l、n、管程数

2、级管子的排列）104.K的校正115.传热器面积核算13五、设备结构的设计131.外壳直径及长度13六、主要附属件的选定141.接管直径143.折流挡板164.其他附件17七、设计结果的汇集 17八、主要符号说明18九、设计心得20十、参考文献21 概述： 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。 壳体内装有管束，管束两端固定在管板上。由于冷热流体温度不

3、同，壳体和管束受热不同，其膨胀程度也不同，如两者温差较大，管子会扭弯，从管板上脱落，甚至毁坏换热器。所以，列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。 根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。 （1） 固定管板式 壳体与传热管壁温度之差大于50°C，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。 （2） 浮头式 两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。 特点：结构较为复杂，成

4、本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。（3） U型管式 把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。一、设计目的与内容：设计一台用饱和水蒸气（表压400500kPa）加热水的列管式固定管板换热器，水流量为 85 （t/h），水温由 25 加热到 65 。确保换热器能正常工作，并且节约换热器用材，在使用过程中能节约能量，效率高的效果。二、设计任务书：热负荷 传热面积 管子排列外壳直径及长度 接管直径 外壳及管板厚度设计主视图、左视图（部分剖）。零部件明细表，标题栏表。三、设计方案

5、简介1.操作条件下流体的物性参数蒸汽绝对压力 600 KPa，其相应的温度Ts=158.7 ，此时蒸汽的物性参数： 密度=3.1686 kgm3 汽化潜热=2091.1 kJkg水的定性温度t=45 ，此时水的物性参数：cp= 4174 Jkg；=601.2×10-6 pas；= 0.6403 Wm2k；= 990 kgm32.列管式换热器型式的选择选择：固定板式型3.冷热流体流程、流向的选择冷热流体流程：冷流体走管程，热流体走壳程冷热流体流向： 逆流4.换热器规格及其在管板上的排列方式换热管规格： 25×2.5mm 换热管排列方式：正三角型 5.列管式换热器作用： 换热器

6、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。 换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。 6.列管式换热器优点：(1)换热效率高,热损失小  在最好的工况条件下, 换热系数可以达到6000W/ m2K, 在一般的工况条件下, 换热系数也可以在30004000 W/ m2K左右,是管壳式换热器的35倍。设备本身不存在旁

7、路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。完成同一项换热过程, 板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/ 31/ 4。(2)占地面积小重量轻  除设备本身体积外, 不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0. 60. 8mm。同样的换热效果, 板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。(3)污垢系数低  流体在板片间剧烈翻腾形成湍流, 优秀的板片设计避免了死区的存在, 使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。(4)

8、检修、清洗方便  换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时, 仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。(5)产品适用面广  设备最高耐温可达180 , 耐压2. 0MPa , 特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面, 在低品位热能回收方面, 具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。当然板式换热器也存在一定的缺点, 比如工作压力和工作温度不是很高, 限制了其在较为复杂工况中的使用。同时由于板片通道较小

9、,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。7.设计流程图四、传热过程工艺计算1.热负荷Q Q=mscp（t2-t1）= 3.942×106 W或Js由于热损失约3%-5%，所以Q=Q×1.05=4.1391×106W或Js2 计算水蒸气流量忽略热损失，则水蒸气流量为：=4139.1/2091.1=1.98kg/s3传热面积A Q=KAtm 。 。取K= 1200Wm2·k 由于tm=(t1-T2)/(ln（t1/T2)代人数据得tm=113 由可求得A= 29m2且A，=（1.11.2）A 求出实际A，=1.1A=32m2初选换热器的规格（如d、l、n、管

10、程数级管子的排列）已选管子直径为25×2.5mm，管内径d内= 20mm 通过查表可得最接近的A值为32的标准换热器参数为：公称直径：400mm 管程数：1 管子数：98换热器的实际换热面积So：So=98×3.14×0.025×（4.5-0.1）=33.85该换热器所需要的总传热系数Ko：Ko=1030.57根据验算与所选换热器符合。4.K的校正管程流通截面积A1=0.03077 管程水内的强制对流传热系数取管程水内的流速u=0.77m/s雷诺数 所以1=0.023×i/di×(du/)0.8×(c/)bW/(/)即为a1

11、=0.023×i/di×（Re0.8)（Prb )当流体被加热时b=0.4,当流体被冷却时b=0.3求得1=4223.7 W/(/)（2） 冷凝给热系数及K的计算设壁温=160，则平均温度´=2-187.5=132.5按此温度下查得液态水的物理量如下：=0.6821W/(mK), =pa.s =907.4kg/=0.0233计算得=8169.3W/(/)管程污垢热阻： Rs1=2.6×10-4W/(/)壳程污垢热阻： Rs2=1×10-4W/(/)K的计算 计算结果得k=1270.37 总传热系数裕度 符合要求校核 （T=158.7 t=70）

12、=132.4与假设值相比，认为假设合理。5.传热器面积核算S=Q÷（K×tm ）=27.46 换热面积 裕度为，该换热器能够完成生产任务。5、 设备结构的设计外壳直径及长度（1）外壳直径D管中心距a= 1.25d0=32 mm隔板中心到离其最近一排管心距为s=t/2+6=22mm则各程相邻管管心距为44mm。已知多管程换热器D=1.05t 正三角形排列时=0.7求得D=400mm（2)管板及外壳壁厚度管板厚度管板厚度管板厚度=3/4d0=18.75mm外壳壁厚度外壳壁厚度=10mm（3)折流挡板Nb采用弓形折流板圆缺高度为壳内内径的10%到40%，则切去的圆缺高度为h=0.

13、25×450=112.5mm取折流板间距B=450mm折流板数目Nb=传热管长/折流板间距-1=9(4)外壳长度外壳长度：L=l+D+0.226D+2×S=4.9304m6、 主要附属件的选定1.接管直径（1）水的接管直径接管内水流数取2.5m/s /4×d2×u=ms/d=174mm，查标准表可取d=174mm，此时法兰d=219mm，螺丝接口d=18mm（2） 水蒸气进口直径水蒸气进口流速取10m/s蒸汽压力 600 kPa，密度=3.1686 kgm3 汽化潜热=2091.1 kJkg MS=/4×d2××ud=282

14、mm，查标准表可取d=282mm，此时法兰d=325mm，螺丝接口d=18mm（3） 不凝性气体出口管径76×3mm（4） 冷凝水出口管径282×6mm2、换热器内流体的流动阻力（1） 管程流动阻力（Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）由Re=25076，取传热管管壁相对粗糙度为0.01mm，则，查图摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得，流速，u=0.77m/s,=990kgm3，所以：=2542.3=880.5 对于Ø25mm×2.5mm的管子有，且，（3682.6+1913）21.5=10268.4pa 管程流动阻力在允许范围之内。（2） 壳

15、程阻力流体流经管束的阻力 公式中 F管子排列方式对压力降的校正系数，正三角形排列F=0.5 壳程流体的摩擦系数，当Re>500时，=0.3887 横过管束中心线的管数，11折流板间距B=0.45m，折流板数=9， 壳程流通截面积壳程流体流速为0.50.3887110=3670Pa流体流经折流板缺口的阻力 =1931.5Pa 总阻力 3670+1931.5=5601.5Pa壳程流动阻力也比较适宜。8.折流挡板折流挡板类型：单缺口折流挡板间距：450mm折流挡板厚度：12mm9.其他附件（1） 拉杆拉杆直径=12mm，其数量不少于十根（2） 防冲挡板定距管此壳程大小应设置防冲挡板定距管直径=

16、16mm（3） 支架高200mm，底长75mm7、 设计结果的汇集换热器型式：列管式固定板式换热器换热器面积m2:28.7工艺参数物料名称水水蒸气操作压力，kPa400-500600操作温度。25/65158.7/158.7流量，kg/h851.98密度，kg/m39903.1686流速，m/s1.13510传热量，kw4139.1总传热系数，W/(×)1037.1污垢系数，(/m2)/W2.6×10-4110-4管程数11使用材料不锈钢不锈钢管子规格25×2.5管数98管长4500mm管心距，mm32排列方式正三角形折流板形式上下间距/切口高度450mm/100

17、mm壳体内径，mm400 八、主要符号说明P压力，Pa； Q传热速率，W；R热阻，(/m2)/W ； Re雷若准数；S传热面积，m2； t冷流体温度，；T热流体温度，； u流速，m/s；qm质量流速，t/h； h表面传热系数，W/()；导热系数，W/(/)； 粘度，Pa×s；密度，kg/m3； A传热面积，m2；Pr普朗特系数； Nb折流挡板数；K总传热系数，W/()； qv 体积流量；Nt管程； tm平均传热温差，；九、设计心得为期一个星期的课程设计总算结束了。尽管在设计的过程中,我碰到了各种各样的困难，但是在自己的努力以及同学的帮助下,我都将它们一一克服了。尽管其中的过程很辛苦，但是通过这次课程设计，我学到了很多东西，收获很大。在两年的大学生活中，我们在课堂里学到的仅仅是基础课和专业课的理论知识，而并没有把它们运用到实践中去。这次的课程设计是一个综合性很强的锻炼。从刚刚拿到任务时的茫然，到整个完成设计时的喜悦，整个过程除了如何学会查找合适的数据，计算之外，最重要的是锻炼了独立思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，大到选择公式