列管式换热器的设计课程设计任务书

./食品工程原理课程设计说明书列管式换热器的设计：学号：班级：20XX12月24日食品工程原理课程设计任务书：学号：班级：设计题目：列管式换热器设计设计容设计容某生产过程中,需将11200kg/h的牛奶从140℃冷却至50℃,冷却介质采用循环水,循环水入口温度20℃,出口温度为40℃。允许压降不大于105Pa。试设计一台列管式换热器并进行核算。牛奶定性温度下的物性数据：密度1040kgm-3；黏度1.103*10-4Pas；定压比热容2.11kJ/<kg℃>；热导率0.14W/<m℃>完成日期20XX12月21日设计要求序号设计容要求1工艺计算热量衡算,确定物性数据,计算换热面积2结构尺寸设计管径、流速、管程数、传热管数、壳径、壳程数、折流板数等3核算热量核算、流动阻力计算4编写设计说明书目录,设计任务书,设计计算及结果,参考资料等5其他设计的评述及有关问题的分析和讨论6图纸2#主视图〔设备的主要结构形状及主要零部件间的装配连接关系尺寸〔表示设备的总体大小规格装配安装等尺寸主要零部件编号及明细栏管口符号及管口表等目录一、设计意义4二、主要参数说明4三、设计计算51、确定设计方案-52、确定物性数据53、计算总传热系数64、计算传热面积75、工艺结构尺寸76、换热器核算91热量核算92换热器流体的流动阻力113换热器主要结构尺寸和计算结果总表12四、参考文献13设计意义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。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,以满足不通场所的需求。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,尤其是其管束可以抽出,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/ｓ；W——质量流量,kg/s；a——对流传热系数,Δ——有限差值；λ——导热系数,；μ——粘度,Pa.s；ρ——密度,kg/m3；φ——校正系数；下标c——冷流体；h——热流体；i——管；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11200kg/h的牛奶从140℃冷却至50℃,冷却介质采用循环水,循环水入口温度20℃,出口温度为40℃。允许压降不大于105Pa。试设计一台列管式换热器并进行核算。〔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140℃,出口温度50℃,冷流体<循环水>进口温度20℃,出口温度40℃。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,牛奶走壳程。选用ф25×2.5的碳钢管,管流速取=1.0m/ｓ。2．确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程牛奶的定性温度为T==95〔℃管程冷却水的定性温度为t=〔℃根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。牛奶在95℃下的有关物性数据如下：密度=1040kg/m3定压比热容=2.11kJ/<kg·℃>导热系数=0.140W/<m·℃>粘度=0.0001103Pa·s循环冷却水在35℃下的物性数据：密度=995.7kg/m3定压比热容=4.17kJ/<kg·℃>导热系数=0.617W/<m·℃>粘度=0.0008012Pa·s

3．计算总传热系数〔1热流量Qo=WoCpoΔto=11200/3600×2.11×<140-50>=590.8<kW>〔2平均传热温差′===58.14〔℃〔3冷却水用量Wi=〔4总传热系数K取K=500W/<mk>粗估传热面积S=Q/K△t=20.32〔m考虑15％的面积裕度.S=1.15×S′=1.15×20.32=23.37<m2>。5．工艺结构尺寸〔1管径和管流速选用ф25×2.5传热管〔碳钢,取管流速ui=1.0m/s。2管程数和传热管数依据传热管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m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=7m,则该换热器管程数为〔管程传热管总根数N=23×2=46<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φΔt=0.91平均传热温差Δtm=φΔtΔ′tm=0.91×58.14=52.91<℃>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=1.25×25≈32<mm>隔板中心到离其最近一排管中心距离S=+6=22〔m各程相邻管的管心距为44m横过管束中心线的管数〔5壳体径采用多管程结构,取管板利用率η＝0.70,则壳体径为圆整可取325mm〔6折流板采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体径的25％,则切去的圆缺高度为h＝0.25×325＝81.25<mm>,故可取h＝80mm。取折流板间距B＝0.3D,则B＝0.3×325=97.5<mm>则可取B为100折流板数=传热管长/折流板间距-1=7000/100-1=69<块>折流板圆缺面水平装配。〔7接管壳程流体进出口接管：取接管牛奶流速为u＝2.0m/s,则接管径为取标准管径为45mm。管程流体进出口接管：取接管循环水流速u＝2.0m/s,则接管径为圆整后取接管径为70mm。6．换热器核算〔1热量核算①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0.01*0.325*〔1—0.025/0.032=0.00656〔m壳程流体流速及其雷诺数分别为普兰特准数粘度校正W/<m2·K>②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〔3污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻：R=0.000176〔管侧污垢热阻：取碳钢的热导率为50w/〔mk所以③传热系数K④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壁温核算因管壁很薄,且管壁热阻很小,该换热器用循环水冷却,且传热管侧污垢热阻较大,会使传热管壁温升高,降低了壳体和传热管壁温之差,但在操作初期,污垢热阻较小,课题和传热管壁温之差可能较大,计算中,应按最不利的操作条件考虑,因此,区两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。传热管平均壁温t=46.05壳体壁温T=95壳体壁温和传热管壁温之差为该温差较大,故需要温度补偿装置。〔2换热器流体的流动阻力①管程流动阻力∑ΔPi=<ΔP1+ΔP2>FtNsNpNs=1,Np=2,Ft=1.5由Re＝24492.12,传热管相对粗糙度0.2/20＝0.01,查莫狄图得λi＝0.04W/m·℃,流速＝0.9098m/s,＝995.7kg/m3,所以〔Pa＜管程流动阻力在允许围之。②壳程阻力∑ΔPo=<ΔP′1+ΔP′2>FtNsNs＝l,Ft＝l.15流体流过折流板缺口的阻力＜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参数管程壳程流率<Kg/h>25502.1611200进/出口温度/℃20/40140/50压力/MPa物性定性温度/℃3095密度/〔kg/m3995.71040定压比热KJ/〔kg•℃]4.172.11粘度/〔Pa•s8.012×1.103×热导率〔W/m•k普朗特数5.411.66设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体径/㎜325台数1管径/㎜Φ25×2.5管心距/㎜32管长/㎜7000管子排列△管数目/根46折流板数/个69传热面积/㎡25.28折流板间距/㎜100管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/〔m/s0.90982.0表面传热系数/[W/〔㎡•k]4