课程设计的换热器设计

化工原理课程设计计算

题目：列管式换热器

班级：化工

姓名：鲁波

目录第一章设计方案概述和简介

1.1 概述

1.2 方案简介

1.2.1 列管式换热器的分类

1.2.2 设计方案选定

第二章换热器的设计计算

2.1 物性参数的确定

2.1.1定性温度，取流体进口温度的平均值

2.1.2果汁和水在定性温度下的相关物性参数

2.2 估算传热面积

2.2.1 计算热负荷

2.2.2 确定冷却水用量

2.2.3 传热平均温度差

2.2.4初算传热面积

2.2.5 工艺结构尺寸

2.3换热器校核

2.3.1传热面积校核

2.3.2 壁温的计算

2.3.3 核算压力降

第三章辅助设备的计算和选型

3.1其他附件的设计和计算

3.1.1 拉杆规格

3.1.2 接管

第四章设计结果汇总表

第五章设计评述

参考文献

符号说明

致谢

第一章设计方案概述和简介

1.1 概述

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。化工生产中换热器的使用十分普遍，由于无聊的性质、歘热要求各不相同，换热器的种类很多。了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器是非常重要的。

按照热量交换的方法不同，分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器三种。化工生产中绝大多数情况下不允许冷、热两流体在传热过程中发生混合，所以，间壁式换热器的应用最广泛。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量：另一种流体温度较低，吸收热量。换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中都有广泛应用，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。

1.2 方案简介

根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。

1.2.1 列管式换热器的分类

1.2.1.1 U型管换热器

U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。

1.2.1.2 浮头式换热器

浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。

1.2.2 设计方案选定

1.2.2.1 换热器类型的选择

按照设计任务书的要求，热流体果汁入口温度80℃，出口温度20℃，冷流体是水，入口温度6℃，出口16℃，操作压力小于0.6MPa，果汁的温度变化为60℃比较大。基于这些要求，应选择填料函式换热器，是由于它具有管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引

起的温差应力、制造方便和易于清洗的特点。

1.2.2.2 流体路径的选择

果汁是粘度较大的液体，且需要冷却，所以选择走壳程，并且，填料函式换热器具有不论管内还是管间都易于清晰地优点，又给果汁走壳程增添了有力的理论依据。这样，冷却水即走管程。按照一般情况，选用规格为25*2.5mm的不锈钢无缝管。

1.2.2.3.列管式换热器设计的主要内容

列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流体设计、结构设计、以及强度设计。其中以热力设计最为重要。不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足使用时，均需要进行这方面的工作。热力设计是指根据使用单位提出的基本要求，合理的选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。

第二章换热器的设计计算

2.1 物性参数的确定

2.1.1定性温度，取流体进口温度的平均值

壳程流体果汁的定性温度：

管程流体水的定性温度：

2.1.2果汁和水在定性温度下的相关物性参数

根据定性温度分别查取壳程和管程流体的有关物性数据，果汁在50℃下的物性数据和水在11℃下的物性数据如下表

项目 对象密度

()

比热容

()

导热率

()

黏度

()

果汁105031870.610.00162

水999.554190.20.57690.00128 2.2 估算传热面积

2.2.1 计算热负荷

2.2.2 确定冷却水用量

则流动方式选用逆流

2.2.3 传热平均温度差

2.2.4初算传热面积

参照传热系数的K的大致范围，取K=295 W/㎡℃。

则估算传热面积

取实际面积为估算面积的1.15倍，则

2.2.5 工艺结构尺寸

2.2.5.1 选定换热管规格

依据流体粘度来选定换热管规格。由于管内走水，换热管采用无缝不锈钢管，则其内径 ，外径 。取管内流体流速0.5m/s,则估算换热管数量

根

根据实际面积，估算换热管长度，若采用4管程，则每程长为6m。所以总管数为根。

2.2.5.2 确定换热管排列方式

基于所估算的管程数，应该需要排列紧凑，换热效果好的管子排列的方式，所以采用正三角错列形式。管子与管板采用焊接结构。

管心距 。则各程相邻管的管心距

2.2.5.3 壳体的相关参数

采用多管程的换热器，壳体内径可按照式计算。取（管板利用率）=0.8

按壳体标准圆取整 。

2.2.5.4 绘制管板布置图、确定实际换热管数

换热管的排列方式为正三角形式，则中心线上管数应按照式来计算

所以，中心管数为11根，换热管的大致排列方式如右图所示，按照正三角形排列法，每行管数都比前一行的少1，距中心线最远一行的换热管数为6。

实际的排管数为11+2*10+2*9+2*8+2*7+2*6=91 。扣除4根拉杆，则实际换热管数为根。

取管板厚度为50mm ，规定管子与管板焊接时伸出官办的长度为3mm，所以实际换热面积 ㎡，管内的实际流速：

实际流速小于1.8m/s，属于实际情况。

其切去的圆缺高度

允许的折流板最小间距，所以选用 折流板的间距为。

换热器为卧式，且过程中流体没有相变，所以选用水平装配弓形折流板(横向)，且不必另设支撑板。

所以可得用到的折流挡板数为 块。

所以，综上所述换热管的总体规格可表示为：

壳径/mm 400 总管数 100

管程数 4 排列 正三角

换热管尺寸/mm 管中心距/mm 32

实际传热面积/㎡ 40.95 折流板间距/mm 200

管长/m 6 折流板形式 弓形折流板2.3换热器校核

2.3.1传热面积校核

2.3.1.1 传热温度差

计算P和R

根据P、R值，查温校正系数图，，所以，所选的单壳程是可行的。

2.3.1.2 总传热系数

2.3.1.2.1 对于走管程的水（管程）

雷诺数 ：

普朗特常量 ：

管径比 ： （管径取内径）

水是被加热的

在式 中，k取0.4 。

管内传热膜系数 =4194.44 W/㎡℃

2.3.1.2.2 对于走壳程的果汁

雷诺数： ，其中为当量直径，对于以正三角形排列的换热管所以，

普朗特常量

壳程的传热膜系数

其中，果汁是被冷却的，则 =0.95

壳程的传热膜系数

W/㎡℃

2.3.1.2.3 污垢热阻和管壁热阻

查表得[13],果汁为一般有机物，其污垢热阻常为 ㎡℃/W，是管外侧的污垢热阻。水的污垢热阻为管内测污垢热阻，㎡℃/W。已知管壁厚为b=0.0025m，取碳钢的导热率为

2.3.1.2.4 计算总传热系数

其中

代入上式，即

W/㎡℃

2.3.1.3 传热面积校核

经过以上一系列的计算，可知 ，W/㎡℃ 所以，可计算所需的换热面积 ，而已计算出换热器的实际传热面积A=40.27㎡，则，说明该换热器有20％的面积富、裕度，在10％~25％之内，能够完成生产任务。

2.3.2 壁温的计算

换热器壁温可由下式估算：

其中，=o= 2653.3 W/㎡℃ , =549.98 W/㎡℃ , ,

代入上式有：℃ ，此即为换热管的平均壁温。壳程的壁温可近似地取果汁的定性温度，℃。于是，管、壳程 [流体的壁温差为=50-38.4=11.6℃ 50℃，所以不必再另设置温差补偿。

2.3.3 核算压力降

2.3.3.1管程压力降：有三部分组成，可按下式计算：

其中，，，

Ft = 1.4(对252.5mm的换热管而言)，Np为管程数 4，Ns为串联的壳程数 1，而

，

所以，可带入求的管内压力降：

2.3.3.2 壳程压力降：按照埃索法进行计算

其中，=F，，Fs(对于液体)= 1.15， Ns(壳程)= 1，F（正三角形排列）= 0.5，= 中心管数，折流板数，B 折流板间距，壳体内径。

，

，

所以，可带入求得壳程压力降为

计算结果表明，管程和壳程的压力降运能满足设计要求。

第三章辅助设备的计算和选型

3.1其他附件的设计和计算

3.1.1 拉杆规格

拉杆选取外径16mm的拉杆，共4根，均匀布置在管束外边缘。

3.1.2 接管

3.1.2.1 管程进出口接管

取管内流速 （允许范围内的最大流速）

由

按接管标准圆取整，取规格。

3.1.2.2 壳程流体进出口接管

取壳程流速 （允许范围内的最大流速）

由

按照接管标准圆取整，取规格。

第四章设计结果汇总表

换热器形式：填料函式换热器

换热面积（m2）：33.56

工艺参数

名称壳程管程

物料名称果汁循环水操作压力，Mpa0.40.3

操作温度，℃80/206/16

流量，kg/h2000115.31流体密度，kg/m31050999.55流速，m/s0.5000.90

传热量，kW106700

总传热系数，W/m2.℃312.09

对流传热系数，W/m2.℃2653.484194.44污垢系数，m2.℃/W0.000260.000176阻力降，pa434.17317.8程数41推荐使用材料不锈钢、无缝不锈钢、无缝

管子规格，mmФ25*2.5管数，80管长，6000mm 管间距，mm32排列方式正三角形

折流板形式弓形上下间距，200mm切口高度22.5%

壳体内径，mm305保温程厚度，

mm

通过本次的课程设计，我不仅学会了换热器设计本身，还对食品工程原理的课程有了相关的回顾，同时对办公软件也有了进一步的了解。