煤油換熱器的設(shè)計(jì)

1、食品科學(xué)與工程學(xué)院食品工程原理課程設(shè)計(jì)說明書任務(wù)名稱：列管換熱器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)人員：專 業(yè)：食品科學(xué)與工程專業(yè)班級(jí)組別：設(shè)計(jì)時(shí)間：2014年1月07日目 錄 列管換熱器設(shè)計(jì)目 錄目 錄III1 設(shè)計(jì)任務(wù)書12 換熱器概述23 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介23.1 換熱器類型23.2 流動(dòng)空間選擇23.3 物性參數(shù)34 過程工藝計(jì)算34.1 熱負(fù)荷34.2 平均傳熱溫差35 初選換熱器規(guī)格36 參數(shù)核算46.1 管程對(duì)流換熱系數(shù)46.2 殼程對(duì)流換熱系數(shù)56.3 污垢熱阻66.4 總換熱系數(shù)66.5 管程進(jìn)出管66.6 殼程進(jìn)出口管76.7 浮頭箱76.8 浮頭77 校驗(yàn)壓力降87.1 管程壓力降87.2 殼程壓力

2、降88 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表97 產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖108 設(shè)計(jì)評(píng)論10參考文獻(xiàn)12- 11 -列管換熱器設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：煤油換熱器的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)1.處理能力：3.0*105噸/年煤油2.設(shè)備型式:列管式換熱器3.操作條件:煤油:入口溫度160 ,出口溫度 45冷卻介質(zhì):循環(huán)水,入口溫度20,出口溫度40.允許壓降:不大于105Pa煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù):=825kg/m3=7.15*10-4PaSCp=2.22kJ/(kg)=0.14W/(m)每年按330天計(jì),每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行三、設(shè)備型式:列管式換熱器四、設(shè)計(jì)任務(wù)：1.設(shè)計(jì)計(jì)算列管式換熱器的熱負(fù)荷、傳熱面

3、積、換熱管、殼體、接管等。2.繪制列管式換熱器的工作圖。2 換熱器概述換熱器（Heat Exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。 列管式換熱器工業(yè)上使用最廣泛的一種換熱設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)是單位體積的傳熱面積、處理能力和操作彈性大，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其在高溫、高壓和大型裝置中采用更為普遍。列管式換熱器主要有以下幾個(gè)類

4、型：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、 U 形管式換熱器等。 設(shè)計(jì)一個(gè)比較完善的列管式換熱器，除了能滿足傳熱方面的要求外，還應(yīng)該滿足傳熱效率高、體積小、重量輕、消耗材料少、制造成本低、清洗維護(hù)方便和操作安全等要求。 列管式換熱器的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)根據(jù)化工生產(chǎn)工藝條件的要求，通過化工工藝計(jì)算，確定換熱器的傳熱面積，同時(shí)選擇管徑、管長(zhǎng)，確定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)，然后進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)13。3 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介3.1 換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體（煤油）進(jìn)口溫度為160，出口溫度45；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度為20，出口溫度為40。 殼程煤油的定性溫度： 管程流體的定性溫度： 兩流體溫差： 因?yàn)?，所以選用浮

5、頭式換熱器。3.2 流動(dòng)空間選擇由于循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程；兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，因水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大，所以水走管程49。因逆流時(shí)的平均溫度差最小，傳熱推動(dòng)力大，可節(jié)省冷卻介質(zhì)的用量，操作無特殊要求，故流動(dòng)方式選逆流。3.3 物性參數(shù)對(duì)于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度都可以取流體的進(jìn)出口溫度的平均值1013。故煤油的定性溫度為：Tm=102.5，管程流體的定性溫度為：tm=30。在定性溫度下，流體的物性參數(shù)如下表所示：表1 定性溫度下煤油與冷卻水的物性參數(shù)Tab.1 Physical paramet

6、ers of kerosene and cooling water qualitative temperature under 物性參數(shù)溫度密度kgm3黏度Pas比熱容kJ(kg)導(dǎo)熱系數(shù)W(m)煤油102.58257.15*10-42.220.140冷水30992.20.0006534.170.6344 過程工藝計(jì)算4.1 熱負(fù)荷 若忽略換熱器的熱損失，水的流量可由熱量衡算求得，即： 4.2 平均傳熱溫差逆流溫差： 由R和P查圖得，故選用單殼程的列管式換熱器。 5 初選換熱器規(guī)格根據(jù)管內(nèi)為冷水，管外為煤油，K值范圍，初選，所以 考慮15%的面積裕度： 經(jīng)過查表選擇的換熱器的總面積為125.1

7、2 m2，因此，初選固定管板式換熱器規(guī)格如下1418：表2 固定管板式換熱器初選規(guī)格Tab.2 Primaries specifications of fixed tube plate heat exchanger 項(xiàng)目尺寸項(xiàng)目尺寸殼徑D/mm700管長(zhǎng)L /m6 m公稱面積/m2123.7管子直徑25 mm×2.0 mm管程數(shù)NF2管子排列方法正三角形殼程數(shù)數(shù)1管數(shù)n268換熱器的實(shí)際傳熱面積換熱器要求的總傳熱系數(shù)為：6 參數(shù)核算6.1 管程對(duì)流換熱系數(shù) Re>10000, Pr=0.7160 , 管長(zhǎng)與管徑之比： 所以（液體被加熱）錯(cuò)了，0.0236.2 殼程對(duì)流換熱系數(shù)換

8、熱器中心附近管排中流體通截面積為h折流擋板間距，t管中心距，對(duì)的管子，由正三角形排列，得： 因?yàn)樵诜秶鷥?nèi)，故可由下式計(jì)算。液體被冷卻 6.3 污垢熱阻經(jīng)查表得： 6.4 總換熱系數(shù)管子材料選用Q345R低碳合金鋼，取其導(dǎo)熱系數(shù) 選用該換熱器時(shí)，要求過程的總傳熱系數(shù)為，在傳熱任務(wù)所規(guī)定流動(dòng)條件下，計(jì)算出，所選擇的換熱器的安全系數(shù)為：該數(shù)值在15%25%之間，所以換熱器傳熱面積的裕度符合要求。6.5 管程進(jìn)出管進(jìn)出口流通截面積為：進(jìn)出口管內(nèi)徑為：取用的熱扎鋼管6.6 殼程進(jìn)出口管進(jìn)出口流通截面積為：進(jìn)出口管內(nèi)徑為：取用熱扎鋼管。6.7 浮頭箱外頭蓋內(nèi)直徑：外頭蓋同樣采用材質(zhì)為鋼的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，=

9、12mm曲面高度：直邊高度6.8 浮頭如圖示為浮頭端的裝配圖，包括碟形蓋，鉤圈法蘭和浮動(dòng)管板，由于浮動(dòng)管板要與管子脹接后從殼體一端伸到另一端，因此管板的外直徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑，其主要尺寸如下：圖1 浮頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of floating structure浮動(dòng)管板外直徑： 浮動(dòng)管板厚：浮頭法蘭外徑：浮頭法蘭內(nèi)直徑：碟形蓋內(nèi)半徑：厚度：取15mm7 校驗(yàn)壓力降7.1 管程壓力降前已計(jì)算出：（湍流）取鋼管壁粗糙度0.2mm，則由摩擦系數(shù)圖查得，所以對(duì)于的管子，所以 7.2 殼程壓力降其中 管子為正三角形排列，取 折流板數(shù)： 所以 從上面計(jì)算可知，該換熱器

10、管程與殼程得壓強(qiáng)降均滿足題設(shè)要求，故所選換熱器合適1922。8 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表?yè)Q熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見表3。表3 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸一覽表Tab.3 A list main structure size of the heat exchanger換熱器型式：浮頭式式換熱器管口表?yè)Q熱面積（）： 155.4符號(hào)尺寸連接型式工藝參數(shù)管程320×4mm螺紋連接名稱管程殼程殼程300×4mm螺紋連接物料名稱水煤油操作壓力，MPa2.01.6操作溫度，30102.5流量，/h1.16×1053.79×104流體密度，/ m3992

11、.2825附圖:流速，m/s0.70.4傳熱量，kw2.69×103總傳熱系數(shù)， W(m2 )528.65對(duì)流傳熱系數(shù)， W(m2 )2654.57735.52污垢系數(shù)， W(m2 )阻力降，Pa9431.87276.23程數(shù)21推薦使用材料鋼鋼管子規(guī)格mmmm管數(shù)268管間距mm32排列方式正三角錯(cuò)列折流板形式水平圓缺型間距mm210殼體內(nèi)徑mm700管長(zhǎng)mm60007 產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖經(jīng)過對(duì)列管式換熱器的參數(shù)計(jì)算，確定滿足設(shè)計(jì)要求的換熱器各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，利用Autodesk CAD2013進(jìn)行換熱器的整體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)剖視圖圖如圖所示，詳細(xì)參數(shù)見附錄一。圖2 浮頭式換熱器剖視圖Fig.2 T

12、he cutaway view of Floating head heat exchanger8 設(shè)計(jì)評(píng)論浮頭式換熱器的工藝設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：根據(jù)具體換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)的設(shè)備類型，查找資料確定流動(dòng)液體的物性參數(shù)；初步計(jì)算過程工藝參數(shù)，確定換熱器的規(guī)格和結(jié)構(gòu)尺寸；根據(jù)初選情況，核算換熱器的傳熱面積和流體阻力；確定換熱器的設(shè)計(jì)結(jié)果，確定設(shè)計(jì)一覽表中各項(xiàng)參數(shù)具體數(shù)值，繪制換熱器的CAD圖形。在選擇換熱器的類型時(shí)，我們考慮到兩種流體的進(jìn)出口溫度，在定性溫度確定后，考慮到兩流體的溫度相差較大（72.5），就可能由于熱應(yīng)力而引起管子彎曲或使管子從管板上拉脫，因此需要考慮這種熱膨脹對(duì)換熱器的影響

13、。但在確定哪一種流體走殼程哪一種走管程時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)有一些相互矛盾的因素存在，在經(jīng)過我們討論與咨詢之后，綜合各種考慮因素，最終確定了管程與殼程的流體類型，同時(shí)也確定了選擇浮頭式內(nèi)導(dǎo)流換熱器作為本次課程設(shè)計(jì)的基本方案。在換熱器的類型、流動(dòng)空間的選擇以及物性參數(shù)確定后，我們首先對(duì)工藝過程的一些基本參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，在算出換熱面積之后，我們考慮到15%的面積裕度，并根據(jù)面積以及換熱器的類型查表，選擇一個(gè)換熱面積相近的標(biāo)準(zhǔn)換熱器。隨后對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)核算。在核算換熱系數(shù)時(shí)，我們返工了3次，因?yàn)檫x擇的型號(hào)面積裕度并未在10%25%之間，后來由返工了1次，實(shí)在校核壓力降時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力降過大。在數(shù)次的返工中，我們

14、發(fā)現(xiàn)之前的選擇以及考慮中存在的問題，同時(shí)也不斷優(yōu)化了計(jì)算的過程，同時(shí)也更加熟悉了整個(gè)換熱器設(shè)計(jì)的過程。設(shè)計(jì)評(píng)論：（1）本設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)任務(wù)的各項(xiàng)要求，同時(shí)設(shè)計(jì)的浮頭式內(nèi)導(dǎo)流換熱器符合生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)要求。(2)設(shè)計(jì)的浮頭式列管換熱器水走管程，煤油走殼程有效的提高了換熱效率,降低了生產(chǎn)的投入，同時(shí)充分考慮到溫差對(duì)換熱器造成的影響。(3)設(shè)計(jì)的浮頭式列管換熱器為一殼程二管程。(4)在繪制CAD圖、計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)的過程中，我們已盡力做到自己可以完善的地步，但可能還與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有一定的差異，也可能還有很多沒有考慮周到的地方，敬請(qǐng)老師批評(píng)指正。參考文獻(xiàn)1 包建華,徐云升. 濃縮果汁生產(chǎn)過程中能耗的研究J. 科技信息

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