換熱器設(shè)計(jì)案例

1、換熱器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)基本參數(shù)處理能力：5000kg/h設(shè)備型式：列管式換熱器操作條件：冷卻介質(zhì)：水入口溫度：10，出口溫度：17；果漿： 入口溫度：80，出口溫度：20。二、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介2.換熱器類型選擇按照設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，冷卻介質(zhì)：水入口溫度：10，出口溫度：17；果漿： 入口溫度：80，出口溫度：20。鑒于要冷卻的材料是果漿，流體壓力不大，溫度變化為8020，管程與殼程的溫度差較大（相差50以上），加上考慮清洗要求高等因素，本次設(shè)計(jì)我決定采用浮頭式換熱器。浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。這種換熱器有一端的管板不與殼體相連，可沿管長(zhǎng)方向自由伸縮，即具有浮頭結(jié)構(gòu)，當(dāng)殼體與管束的熱膨

2、脹不一致時(shí)，管束連同浮頭可在殼體內(nèi)軸向上自由伸縮。這種結(jié)構(gòu)不但徹底消除熱應(yīng)力，而且整個(gè)管束可以從殼體中抽出，便與管內(nèi)管間的清洗，維修。因此，用材量大，造價(jià)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但應(yīng)用仍十分廣泛?？紤]到水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下，綜合考慮以上標(biāo)準(zhǔn)，確定果漿應(yīng)走管程，水走殼程。由于果汁有弱酸性，又因不銹鋼管較碳鋼管有較好的抗酸腐蝕性，故選用的不銹鋼管。由于增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動(dòng)力消耗就增多。查閱資料管程一般液體流

3、速0.5-3m/s，易結(jié)垢液體>1m/s。故擬取流速為2m/s。三、工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算3.1確定設(shè)計(jì)方案3.1.1換熱器類型 浮頭式換熱器3.1.2流體流動(dòng)形式為了增大平均溫差，節(jié)省操作費(fèi)用，本次設(shè)計(jì)采用逆流的流動(dòng)方式。3.2確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：對(duì)于一般液體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)、出口溫度的平均 值。 故：果漿的定性溫度為 水的定性溫度為 t = 果漿在50下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 ： = 1058 kg/定壓比熱容： Cpo =3584 J/(kg·)導(dǎo)熱系數(shù) ： =0.61 W/(m·)0m黏度 ： = 2×10-3 Pa·

4、;s水在13.5下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 ： = 999.7 kg/ 定壓比熱容：Cpi= 4191 J/(kg·) 導(dǎo)熱系數(shù) ： = 0.58 W/(m·)黏度 ： = 1.2×10-3 Pa·s3.3計(jì)算總傳熱系數(shù)3.3.1熱負(fù)荷3.3.2平均傳熱溫差所以=28.8（）3.3.3水用量3.3.4總傳熱系數(shù)K（1）管程傳熱系數(shù)：>4000 (湍流區(qū)) 對(duì)流傳熱系數(shù)： （2）殼程傳熱系數(shù)：假設(shè)殼程的傳熱系數(shù) W/(·) 污垢熱阻 Rso=0.0003(m·)/W Rsi=0.0002(m·)/W 管壁的導(dǎo)熱系數(shù) =

5、17.4W/(m·) 3.4計(jì)算換熱面積 考慮15%的面積裕度：3.5工藝尺寸計(jì)算3.5.1 管徑和流速取的不銹鋼管,流速u=2m/s.3.5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)（根）按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為：傳熱管長(zhǎng)： 按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=3m，則該換熱器的管程數(shù)為:管程數(shù)：總根數(shù)：因此此換熱器采用單殼程，6管程的結(jié)構(gòu)3.5.3傳熱管排列和分程方法浮頭式換熱器為了清洗方便，采用正方形錯(cuò)列排列方法。取管心距橫過(guò)管束中心線管數(shù)：3.5.4殼體內(nèi)徑的確定采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體

6、內(nèi)徑為：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可取D=450mm。3.5.5.折流板弓形折流板高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去圓缺的高度為：取h=110mm折流擋板間距： 取B=100mm折流擋板數(shù)目：3.5.6.接管管程流體進(jìn)出口接管為：，則接管內(nèi)徑為：圓整后可取管內(nèi)徑為：30mm殼程流體進(jìn)出口接管取接管內(nèi)液體流速為：圓整后可取管內(nèi)徑為：100mm四、換熱器核算4.1熱量核算4.1.1傳熱溫度差校正平均傳熱溫差校正系數(shù)：R=8.57 P=按單殼程，6管程結(jié)構(gòu)，查溫差校正系數(shù)表，用代替R，用PR代替P,查表得：，平均傳熱溫差4.2總傳熱系數(shù)K的計(jì)算4.2.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形折流板,可采用克恩公式： 當(dāng)量直徑，由正方形

7、排列得： 殼程流通截面積：取折流板間距B=0.10m，D=0.40m殼程流體流速： 雷諾數(shù)：普蘭特?cái)?shù)：流體被冷卻，黏度校正（）0.954.2.2.管程對(duì)流傳熱系數(shù) （n值當(dāng)流體被加熱時(shí)取0.4，被冷卻時(shí)取0.3）管程流體流通截面積：管程流體流速：雷諾數(shù)：>4000普蘭特?cái)?shù)： 4.2.3.污垢熱阻和管壁熱阻 查表知管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：Rso=0.000344(m2·)/W Rsi=0.000172(m2·)/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =17.4W/(m·)4.2.4.總傳熱系數(shù)K的計(jì)算 4.3傳熱面積校核所需傳熱面積換熱器實(shí)際傳熱面積：傳熱面積裕度：H=該換熱器的面積裕

8、度在10-25之間，則所設(shè)計(jì)換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。五、換熱器結(jié)果總匯表參數(shù)管程（果漿）殼程（水）流率/(Kg/h)500042860進(jìn)（出）口溫度/80（20）10（17）物性定性溫度/5013.5密度/(kg/m3)1058999.7定壓比熱容/kJ/(Kg·)3.5844.191黏度/Pa·s2×10-31.2×10-3熱導(dǎo)率/W/(m·0.610.58普朗特?cái)?shù)8.6711.75設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm426臺(tái)數(shù)1管徑/mm25×2管心距/mm32管長(zhǎng)/mm3000管子排列正方形管數(shù)目/根108折流板數(shù)/個(gè)2

9、9傳熱面積/m222.37折流板間距/mm100管程數(shù)6材質(zhì)不銹鋼主要涉及結(jié)果管程殼程流速/(m/s)1.910.15表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/(m2·1463.955048.87污垢熱阻/(m2·)/W0.0001720.00052熱流量/Kw298.67傳熱溫差/26.29傳熱系數(shù)/W/(m2·627.70裕度1.191六、設(shè)計(jì)評(píng)述通過(guò)本次的課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)和工作原理有了進(jìn)一步的理解。并在設(shè)計(jì)過(guò)程中掌握了一定的工藝計(jì)算方法。同時(shí)，也讓我更深刻的了解到全局觀念的重要性。在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)：首先要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的換熱器形式。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的核算，固定管板式和

10、浮頭式換熱器能夠滿足本次設(shè)計(jì)的基本需求。浮頭式換熱器雖然是從性能各方面看都是本次設(shè)計(jì)理想的換熱器，但是對(duì)于同樣能滿足需求的兩個(gè)換熱器來(lái)說(shuō)，固定管板式換熱器成本相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維修和清洗。所以綜合考慮設(shè)計(jì)參數(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面條件后，我最終選擇了固定管板式換熱器。其次，要選擇合適的流體流徑。根據(jù)選擇的主要因素分析，有好多理論相互之間是矛盾的，并不能使條件一一滿足。所以要抓住主要矛盾，依據(jù)傳熱效果好，清洗方便等具體情況分析，最終選擇了水走殼程，果漿走管程?？紤]到果漿產(chǎn)品的衛(wèi)生要求，為減少果漿的污染，換熱器材質(zhì)選用不銹鋼材料。每程內(nèi)都采用正方形排列，正方形排列便于機(jī)械清洗。本設(shè)計(jì)所有參數(shù)經(jīng)反復(fù)核算

11、，保證各參數(shù)均在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)，準(zhǔn)確可行。七、參考資料1.天津大學(xué)化工原理教研室.化工原理課程設(shè)計(jì).化工出版社,1997,第一版2.聶清德.化工設(shè)備計(jì)算.化工出版社,1991,第一版3.馮骉.食品工程原理.中國(guó)輕工業(yè)出版社,2007,第一版4.許學(xué)勤.食品工廠機(jī)械與設(shè)備.中國(guó)輕工業(yè)出版社,2008,第一版5.楊祖榮.化工原理.化學(xué)工業(yè)出版社,2009,第二版八、主要符號(hào)說(shuō)明符號(hào)意義及單位符號(hào)意義及單位B折流板間距，mP壓力，PaCp熱容，kJ/(kg·)Pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)d管徑，mq熱通量，W/m2D換熱器外殼內(nèi)徑，mQ傳熱速率，Wf摩擦系數(shù)r半徑，mF系數(shù)R熱阻，m2·/Wh圓缺高度，mRe雷諾數(shù)K總傳熱系數(shù)，W/(m2·)S傳熱面積，m2L管長(zhǎng)，mqm質(zhì)量流量，m3/sA流通截面積，m2RS污垢熱阻，m2·/WN管數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·)；Np管程數(shù)有限差值NB折流板數(shù)導(dǎo)