吉林化工學院食品工程原理課程設計吉林化工學院食品工程原理課程設計題目年處理量為1.5萬噸的熱水冷卻換熱器設計教學院化工與生物技術學院專業(yè)班級食品科學與工程1202班學生姓名劉旭輝學生學號12340206指導教師劉洋2014年5月13日目錄TOC\o"1-4"\h\u11642摘要 概述與設計方案的選擇1.1概述1.1.1換熱器的分類換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位。由于生產規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備，在許多工業(yè)部門被大量采用。1.1.2列管式換熱器的分類與特點列管式換熱器是目前化工上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償結構來分，主要有以下幾種：1.1.2.1．固定管板式換熱器這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于60～70℃和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就應考慮其他結構。。1.1.2.2．U型管式換熱器：U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點是結構簡單，質量輕，適用于高溫高壓條件。1.1.2.3．浮頭式換熱器：換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當兩種換熱器介質的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產生溫差應力。其缺點為結構復雜，造價高。1.1.2.4.填料函式換熱器：這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質。1.2設計方案的選擇1.2.1選擇換熱器的類型熱流體進口溫度80℃，出口溫度60℃；冷流體進口溫度22℃，出口溫度40℃。兩流體平均溫度差（-）=39小于50，根據(jù)列管式換熱器的分類與特性表，結合上述工藝要求，故選用固定管板式換熱器。1.2.2流動空間及流速的確定1.2.2.1流動空間的確定工藝設計計算在列管式換熱器設計中，冷、熱流的流程，進行合理安排，一般應考慮以下原則。①易結垢流體應走易于清洗的側.對于固定管板式、浮頭式換熱器，一般應使易結垢流體流經(jīng)管程，而對于l一I鉀換熱器，易結垢流體應走殼程。有時在設計上需要提高流體的速度，以提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，在這種情況下，應將需要提高流速的流體放在管程。這是因為管程流通截面積一般較小，且易于采用多用管程結構以提高流速。③其有腐蝕性的流體應走管程，這樣可以節(jié)約耐腐蝕材料用降低換熱器成本。④壓力高的流體應走管程。這是因為管子直徑小，承壓能力強，能夠避免采用耐壓的殼體和密封措施。⑤具有飽和蒸汽冷凝的換熱器，應使飽和蒸汽走殼程，便于排出冷凝液。⑥粘度大的流體應走殼程，因為殼程內的流體在拆流板的作用下，流通截面和方向都不斷變化，在較低的雷諾數(shù)下就可達揣流狀態(tài)。應該說明的是，上述要求常常不能同時滿足，在設計中應考慮其中的主要問題，首先滿足其中較為重要的要求。由于當液體溫度升高時，粘度隨著減小，故有循環(huán)水走殼程，因為殼程內的流體在拆流板的作用下，流通截面和方向都不斷變化，在較低的雷諾數(shù)下就可達揣流狀態(tài)。在兩流體的粘度力看，應該使熱水走管程，循環(huán)冷卻水走殼程，但是由于循環(huán)冷卻水易結垢，若其流速太低，將會加快污垢的增長速率，使換熱器熱流量下降，所以，從總體考慮，應該使熱水走殼程，循環(huán)冷卻水走管程。1.2.2.2流體流速的確定流體的流速對傳熱來說非常的重要，因為在滯留層的傳熱是一熱傳導為主，熱傳導的傳熱速率小于對流傳熱。所以如果流速太小它形成的滯留層會很厚，會大大減小傳熱速率，又因如果流速太小雜質會在壁面沉積也會導致傳熱速率的下降，提高流體在換熱器中的流速，可以增大對流體傳熱系數(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)增加，所需要傳熱面積減少，設備費用降低。但是流速增加，流體阻力將相應加大，使操作費用增加。所選擇流速時應該綜合考慮。此外，在選擇流速時，還需考慮結構上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時應予考慮的問題。下表列出工業(yè)一般采用的流體流速范圍。表1-1介質循環(huán)水新鮮水低粘度油高粘度油易結垢體一般液體管程m/s1.0-2.00.8-1.50.8-1.80.5-1.5＞1.00.5-3殼程m/s0.5-1.50.5-1.50.4-1.00.3-0.8＞0.50.2-1.5根據(jù)流體在直管內常見適宜流速，管內循環(huán)冷卻水的流速初選為=1.0m/s，管子選用的較好級冷拔碳鋼管換熱管（換熱管標準：GB8163）。

2工藝設計計算2.1確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：殼程熱水的定性溫度為T=℃管程循環(huán)冷卻水的定性溫度為t=℃表2-1熱水在70℃下有關物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在31℃下的物性數(shù)據(jù)密度密度定壓比熱容定壓比熱容導熱系數(shù)導熱系數(shù)粘度粘度2.2熱負荷及傳熱面積的確定2.2.1熱負荷考慮到熱損失為5%2.2.2平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)℃查得溫度校正系數(shù)平均傳熱溫差：℃由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。2.2.3初算傳熱面積假定總傳熱系數(shù)K=800w/(m℃)2.3換熱器主要結構尺寸的確定2.3.1管徑和管內流速選用較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內流速為1.0m/s。2.3.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)冷卻水用量根據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)：按單程管計算，所需要的傳熱管的長度為： 管程數(shù)：按單程管設計傳熱管太長，采用多管程結構，現(xiàn)取傳熱管長傳熱管總根數(shù)：2.3.3殼程數(shù)由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。2.3.4傳熱管排列和分程方法（A）

（B）（C）（D）（E）圖2-1換熱管在管板上的排列方式

(A)正方形直列（B）正方形錯列(C)三角形直列（D）三角形錯列（E）同心圓排列正三角形排列結構緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。采用三角形排列，取管心距=1.25d0,則=隔板中心到離其最近的一排管中心距離為：各程相鄰管心距為2Z=44。2.3.5殼體直徑列管換熱器殼體的內徑應等于或稍大于管板的直徑，可由下面的公式進行計算。

D＝a（－1）＋2（2－9）

式中D－殼體內徑，mm；

－最外層六邊形對角線上的管子數(shù)；－最外層管子中心到殼體內壁的距離，一般取=(1～1.5)mm；若對管子分程則D＝f＋2

f值的確定方法：可查表求取，也可用作圖法。根據(jù)管子排列方式一般在程內采用正三角形排列，而在程與程之間采用正方形排列管間距根據(jù)最小管間距選擇的原則。由作圖法求得殼體內徑為220mm。圓整到300mm。表2-2殼體內徑300400~700700~1000最小壁厚81012所以殼體直徑為316mm。2.3.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的20％，則切去的圓缺高度為：H=0.2×300=60取折流板間距h==60mm(0.2D<B<D),則折流板數(shù)目：2.3.7接管根據(jù)表1-1，選擇流速為，則接管內徑根據(jù)《食品工程原理》第二版附錄二的冷軋無縫鋼管的標準規(guī)格選擇規(guī)格為φ28mm×1.2mm殼程流體進出口接管：取接管內熱水的流速為，則接管的內為：根據(jù)冷軋無縫鋼管的標準規(guī)格選擇規(guī)格為φ32mm×2.5mm2.4換熱器核算2.4.1傳熱面積校核2.4.1.1管程傳熱膜系數(shù)（出自化工原理第四章）管程流體流通截面積：管程流體流速：雷諾數(shù)：普朗特數(shù)：2.4.1.2殼程傳熱膜系數(shù)可采用克恩公式：（化工原理第四章）管子按正三角形排列，傳熱當量直徑：殼程流通面積：殼程流體流速雷諾數(shù)：普朗特數(shù)：黏度校正：由于熱水被冷卻，取2.4.1.3污垢熱阻和管壁熱阻管外側污垢熱阻：m2℃/W管內污垢熱阻：m2℃/W碳鋼在此條件下的熱導率為：50W/m·℃已知管壁厚度為：。2.4.1.4計算總傳熱系數(shù)平均直徑：2.4.1.5傳熱面積校核所計算的傳熱面積是：換熱器的實際傳熱面積是：換熱器的面積裕度為：所以傳熱面裕為21.8％，傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。2.4.2換熱器內壓降的核算2.4.2.1管程流體阻力管程壓力降計算的通式為，出自《化工原理課程設計指導》可知管程流體呈湍流狀態(tài)。取管壁粗糙度QUOTE,，。參考圖雙對數(shù)坐標圖得，流速，所以管程流體阻力在允許范圍之內。2.4.2.2殼體阻力由于殼程的流動狀況較復雜，所以計算殼程流體壓力降的表達式很多，計算結果也相差很大。這里用埃索法來計算殼程壓降。出自《化工原理課程設計指導》。即式中△P1流體橫過管束的壓強降，Pa；△P2流體通過折流板缺口的壓強降，Pa；FS壓強降的結垢校正因數(shù),FS=1.15,Ns=1流體流經(jīng)管束的阻力，出自《化工原理課程設計指導》。，u0——按殼程流通面積A0計算的流速，上面已求得流體流過折流板缺口的阻力，出自《化工原理課程設計指導》，其中折板間距，則總阻力<30kpa通過以上壓力降核算可知，管程和殼程壓力降都小于所要求的30kpa核算結果表明，所選換熱器可用。

3設計結果匯總表參數(shù)殼程管程流量3156.573694.37進/出口溫度/℃80/6022/40壓力/0.3—定性溫度/℃7031物密度/977.8995.37性定壓比熱容/4.1874.174粘度/4.06設熱導率/0.6680.618備形式固定管板式殼程數(shù)1參殼體內徑/316臺數(shù)1數(shù)管徑/管心距/mm32管數(shù)目/根12折流板數(shù)/個49傳熱面積/2.826折流板間距/mm60管程數(shù)1材質不銹鋼主要計算結果管程殼程流速/1.0490.2264表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/4204.422592.6污垢熱阻/0.000171970.00017197壓降/28.4126.025熱流量/kw77.10傳熱系數(shù)888裕度/％21.84結果與討論由計算得管長=3m，殼體內徑D=30cm,,在6-10之間符合要求。傳熱溫差校正系數(shù)0.96>0.8，符合要求。殼程流體流速符合要求。～1.25，符合要求。管程壓降阻力。殼程壓降阻力。在1.15～1.25之間，符合要求。5心得體會通過一周的課程設計，讓我們對食品工程原理有了更多的了解，對這門學科也有了更深的了解。我覺得課程設計時讓我們更好的去理解一門學科，也是讓我們能更好的去了解我們到底學到了什么東西。學會了什么東西，課程設計一開始，我覺得茫然，不知道要去做什么，也不知道我們做成什么，不過一點一點慢慢來，當圖紙畫滿線條的時候，覺得自己是成功的，成功的完成了繪圖，成功的學到了以前認為不重要的東西，生活中的好多事要我們去學習的，從一點一滴的學習當中我們能感到自己的成長，也能不斷地充實自己。做每一件事情的時候，我們應該認真，應該多動動腦子，這樣才能勞有所獲，以后的生活中，我應該注重這些，這樣才能有所成就。此次設計讓我們學習了更多化工原理基礎知識，培養(yǎng)了化工設計能力，通過這一實踐教學環(huán)節(jié)的訓練，使我掌握化工設計的基本方法，熟悉查詢和正確使用技術資料，能夠在獨立分析和解決實際問題的能力方面有較大提高，增強了我的工程觀念和實踐能力。最后也特別感謝李飛老師和劉洋老師給予我的指導，以及隋老師和尹老師等專業(yè)老師對我們孜孜不倦的教導，還有本組同學熱心的幫助。感謝您們，有了您們的幫助我才得以順利完成了本次課程設計。6參考文獻李云飛，葛克山.《食品工程原理》，中國農業(yè)大學出版社，2009年8月，第二版；王志魁，劉麗英，劉偉，《化工原理》，化學工業(yè)出版社，2010年，第四版；任曉光，宋永吉，李翠清，《化工原理課程設計指導》，化學工業(yè)出版社，2009年二月，第一版；方書起，魏新利，《化工設備課程設計指導》，化學工業(yè)出版社，2010年九月，第一版附錄下標C─冷流體；h─熱流體；i─管內；m─平均；o─管內；s─污垢?！?理論；希臘字母─對流傳熱系數(shù)，；─有限差值，─導熱系數(shù)，；─密度，；─粘度系數(shù)，；