1、換熱器的設計 食品082班 朱莉 指導教師： 紀瑩 2010.11.30 目錄1.設計任務書-32.概述與設計方案簡介-43.工藝及設備設計計算-94.輔助設備的計算及選型-115.設計結果匯總表-156.設計評述-157.參考資料-168.主要符號說明-169.致謝-161.設計任務書學生姓名朱莉班級食品082指導教師紀瑩題目換熱器的設計設計基本參數處理能力：5000kg/h設備型式：列管式換熱器操作條件：冷卻介質：水入口溫度：10，出口溫度：17 果漿：入口溫度：80，出口溫度：20。設計要求及內容1、設計方案簡介 對給定或選定的工藝流程、主要設備的形式進行簡要論述。2、主要設備的工藝設計

2、計算 物料衡算、熱量衡算、工藝參數的選定、設備的結構設計和工藝尺寸的設計計算。3、輔助設備的選型 典型輔助設備主要工藝尺寸的計算，設備規格型號的選定。4、編寫設計說明書 將設計所選定的工藝流程方案、主要步驟及計算結果匯集成工藝設計說明書。應采用簡練、準確的文字圖表，實事求是地介紹設計計算過程和結果。設計說明書要求在6000字以上，A4紙打印。 設計說明書內容：（1） 封面（課程設計題目、學生班級、姓名、指導教師、時間）（2） 目錄（3） 設計任務書（4） 概述與設計方案簡介（5） 工藝及設備設計計算（6） 輔助設備的計算機選型（7） 設計結果匯總表（8） 設計評述（9） 參考資料（10） 主要

3、符號說明（11） 致謝 各階段時間安排（以天為單位）用一周時間集中進行1、 設計方案選定：0.5天2、 主要設備的工藝設計計算：2天3、 輔助設備的選型：0.5天4、 編寫設計說明書：2天2. 概述與設計方案簡介換熱器的類型列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據主導作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在關內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高

4、殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50以上）時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。2.1換熱器 換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業部門的通用設備，在生產中占有重要地位。由于生產規模、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、蒸發器和再沸器等。根據

5、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。間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面傳給冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。將在后面做重點介紹。直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結構簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱

6、流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。此類換熱器結構簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是設備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據結構特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。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的標準換熱設備，在許多工業部門被大量采用。列管式換熱器的特點是結構牢固，能

7、承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發展中得以繼續存在下來。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節的固定管板式、浮頭式和U形管式等幾種類型。2.2設計方案簡介2.2.1 換熱器類型的選擇根據列管式換熱器的結構特點，主要分為以下四種。以下根據本次的設計要求，介紹幾種常見的列管式換熱器。1 固定管板式換熱器這類換熱器如圖1-1所示。固定管辦事換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結余構簡單；在

8、相同的殼體直徑內，排管最多，比較緊湊；由于這種結構式殼測清洗困難，所以殼程宜用于不易結垢和清潔的流體。當管束和殼體之間的溫差太大而產生不同的熱膨脹時，用使用管子于管板的接口脫開，從而發生介質的泄漏。2.U型管換熱器U型管換熱器結構特點是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮，當殼體與U型環熱管由溫差時，不會產生溫差應力。U型管式換熱器的優點是結構簡單，只有一塊管板，密封面少，運行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點是管內清洗困難；喲由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內程管間距大，殼程易短路；內程管子壞了不能更換，因而

9、報廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。3. 浮頭式換熱器浮頭式換熱器的結構如下圖1-3所示。其結構特點是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優點是黨環熱管與殼體間有溫差存在，殼體或環熱管膨脹時，互不約束，不會產生溫差應力；管束可以從殼體內抽搐，便與管內管間的清洗。其缺點是結構較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴，易發生泄漏，造成兩種介質的混合。4.填料函式換熱器填料函式換熱器的結構如圖1-4所示。其特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料

10、函式換熱器的優點是結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；管束可以從殼體內抽出，管內管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴不高，殼程介質可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質不適用。2.3.1換熱器類型的選擇 所設計換熱器用于冷卻果漿，果漿粘度較大，易結垢，易腐蝕管道，所以選用浮頭式換熱器，浮頭便于拆卸、清洗，且果漿走殼程也方便散熱，與冷卻介質溫差較大，也避免產生溫差應力產生管道變形。綜上所述，換熱器選擇浮頭式，果漿走殼程。2.3.2流徑的選擇 在具體設計時考慮到盡量提高兩側傳熱系數較小的一個，使傳熱面兩側傳熱系數接近；在運行溫度較高的換熱器中，應盡

11、量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應盡量減少其冷量損失；管、殼程的決定應做到便于清洗除垢和修理，以保證運行的可靠性。參考標準：(1) 不潔凈和易結垢的流體宜走便于清洗管子，浮頭式換熱器殼程便于清洗。(2) 腐蝕性的流體宜走管內，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。(3) 壓強高的流體宜走管內，以免殼體受壓，其中冷卻介質循環水操作壓力高，宜走管程。(4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數與流速關系不大。(5) 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強冷卻效果。(6) 需要提高流速以增大其對流傳熱系數的流體宜走管內，因管程流通面積常小于殼程，且可采用

12、多管程以增大流速。(7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數。(8) 若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數較大的流體宜走殼程，因為壁溫接近傳熱膜系數較大的流體溫度，以減小管壁和殼壁的溫度差。綜合考慮以上標準，確定果漿應走殼程，水走管程。2.3.3流速的選擇 表2-2 換熱器常用流速的范圍 介質流速 循環水 新鮮水 一般液體 易結垢液體 低粘度油 高粘度油 氣體 管程流速，m/s1.02.00.81.50.53>1.00.81.80.51.5530殼程流速，m/s0.

13、51.50.51.50.21.5>0.50.41.00.30.8215由于增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數，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，動力消耗就增多。故擬取循環水流速為1.2m/s。2.3.4材質的選擇列管換熱器的材料應根據操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根據實際需要，可以選擇使用不

14、銹鋼材料。2.3.5管程結構換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，如下圖所示。 (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。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。管板與管子的連接可脹接或焊接。2.3.6殼程結構與相關計算

15、公式介質流經傳熱管外面的通道部分稱為殼程。 殼程內的結構，主要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場合不同，殼程內對各種元件的設置形式亦不同，以此來滿足設計的要求。各元件在殼程的設置，按其不同的作用可分為兩類：一類是為了殼側介質對傳熱管最有效的流動，來提高換熱設備的傳熱效果而設置的各種擋板，如折流板、縱向擋板。旁路擋板等；另一類是為了管束的安裝及保護列管而設置的支承板、管束的導軌以及緩沖板等。 殼體是一個圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進人和排出之用。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mrn的可用鋼板卷焊而成。殼體材料

16、根據工作溫度選擇，有防腐要求時，大多考慮使用復合金屬板。 介質在殼程的流動方式有多種型式，單殼程型式應用最為普遍。如殼側傳熱膜系數遠小于管側，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。用兩個換熱器串聯也可得到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯流等型式。 殼體內徑D取決于傳熱管數N、排列方式和管心距t。計算式如下： 單管程 D=t(nc-1)+(23)d0式中 t管心距，mm； d0換熱管外徑，mm； nc橫過管束中心線的管數，該值與管子排列方式有關。 正三角形排列： 正方形排列： 多管程 式中 N排列管子數目； 管板利用率。 正角形排列：2管程 =0.70.85 >4管程 =0.60.8

17、正方形排列：2管程 =0.550.7 >4管程 =0.450.65殼體內徑D的計算值最終應圓整到標準值。 在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導流體橫向流過管束，增加流體速度，以增強傳熱；同時起支撐管束、防止管束振動和管子彎曲的作用。 折流板的型式有圓缺型、環盤型和孔流型等。 圓缺形折流板又稱弓形折流板，是常用的折流板，有水平圓缺和垂直圓缺兩種。切缺率(切掉圓弧的高度與殼內徑之比)通常為2050。垂直圓缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有懸浮固體粒子流體用的水平熱交換器等。垂直圓缺時，不凝氣不能在折流板頂部積存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部積存。弓形折流板有單弓形和雙弓形，雙

18、弓形折流板多用于大直徑的換熱器中。 折流板的間隔，在允許的壓力損失范圍內希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值為殼內徑的1/5或者不小于50 mm，最大值決定于支持管所必要的最大間隔。 殼程流體進出口的設計直接影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。當加熱蒸汽或高速流體流入殼程時，對換熱管會造成很大的沖刷，所以常將殼程接管在入口處加以擴大，即將接管做成喇叭形，以起緩沖的作用；或者在換熱器進口處設置擋板。3 換熱器設計方案的確定3.1確定設計方案1. 選擇換熱器類型：浮頭式換熱器2. 流經的選擇：果漿走殼程，循環水走管程3. 管程循環水流速取1.2m/s4. 材質：不銹鋼5. 管徑：25*2.5mm

19、3.2確定物性數據定性溫度：果漿 水果漿參數（50） 水（10） 3.3計算總傳熱系數3.3.1熱流量（對應果漿）3.3.2平均傳熱溫差：3.3.3冷卻水用量（忽略熱損失）3.3.4總傳熱系數K（取流速) 其中 管程：對流傳熱系數 （其中被加熱介質n=0.4) 自選殼程傳熱系數范圍為8501700，果漿取污垢熱阻 4.1計算換熱面積5.1工藝結構尺寸5.1.1管徑和管內流速選用較高級冷拔傳熱管（不銹鋼）取管內流速 5.1.2管程和傳熱管數 按單程管計算，所需的傳熱管長度為取管長為4.5m則（管程）則傳熱管數總根數5.1.3平均傳熱溫差校正及殼程數平均溫差校正系數計算如下： 但R=8.6的點很難

20、在圖上讀出，因而以相應1/R代替R，PR代替P，按單殼程，雙管程結構，查表知平均傳熱溫差由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。6.傳熱管的排列和分程方法6.1殼體直徑取管板利用率則殼體直徑為計算的到的殼體直徑應按換熱器的系列標準進行圓整。殼體直徑經常用的標準有159mm、273mm、400mm、500mm、600mm、800mm等。根據以上標準可取D=400mm。6.1.1折流板 采用弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為，故可取h=100mm。取折流板間距，則個6.1.2接管 殼程流體進出口接管：取接管內氣體流速為，則接管內徑為，圓整后可

21、取管內徑為50mm。管程流體進出口接管：取接管內流體流速為 ，則接管內徑為 ，圓整后可取管內徑為100mm。7.換熱器核算7.1傳熱面積校核7.1.1管程傳熱膜系數核算。管程流通截面積管程流體流速和雷諾數分別為 普朗特數 管程傳熱膜系數 7.1.2殼程傳熱膜系數核算。管子按正三角形排列，傳熱當量直徑為殼程流通截面積殼體流體流速及其雷諾數分別為普朗特數黏度校正則殼程傳熱膜系數7.1.3污垢熱阻和管壁熱阻。查表知，管外側污垢熱阻，管內污垢熱阻。已知管壁厚度為，不銹鋼在此條件下的熱導率為17.4W/m·。7.2總傳熱系數K。7.3傳熱面積校核實際傳熱面積換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度合適

22、，該換熱器能夠完成生產任務。7.4換熱器內壓降的核算7.4.1管程阻力由，傳熱管相對粗糙度0.005，參考圖雙對數坐標圖得，流速，所以 管程流體阻力在允許范圍之內。7.4.2殼程阻力按下式計算，其中流體流經管束的阻力，則流體流過折流板缺口的阻力，其中 ，則總阻力 8、換熱器的主要結構尺寸和計算結果表附表1 換熱器主要結構尺寸和計算結果參數管程殼程流率/（Kg/h)357915000進（出）口溫度/10（17）80（20）壓力/MPa4.50.3物性定性溫度/13.550密度/Kg/m3999.71050定壓比熱容/kJ/(kg/)4.1913.5黏度/Pa·s1.306*10-3熱導

23、率/W/(m·)0.57410.61普朗特數9.5312.6設備結構參數形式浮頭式殼程數1殼體內徑/mm400臺數1管徑/mm25*2.5管心距/mm32管長/mm6000管子排列正三角形管數目/根54折流板數/個49傳熱面積/m225.4折流板間距/mm120管程數2材質不銹鋼主要計算結果管程殼程流速/（m/s）1.170.126表面傳熱系數W/(m2·）41101203污垢熱阻/(m2*/W）0.0003440.000172阻力/Pa259982860.4熱流量/kW291.7傳熱溫差/K26傳熱系數/W/m2*527.1裕度/%1.199. 設計評述本設計所有參數經反復核算，保證各參數均在設計要求之內，準確可行。殼程流體流速=0.126m/s，流體雷諾數=1203。管程流體流速=1.17m/s，流體雷諾數Rei =10717>4000。管程流體流動方式為湍流，能夠較好的達到換熱的要求。考慮到果漿產品的衛生要求