食品科学与工程课程设计

课程设计报告

课程名称： 食 品 工 程 原 理

题 目： 列管式固定管板式换热器的设计学 院： 生命科学与食品工程

专 业： 食 品科学与工 程

班 级：

学 号： 学生姓名：

起讫日期： 2014年5月5日至2014年5月12日 指导老师：

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目录

概述……………………………………………………………………4 一、设计目的与内容………………………………………………………4 二、设计任务书……………………………………………………………5 三、设计方案简介…………………………………………………………5

1.操作条件下流体的物性参数 ………………………………………5 2.列管式换热器型式的选择…………………………………………5 3.冷热流体流程、流向的选择…………………………………………6 4.换热器规格及其在管板上的排列方式……………………………6 5.列管式换热器作用…………………………………………………6 6.列管式换热器优点…………………………………………………6 7.设计流程图…………………………………………………………8 四、传热过程工艺计算……………………………………………………9

1.热负荷Q……………………………………………………………9 2．传热面积A…………………………………………………………9 3.换热器的基本尺寸（如d、l、n、管程数级管子的排列）……10 4.K的校正……………………………………………………………10 5.传热器面积核算…………………………………………………12 五、设备结构的设计……………………………………………………12 1.外壳直径及长度………………………………………………………12

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六、主要附属件的选定…………………………………………………14 1.接管直径…………………………………………………………14

3.折流挡板…………………………………………………………16 4.其他附件…………………………………………………………16

七、主要符号说明………………………………………………………17 八、设计心得……………………………………………………………18 九、参考文献……………………………………………………………19

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概述

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头 等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外 流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。

壳体内装有管束，管束两端固定在管板上。由于冷热流体温度不同，壳体和管束受热不同，其膨胀程度也不同，如两者温差较大，管子会扭弯，从管板上脱落，甚至毁坏换热器。所以，列管式换热器必须从结构

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上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。 根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。 （1）固定管板式

壳体与传热管壁温度之差大于50°C，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。 （2）浮头式

两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。 特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。 （3）U型管式

把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。

一、设计目的与内容：

设计一台用饱和水蒸气（表压400～500kPa）加热水的列管式固定管板换热器，水流量为 80 （t/h），水温由 15 ℃加热到 60 ℃。确保换热器能正常工作，并且节约换热器用材，在使用过程

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中能节约能量，效率高的效果。

二、设计任务书：

①热负荷 ②传热面积 ③管子排列 ④外壳直径及长度 ⑤接管直径 ⑥外壳及管板厚度

⑦设计主视图、左视图（部分剖）。 ⑧零部件明细表，标题栏表。

三、设计方案简介

1.操作条件下流体的物性参数

蒸汽绝对压力 500 KPa，其相应的温度Ts=151.7 ℃，此时蒸汽的物性参数：

密度ρ=2.6673 kg／m3 汽化潜热γ=2113.2 kJ／kg 水的定性温度t=40 ℃，此时水的物性参数： cp= 4174 J／kg•℃；μ=653.2×10-6 pa•s； λ= 0.6333 W／m2•k；ρ= 992.2 kg／m3

2.列管式换热器型式的选择

选择：固定板式型

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3.冷热流体流程、流向的选择

冷热流体流程：冷流体走管程，热流体走壳程 冷热流体流向： 逆流

4.换热器规格及其在管板上的排列方式

换热管规格： Φ25×2.5mm

换热管排列方式：正三角型

5.列管式换热器作用：

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。 换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。

6.列管式换热器优点：

单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可

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选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。

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设计流程图

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7.

四、传热过程工艺计算

1. 热负荷Q

Q=m6scp（t2-t1）= 4.17×10 W或J／s

由于热损失约3%-5%，所以Q’=Q×1.05=4.38×106W或J／s 2．计算水蒸气流量

忽略热损失，则水蒸气流量为：

mQs1=r=4380/2113.2=2.07kg/s

3．传热面积A

Q=KAΔtm 。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。① 取K= 1200W／m2·k

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由于△tm=(△t1-△T2)/(ln（△t1/△T2) 代人数据得△tm=112.7℃

由①可求得A= 32.3m2 且A，=（1.1～1.2）A

求出实际A，=1.1A=35.6m2

初选换热器的规格（如d、l、n、管程数级管子的排列）

已选管子直径为Φ25×2.5mm，管内径d内= 20mm

公称直径：500mm 管程数：2 管子数：

144

换热器的实际换热面积So：

So=nd（=144×3.14×0.025×（3-0.1）=32.8 ）OL-1该换热器所需要的总传热系数Ko： Ko=

Q/112.7*32.8）=4380（=1184.8w2

mcSotm根据验算与所选换热器符合。

4.K的校正

⑴管程流通截面积A1=40.0221442=0.02262㎡ 管程水内的强制对流传热系数取管程水内的流速u=

mSI=0.99m/s A1 11

雷诺数Re1cp1du10.020.99992.230085 30.653104.1741030.653.2103pr14.306 所以α1=0.023×λi/di

0.6330×(ρdu/μ)0.8×(cμ/λ)bW/(㎡/℃)即为a1=0.023×λi/di×（Re0.8)（Prb )

当流体被加热时b=0.4,当流体被冷却时b=0.3 求得α1=4993.6 W/(㎡/℃) （2）冷凝给热系数0及K的计算

取α0=10000 管程污垢热阻： Rs1=3.4394×10-4W/(㎡/℃) 壳程污垢热阻： Rs2=0.8598×10-4W/(㎡/℃) K的计算 1k10Rs2Rs1d0d0 计算结果得k=1108 总传热系数裕度di1di1184-110810007.80 符合要求 001108 校核tw

Ttwtwt （T=151.7 t=60）

1/oRs11/1Rs2tw=98.7℃

与假设值相比，认为假设合理。

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5.传热器面积核算

S=Q÷（K×Δtm ）=32.05m2 换热面积 裕度为

35.6-32.05100010.10，该换热器能够完成生产任务。 0035.6五、设备结构的设计

外壳直径及长度

（1）外壳直径D

管中心距a= 1.25d0=32 mm

隔板中心到离其最近一排管心距为s=t/2+6=22mm则各程相邻管管心距为44mm。

已知多管程换热器D=1.05t Nt/ 正三角形排列时η=0.7 求得D=482mm 取标准D=500㎜ （2)管板及外壳壁厚度管板厚度 ①管板厚度

管板厚度=3/4d0=18.75mm ②外壳壁厚度 外壳壁厚度б=10mm （3)折流挡板Nb

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采用弓形折流板圆缺高度为壳内内径的10%到40%，则切去的圆缺高度为h=0.25×500=125mm 取折流板间距B=300mm

折流板数目Nb=传热管长/折流板间距-1=9 (4)外壳长度

外壳长度：L=l+D+0.25D+2×δ=3.5m 验证；的范围 正常

六、主要附属件的选定

1.接管直径

（1）水的接管直径 接管内水流数取1m/s

Π/4×d2×u=ms/ρ d=134mm，查标准表可取d=161mm （2）水蒸气进口直径

L/D=7.29 属于6-1014

水蒸气进口流速取3m/s

蒸汽压力 500 kPa，密度ρ=2.6673 kg／m3 汽化潜热γ=2113.2 kJ／kg

MS=π/4×d2×ρ×u d=112mm，查标准表可取d=131mm （3）不凝性气体出口管径 Φ76×3mm

（4）冷凝水出口管径 Φ131×3mm

2、换热器内流体的流动阻力

（1）管程流动阻力

PtPiPrPNFtNsNp（Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数） 由Re=37455，取传热管管壁相对粗糙度为0.01mm，则

d0.20.01，查图20——摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得0.0385，流速，

u=1.135m/s,=991.2kg／m3，所以：

lu2pii=2115.1

d2pru22=1458.7 3

对于Ø25mm×2.5mm的管子有Ft1.4，且NP2，Ns1

pt（2115.1+1458）21.4=10006.7pa

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管程流动阻力在允许范围之内。

（2）壳程阻力

PoP1'P2'FsNsFs为结垢校正系数，Ns为壳程数

P'FfoncNu2o流体流经管束的阻力

1B12

公式中 F——管子排列方式对压力降的校正系数，正三角形排列F=0.5 f50——壳程流体的摩擦系数，当Re>500时，f0=R0.228=0.3887

e nc——横过管束中心线的管数，nc1.1N≈12

折流板间距B=0.3m，折流板数NB=9， 壳程流通截面积s0h(Dncd0)0.3（0.45-120，025）0.6m2 壳程流体流速为um0iS07.68 pu201Ff0nc(NB1)20.50.38871203.16867.6822=2179.3Pa

2流体流经折流板缺口的阻力 P'2N2BuoB3.5D2=1934.3Pa

总阻力 p02179.3+1934.3=24113.6Pa 壳程流动阻力也比较适宜。

8.折流挡板

折流挡板类型：单缺口 折流挡板间距：300mm

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折流挡板厚度：12mm

9.其他附件

（1）拉杆

拉杆直径=12mm，其数量不少于十根 （2）防冲挡板定距管

此壳程大小应设置防冲挡板定距管直径=16mm （3）支架

高200mm，底长75mm 七.符号说明

P——压力，Pa； Q——传热速率，W； R——热阻，(℃/m2)/W ； Re——雷若准数； S——传热面积，m2； t——冷流体温度，℃； T——热流体温度，℃； u——流速，m/s； qm——质量流速，t/h； h——表面传热系数，W/(㎡℃)； λ——导热系数，W/(㎡/℃)； μ——粘度，Pa×s； ρ——密度，kg/m3； A——传热面积，m2； Pr——普朗特系数； Nb——折流挡板数； K——总传热系数，W/(㎡℃)； qv ——体积流量； Nt——管程； △tm——平均传热温差，℃；

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八、设计心得

九、这是大学期间的第一次也是唯一一次，虽然时间比较紧张，但还是充满的斗志。过程是艰辛的，但我们从中学到了很多，也收获了很多。在这短短的一周里我们不仅学会了设计，学习的能力，还磨砺了自己让自己又成长了不少。或许设计出来的换热器不一定让老师很满意，但这种学习的过程对我们今后长远的学习的作用是不言而喻的。最后吧，说实在的有这个课程设计，感觉是件很幸福的事。

九、参考文献

1.冯骉.食品工程原理[M].北京：中国轻工业出版社，2009.8 2.贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计[M].天津：天津大学出版社，2002.8

3.罗舜菁，刘成梅，张继鉴，食品工程原理[M].北京：化学工业出版社，2010

4.李芳，化工原理及设备课程设计[M].北京：化学工业出版社，2011 5谭天恩，化学原理[M].北京：化学工业出版社，2008

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