列管式换热器设计方案Word文档格式.docx
《列管式换热器设计方案Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《列管式换热器设计方案Word文档格式.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
当管束和壳体之间的温差太大而产生不同
的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。
I钊1I阖定筲摭式换妬器
]—折直把悔2—了一莊体斗一封丢5—feW曲一箕檢
2.U型管换热器
U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板
上，其管程至少为两程。
管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。
U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；
管束可以抽出，管间清洗方便。
其缺点是管清洗困难；
哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利
用率较低；
管束最程管间距大，壳程易短路；
程管子坏了不能更换，因而报废率较高。
此外,其造价比管定管板式高10%左右。
1*1I2IF空粧」弋换馬辭
3.浮头式换热器
浮头式换热器的结构如下图1-3所示。
其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。
浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；
管束可以从壳体抽搐，便与管
管间的清洗。
其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；
浮头盖与浮动管板间若密封不严,易发生泄漏，造成两种介质的混合。
阳评头武换鴨裁
I—壳卫一周室皆ffii3Wffi4汙丸啊Hl抵飞3-浮功忧扳6佇认靜
4.填料函式换热器
填料函式换热器的结构如图1-4所示。
其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端
采用填料函密封。
管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。
填料
函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；
管束可以从壳体抽出，管管间均能进行清洗，维修方便。
其缺点是填料函乃严不高，壳程介
质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。
朗］4城料圍成换热邮
I—託i曲魅粗2—4k弭Bi借3—4IM4—境料啪5—锲阳NK・
2.3.1换热器类型的选择
所设计换热器用于冷却果浆，果浆粘度较大，易结垢，易腐蚀管道，所以选用浮头式换热器,
浮头便于拆卸、清洗，且果浆走壳程也方便散热，与冷却介质温差较大，也避免产生温差应
力产生管道变形。
综上所述，换热器选择浮头式，果浆走壳程。
2.3.2流径的选择
在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；
在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷
量损失；
管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。
参考标准：
（1）不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。
（2）腐蚀性的流体宜走管，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。
（3）压强高的流体宜走管，以免壳体受压，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。
（4）饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系
不大。
（5）被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。
（6）需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。
（7）粘度大的液体或流量较小的流体，宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于
流速和流向的不断改变，在低Re（Re>
100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。
（8）若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。
综合考虑以上标准，确定果浆应走壳程，水走管程。
233流速的选择
表2-2换热器常用流速的围
介质
流速
循环水
新鲜水
一般液体
易结垢液体
低粘度油
高粘度油
气体
管程流速，
m/s
1.0~2.0
0.8~1.5
0.5~3
>
1.0
0.8~1.8
0.5~1.5
5~30
壳程流速，
0.2~1.5
0.5
0.4~1.0
0.3~0.8
2~15
由于增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能
性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。
但是流速增加,
又使流体阻力增大，动力消耗就增多。
故拟取循环水流速为1.2m/s。
2.3.4材质的选择
列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。
在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。
同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。
目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；
非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。
根据实际需要，可以选择使用不锈钢材料。
2.3.5管程结构
换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心
圆排列，如下图所示。
（a）正方形直列（b）正方形错列（c）三角形直列
（d）三角形错列（e）同心圆排列
正三角形排列结构紧凑；
正方形排列便于机械清洗。
对于多管程换热器，常采用组合
排列方式。
每程都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方
式。
管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。
管板与管子的
连接可胀接或焊接。
2.3.6壳程结构与相关计算公式
介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。
壳程的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔
板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。
由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。
各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：
一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板。
旁路挡板等；
另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。
壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。
直径小于400mm勺壳体通常用钢管制成，大于400mrn的可用钢板卷焊而成。
壳体材料根据工作温
度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。
介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。
如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。
用两个换热器串联也可得到同样的效果。
为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。
壳体径D取决于传热管数N排列方式和管心距t。
计算式如下：
单管程
D=t（nc-1）+（2~3）d0
式中t——管心距，mm；
do换热管外径，mm
nc――横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。
正三角形排列：
正方形排列：
多管程
式中N排列管子数目；
n管板利用率。
正角形排列：
2管程n=0.7~0.85
4管程n=0.6~0.8
2管程n=0.55~0.7
4管程n=0.45~0.65
壳体径D的计算值最终应圆整到标准值。
在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；
同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。
折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。
圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种。
切缺率（切掉圆弧的高度与壳径之比）通常为20％~50％。
垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。
垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。
弓形折流板有单弓形和双弓形，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。
折流板的间隔，在允许的压力损失围希望尽可能小。
一般推荐折流板间隔最小值为壳径的1/5或者不小于50mm,最大值决定于支持管所必要的最大间隔。
壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。
当加热蒸汽或高速
流体流入壳程时,对换热管会造成很大的冲刷,所以常将壳程接管在入口处加以扩大,即将接管做成喇叭形,以起缓冲的作用；
或者在换热器进口处设置挡板。
3换热器设计方案的确定
3.1确定设计方案
1.选择换热器类型：
浮头式换热器
2.流经的选择：
果浆走壳程，循环水走管程
3.管程循环水流速取1.2m/s
4.材质：
不锈钢
5.管径25*2.5mm
3.2确定物性数据
定性温度：
果浆T8°
°
2°
50C
2
10°
17°
13.5°
果浆参数（50°
）
1050（kg/m3）
Cp3.5（kJ/Kgk）
0.61（w/mk）
2.0103（Pas）
水（10°
999.7（Kg/m3）
Cp4.191（KJ/Kgk）
0.5741（w/mk）
1.306103（Pas）
3.3计算总传热系数
3.3.1热流量（对应果浆）
Qm°
ct0
6
50003.5（8020）1.0510（KJ/h）291.7（kw）
3.3.2平均传热温差:
tm
（8017）（2010）
In
（8017）
（2010）
28.8°
3.3.3冷却水用量（忽略热损失）
3.3.4
总传热系数K（取流速
:
u
1.2m/s）
（内径）
.di
0.020m
其中
（外径）
.d°
0.025m
（平均直径）......
•dm
0.225m
（换热器壁厚）..
.b
0.0025m
qm
Qt
Cpt
duC
对流传热系数i0.023（——）0.8（p一）n（其中被加热介质n=0.4）
di
33
4194（w/m2°
C）
0.023迪（18371）0.8（4.19110「30610严
0.020.5741
2。
485.4（w/mC）
4.1计算换热面积
5.1工艺结构尺寸5.1.1管径和管流速
选用25mm2.5mm较高级冷拔传热管（不锈钢）
取管流速ui1.2m/s
5.1.2管程和传热管数
35791
qv36009997
.20.7850.0221.2
diu
4
按单程管计算，所需的传热管长度为
9.9（m）取管长为4.5m则Np
d0Ns3.140.02527p
9.9
2（管程）
则传热管数总根数n27254（根）
5.1.3平均传热温差校正及壳程数
平均温差校正系数计算如下：
t2
T1
T2
17C
80°
C
20°
6.传热管的排列和分程方法
6.1壳体直径
取管板利用率0.75则壳体直径为
D1.05R、n/1.053254/0.75285mm
159mm
计算的到的壳体直径应按换热器的系列标准进行圆整。
壳体直径经常用的标准有
273mm400mm500mm600mm800mm等。
根据以上标准可取D=400mm
6.1.2接管
D1枫尸3評麵ogm，圆整后可取管径为50丽
管程流体进出口接管：
取接管流体流速为u22.5m/s，则接管径为
D2435791/（3600"
汀）0.07im，圆整后可取管径为100mm
V3.142.5
7.换热器核算
7.1传热面积校核
7.1.1管程传热膜系数核算
管程传热膜系数
0.80.4
0.023RePr
0.0230.5741179120.89.530.44110（w/m2C）
0.02
7.1.2壳程传热膜系数核算
管子按正三角形排列，传热当量直径为
■■322、•32
4（Pt2-d0）4（0.0322—0.025）
2424
de—24——一240.02（m）
d。
0.025
壳程流通截面积
d252
sBD（1譚120400（1三）0.0105（m）
壳体流体流速及其雷诺数分别为
黏度校正（—）0.140.95
w
则壳程传热膜系数
1
0.36—^Reo^Pr"
—）0.14
dew
0.3606112030.5512.630.951203（w/m2C）
7.1.3污垢热阻和管壁热阻
查表知，管外侧污垢热阻R00.000172（m2C/W），管污垢热阻
R0.000344（m2C/W）。
已知管壁厚度为b0.0025m，不锈钢在此条件下的热导率
为17.4W/m•Co
7.2总传热系数K。
Rd0
bd。
R
id.
Id.
dm0
527.1（w/m2C）
7.3传热面积校核
SQ
Ktm
291.71032、
21.3（m）
527.126
实际传热面积
Sd0lNT3.140.02565425.4（m2）
S254
换热器的面积裕度为—旦41.19传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
S21.3
7.4换热器压降的核算
7.4.1管程阻力
R（P1卩2）心"
卩耳
lu.2
Ns1,Np2,P1-
d2
0.033，流
由Re10717，传热管相对粗糙度0.005，参考图Re双对数坐标图得
（71262159）21.425998（Pa）管程流体阻力在允许围之。
7.4.2壳程阻力
按下式计算
流体流过折流板缺口的阻力
8、换热器的主要结构尺寸和计算结果表
附表1换热器主要结构尺寸和计算结果
参数
管程
壳程
流率/（Kg/h）
5000
进（出）口温度/c
10（17）
80（20）
压力/MPa
4.5
0.3
物性定性温度/c
13.5
50
密度/Kg/m3
999.7
1050
定压比热容
/[kJ/（kg/C）]
4.191
3.5
黏度/Pa•s
1.306*10-3
2.2103
热导率/[W/（m•C）]
0.5741
0.61
普朗特数
9.53
12.6
设备结构参数
形式
浮头式
壳程数
壳体径/mm
400
台数
管径/mm
①25*2.5
管心距/mm
32
管长/mm
6000
管子排列
正三角形:
管数目/根
54
折流板数/个
49
传热面积/m2
25.4
折流板间距/mm
120
管程数
材质
主要计算结果
流速/（m/s）
1.17
0.126
表面传热系数［W/（m2•C）
4110
1203
污垢热阻/（m2*°
C/W）
0.000344
0.000172
阻力/Pa
25998
2860.4
热流量/kW
291.7
传热温差/K
26
传热系数/[W/m2*C]
527.1
裕度/%
1.19
9.设计评述
本设计所有参数经反复核算，保证各参数均在设计要求之，准确可行。
壳程流体流速
Uo=0.126m/s，流体雷诺数Re。
=1203。
管程流体流速山=1.17m/s，流体雷诺数Re
=10717>
4000。
管程流体流动方式为湍流，能够较好的达到换热的要求。
考虑到果浆产品的卫生要求，为减少果浆的污染，换热器材质选用不锈钢材料。
每程都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。
正三角形排
列结构紧凑，正方形排列便于机械清洗。
该换热器的面积裕度H=19%在15%-25%之间，则
所设计换热器能够完成生产任务。
管程流动阻力为25.998Kpa,10Kpa<
25.998Kpa<
100Kpa
在允许围之；
壳程流动阻力为2860.4pa,2860.4pa<
10Kpa也允许围之，比较适宜。
10.参考资料
1化工原理课程设计，天津大学化工原理教研室，化工1997第一版
2化工设备计算，聂清德，化工，1991第一版
3食品工程原理，骉，中国轻工业，2007第一版
4食品工厂机械与设备，许学勤，中国轻工业，2008第一版
11.主要符号说明
英文字母
B――折流板间距，m
C系数，无量纲；
d管径，m；
D――换热器外壳径，m;
f摩擦系数；
F系数；
h――圆缺高度，m;
K总传热系数，W/（m2「C）；
L管长，m
m——程数；
n——指数；
管数；
程数；
N管数；
NB折流板数；
Nu努塞尔特准数；
P——压力，Pa;
因数；
Pr――普兰特准数；
q热通量，W/m2
Q传热速率，W
r——半径，m；
气化潜热，kJ/kg；
R热阻，m2・C/W;
e――雷诺准数；
12.特别鸣感老师的细心指导。
感我自己认真的考虑和计算。
感各位同学的讨论和帮助。
S传热面积，m2
t――冷流体温度，C；
管心距，m；
T――热流体温度，C；
u――流速，m/s；
W—质量流量，kg/s,
V――体积流量，m3/s。
希腊字母
a――对流传热系数，W/（m2•C）；
A――有限差值；
入一一导热系数，W/（m•C）；
口一一粘度，Pa-S；
P密度，kg/m3；
2――校正系数。
下标
c冷流体；
h——热流体；
i――管；
m平均；
o管外；
s――污垢。
升级会员 