换热器设计案例.docx
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换热器设计案例
一、设计任务
设计基本参数
处理能力：
5000kg/h
设备型式：
列管式换热器
操作条件：
冷却介质：
水入口温度：
10℃，出口温度：
17℃；
果浆：
入口温度：
80℃，出口温度：
20℃。
二、设计方案简介
2.换热器类型选择
按照设计任务书的要求，冷却介质：
水入口温度：
10℃，出口温度：
17℃；
果浆：
入口温度：
80℃，出口温度：
20℃。
鉴于要冷却的材料是果浆，流体压力不大，温度变化为80—20℃，管程与壳程的温度差较大（相差50℃以上），加上考虑清洗要求高等因素，本次设计我决定采用浮头式换热器。
浮头式换热器的结构如下图所示。
这种换热器有一端的管板不与壳体相连，可沿管长方向自由伸缩，即具有浮头结构，当壳体与管束的热膨胀不一致时，管束连同浮头可在壳体轴向上自由伸缩。
这种结构不但彻底消除热应力，而且整个管束可以从壳体中抽出，便与管管间的清洗，维修。
因此，用材量大，造价高，结构复杂，但应用仍十分广泛。
考虑到水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下，综合考虑以上标准，确定果浆应走管程，水走壳程。
由于果汁有弱酸性，又因不锈钢管较碳钢管有较好的抗酸腐蚀性，故选用的不锈钢管。
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。
查阅资料管程一般液体流速0.5-3m/s，易结垢液体>1m/s。
故拟取流速为2m/s。
三、工艺及设备设计计算
3.1确定设计方案
3.1.1．换热器类型
浮头式换热器
3.1.2．流体流动形式
为了增大平均温差，节省操作费用，本次设计采用逆流的流动方式。
3.2确定物性数据
定性温度：
对于一般液体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进、出口温度的平均
值。
故：
果浆的定性温度为
水的定性温度为t=
果浆在50℃下的有关物性数据如下：
密度：
=1058kg/
定压比热容：
Cpo=3584J/（kg·℃）
导热系数：
=0.61W/（m·℃）
黏度：
=2×10-3Pa·s
水在13.5℃下的有关物性数据如下：
密度：
=999.7kg/
定压比热容：
Cpi=4191J/（kg·℃）
导热系数：
=0.58W/（m·℃）
黏度：
=1.2×10-3Pa·s
3.3计算总传热系数
3.3.1热负荷
3.3.2平均传热温差
所以===28.8（℃）
3.3.3水用量
3.3.4总传热系数K
（1）管程传热系数：
>4000（湍流区）
对流传热系数：
（2）壳程传热系数：
假设壳程的传热系数W/（·℃）
污垢热阻Rso=0.0003（m·℃）/W
Rsi=0.0002（m·℃）/W
管壁的导热系数λ=17.4W/（m·℃）
3.4计算换热面积
考虑15%的面积裕度：
3.5工艺尺寸计算
3.5.1管径和流速
取的不锈钢管,流速u=2m/s.
3.5.2管程数和传热管数
依据传热管径和流速确定单程传热管数
（根）
按单管程计算，所需的传热管长度为：
传热管长：
按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。
根据本设计的实际情况，现取传热管长l=3m，则该换热器的管程数为:
管程数：
总根数：
因此此换热器采用单壳程，6管程的结构
3.5.3．传热管排列和分程方法
浮头式换热器为了清洗方便，采用正方形错列排列方法。
取管心距
横过管束中心线管数：
3.5.4．壳体径的确定
采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体径为：
根据标准可取D=450mm。
3.5.5.折流板
弓形折流板高度为壳体径的25%，则切去圆缺的高度为：
取h=110mm
折流挡板间距：
取B=100mm
折流挡板数目：
3.5.6.接管
管程流体进出口接管为：
，
则接管径为：
圆整后可取管径为：
30mm
壳程流体进出口接管取接管液体流速为：
圆整后可取管径为：
100mm
四、换热器核算
4.1热量核算
4.1.1．传热温度差校正
平均传热温差校正系数：
R===8.57P=
按单壳程，6管程结构，查温差校正系数表，用代替R，用PR代替P,查表得：
，平均传热温差
4.2总传热系数K的计算
4.2.1壳程对流传热系数
对圆缺形折流板,可采用克恩公式：
当量直径，由正方形排列得：
壳程流通截面积：
取折流板间距B=0.10m，D=0.40m
壳程流体流速：
雷诺数：
普兰特数：
流体被冷却，黏度校正（）≈0.95
4.2.2.管程对流传热系数
（n值当流体被加热时取0.4，被冷却时取0.3）
管程流体流通截面积：
管程流体流速：
雷诺数：
>4000
普兰特数：
4.2.3.污垢热阻和管壁热阻
查表知管侧污垢热阻：
Rso=0.000344（m2·℃）/WRsi=0.000172（m2·℃）/W
管壁的导热系数：
λ=17.4W/（m·℃）
4.2.4.总传热系数K的计算
4.3传热面积校核
所需传热面积
换热器实际传热面积：
传热面积裕度：
H=
该换热器的面积裕度在10％-25％之间，则所设计换热器能够完成生产任务。
五、换热器结果总汇表
参数
管程（果浆）
壳程（水）
流率/（Kg/h）
5000
42860
进（出）口温度/℃
80（20）
10（17）
物性
定性温度/℃
50
13.5
密度/（kg/m3）
1058
999.7
定压比热容/kJ/（Kg·℃）
3.584
4.191
黏度/Pa·s
2×10-3
1.2×10-3
热导率/W/（m·℃
0.61
0.58
普朗特数
8.67
11.75
设备结构参数
形式
浮头式
壳程数
1
壳体径/mm
426
台数
1
管径/mm
Φ25×2
管心距/mm
32
管长/mm
3000
管子排列
正方形
管数目/根
108
折流板数/个
29
传热面积/m2
22.37
折流板间距/mm
100
管程数
6
材质
不锈钢
主要涉及结果
管程
壳程
流速/（m/s）
1.91
0.15
表面传热系数/〔W/（m2·℃〕
1463.95
5048.87
污垢热阻/〔（m2·℃）/W〕
0.000172
0.00052
热流量/Kw
298.67
传热温差/℃
26.29
传热系数/〔W/（m2·℃〕
627.70
裕度
1.191
六、设计评述
通过本次的课程设计，使我对换热器的结构和工作原理有了进一步的理解。
并在设计过程中掌握了一定的工艺计算方法。
同时，也让我更深刻的了解到全局观念的重要性。
在设计换热器时：
首先要根据任务要求选择合适的换热器形式。
通过对设计参数的核算，固定管板式和浮头式换热器能够满足本次设计的基本需求。
浮头式换热器虽然是从性能各方面看都是本次设计理想的换热器，但是对于同样能满足需求的两个换热器来说，固定管板式换热器成本相对较低，结构简单，易于维修和清洗。
所以综合考虑设计参数、经济等方面条件后，我最终选择了固定管板式换热器。
其次，要选择合适的流体流径。
根据选择的主要因素分析，有好多理论相互之间是矛盾的，并不能使条件一一满足。
所以要抓住主要矛盾，依据传热效果好，清洗方便等具体情况分析，最终选择了水走壳程，果浆走管程。
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。
每程都采用正方形排列，正方形排列便于机械清洗。
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。
七、参考资料
1.天津大学化工原理教研室.化工原理课程设计.化工,1997,第一版
2.聂清德.化工设备计算.化工,1991,第一版
3.骉.食品工程原理.中国轻工业,2007,第一版
4.许学勤.食品工厂机械与设备.中国轻工业,2008,第一版
5.祖荣.化工原理.化学工业,2009,第二版
八、主要符号说明
符号
意义及单位
符号
意义及单位
B
折流板间距，m
P
压力，Pa
Cp
热容，kJ/（kg·℃）
Pr
普兰特准数
d
管径，m
q
热通量，W/m2
D
换热器外壳径，m
Q
传热速率，W
f
摩擦系数
r
半径，m
F
系数
R
热阻，m2·℃/W
h
圆缺高度，m
Re
雷诺数
K
总传热系数，W/（m2·℃）
S
传热面积，m2
L
管长，m
qm
质量流量，m3/s
A
流通截面积，m2
RS
污垢热阻，m2·℃/W
N
管数
对流传热系数，W/（m2·℃）；
Np
管程数
有限差值
NB
折流板数
导热系数，W/（m·℃）
a
管心距，mm
粘度，Pa·S
qV
体积流量，m3/s
密度，kg/m3
u
流速，m/s
下标o
管程
T
流体温度，℃
下标i
壳程
九、致
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