列管式换热器课程设计报告.docx

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列管式换热器课程设计报告

（封面）

XXXXXXX学院

列管式换热器课程设计报告

题目：

院（系）：

专业班级：

学生姓名：

指导老师：

时间：

年月日

列管式换热器课程设计报告

1.任务书…………………………………………………………3

2.工艺生产流程线………………………………………………5

2.流程及方案的说明和论证……………………………………6

3.换热器的设计计算及说明……………………………………6

4.主要符号表……………………………………………………7

5.物性数据表……………………………………………………9

6.设计核算……………………………………………………12

7.主要结构和计算结果表………………………………………18

8.设计评价及讨论……………………………………………20

9.参考文献………………………………………………………21

附图：

主体设备结构图和花版设计图

一．任务书

一.设计题目：

列管式冷却器设计

二.设计任务：

将自选物料用河水冷却或自选热源加热至生产工艺所要求的温度

三.设计条件：

1.处理能力：

G=学生学号最后两位×300t物料/d

2.冷却器用河水为冷却介质，考虑广州地区可取进口水温度为20~350C；加热器用热水或水蒸气为热源，条件自选；

3.允许压降：

不大于105Pa；

4.传热面积安全系数5～15％

5.每年按330天计，每天24小时连续运行。

四.设计要求：

1.对确定的设计方案进行简要论述；

2.物料衡算、热量衡算；

3.确定列管壳式冷却器的主要结构尺寸；

4.计算阻力；

5.选择合宜的列管换热器并运行核算；

6.用Autocad绘制列管式冷却器的结构（3号或4号图纸）、花板布置图（3号图纸）；

7.编写设计说明书（包括：

①.封面；②.目录；③.设计题目；④.流程示意图；⑤.流程及方案的说明和论证；⑥设计计算及说明；⑦主体设备结构图；⑧设计结果概要表；⑨对设计的评价及问题讨论；⑩参考文献。

）

五.设计进度安排：

二周内完成（按10个工作日计算）

设计阶段

内容

工作日

1.准备

布置任务、现场参观，老师介绍有关内容，借阅资料

0.5

2.拟定设计方案及设计步骤

阅读有关资料，确定自己的流程及设计方案、步骤

2.0

3.设计计算

进行具体计算并调整

3.0

4.编写说明书

整理计算结果并绘图

4.0

5.交流总结

0.5

备注：

参考文献格式：

期刊格式为：

作者姓名.出版年.论文题目.刊物名称.卷号（期号）：

起止页码。

专著格式为：

作者姓名.出版年.专著书名.出版社名.起止页码。

1．啤酒工艺生产流程：

啤酒生产过程主要分为四个部分。

糖化→发酵→滤酒→包装

麦芽在送入酿造车间之前，先被送到粉碎塔。

在这里，麦芽经过轻压粉碎制成酿造用麦芽。

糊化处理即将粉碎的麦芽/谷粒与水在糊化锅中混合。

在糊化锅中，麦芽和水经加热后沸腾，这是天然酸将难溶性的淀粉和蛋白质转变成为可溶性的麦芽提取物，称作"麦芽汁"。

然后麦芽汁被送至称作分离塔的滤过容器。

麦芽汁在被泵入煮沸锅之前需先在过滤槽中去除其中的麦芽皮壳，并加入酒花和糖。

在煮沸锅中，混合物被煮沸以吸取酒花的味道，并起色和消毒。

在煮沸后，加入酒花的麦芽汁被泵入回旋沉淀槽以去处不需要的酒花剩余物和不溶性的蛋白质。

洁净的麦芽汁从回旋沉淀槽中泵出后，被送入热交换器冷却。

麦芽汁中被加入酵母，开始进入发酵的程序。

2．流程及方案的说明和论证

2．1设计方案的说明和论证

1.确定流程；

2.计算定性温度以确定物性数据；

3.计算热负荷；

4.按纯逆流计算平均传热温差，然后按单壳程多管程计算温度校正，如果温差校正系数小于0.8，应增加壳程数；

5.选择适当的总传热系数K以估算传热面积；

6.计算冷却水用量；

7.确定两流体流经管程或壳程，选定管程流体速度，由流速和流量估算单程管的管子根数，由管子根数和估算的传热面积，估算管子长度和直径，再由系列标准选用适当型号换热器。

8传热管排列和分程方法；

9计算壳体内径和折流板间距、折流板数；

10计算壳程流体传热膜系数；

11计算管程流体流速，若结果与前面设定的流速不接近，则要从头在设定一个速度，再开始算过，直到两者相互接近；

12计算管内传热膜系数；

13温核算，结果如果大于50℃，要设置温差补偿装置；如果超过105Pa，则要从头开始再设数据算，直到结果不大于105Pa为止。

14计算传热面积安全系数，必须满足5％－15％的安全度，若不在此范围内，则要再改数据再试算，直到符合要求；

15计算壳程接管内径，选取壳程流体进出口接管规格；

16计算管程接管内径，选取管程流体进出口接管规格；

2．2确定设计方案及流程

2．2．1选择物料

本实验选择经过煮沸后的啤酒作为热流体，选择没经过处理的河水作为冷流体.

2．2．2确定两流体的进出口温度

热流体的进出口温度分别为900C、80℃；

冷流体的进出口温度分别是250C、30℃。

2．3．3确定流程

由于豆浆较易结垢，对流传热系数较大，若流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的传热速率下降，同时，为便于清洗污垢，热流体豆浆应该走管程，冷流体应走壳程。

2．3．4换热器类型的选择

从两流体的温度来看，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，由于其进口温度会降低，估计该换热器的管壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式式换热器。

3．设计计算及说明

3．1设计符号说明

表一主要符号说明表

序号

名称

符号

单位

序号

名称

符号

单位

1

热流体温度

T

℃

19

粘度

μ

Pa·s

2

冷流体温度

t

℃

20

密度

kg/m3

3

平均传热温差

∆tm

℃

21

导热系数

K

w/m·℃

4

流通截面积

A

m2

22

污垢热阻

R

m2·℃/w

5

直径

d

m

23

对流传热系数

α

w/m2·℃

6

管当量直径

m

24

导热系数

K

w/m2·℃

7

接管直径径

m

25

定压比热容

CP

kJ/kg·℃

8

单程传热管长

L

m

26

折流板数

NB

9

分程后的管长

l

m

27

总传热管数

NT

10

实际传热面积

m2

28

管程数

NP

11

理论传热面积

S

m2

29

串联壳程数

Ns

12

热流量

Q

kw

30

雷诺数

Re

13

质量流量

m

kg/s

31

管壁粗糙度

14

流速

u

m/s

32

普兰特数

Pr

15

压强

P

Pa

33

单管程时传热管数

ns

16

折流板间距

h

mm

34

横过管速中心管速

Nc

17

管心距

a

mm

35

壳体厚度

B

mm

18

壳体内径

D

mm

36

对数平均温差校正系数

37

壳体流程的摩擦系数

38

E

管速中线上最外层管中心到壳体内壁的距离

3．2确定物性数据

3．2．1定性温度

啤酒的定性温度为：

Tm=（80+40）/2=60℃

管程流体的定性温度为：

Tm=（20+30）/2=30℃

3．2．2啤酒与选用河水的物性数据

表二

密度kg/m3

比热kJ/kg·℃

粘度Pa·

传热系数w/m·℃

啤酒

1000

4.19

1.30×10-3

0.580

河水

996

4.18

0.84×10-3

0．6139

3．2．3估算传热面积

根据设计的要求，换热器的处理能力G＝11×300＝3300t物料/d

（1）热负荷

Qi——热负荷，kW；

Mi——热流体的流量，kg/s；

∆ti——热流体的温度差，℃

cρ,i——热流体的黏度，kJ/kg·℃。

（2）平均传热温度

按逆流计算得

℃

∆t1，∆t2——分别是换热器两端冷热流体的温差

（3）传热面积

假设K=1000w/m2·℃，则估算的传热面积为：

（4）冷却水用量

∆to——冷流体的温度差，K。

cp,o——冷流体热容，kJ/kg·℃

3．3工艺结构尺寸

3．3．1径和管内流速

选用管径为ф25×2.5较高级传热管，

取管内流速ui=1.5m/s。

3．3．2管程数和传热管数

根

按单程管计算，现取传热管长=5m，则

管程

根

ns——单程传热管数；

L——传热管长度，m；

NP——换热器的管程数；

NT——传热管总根数；

ρi——热流体密度，kg/m3

3．3．3平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数：

按单壳程，2管程，查对数平均温度差校正系数

值表，得

平均传热温差：

℃

由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，所以取单壳程较合适。

4．设计核算

4．1管程流体压强降

管程流体流通截面积

m2

管程流体流速

m/s

雷诺数

ΔP1、ΔP2——分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa；

Ft——结垢校正系数，无因次，对于ф25×2.5mm管子，取为1.4。

由Re=

，传热管相对粗糙度为0.005，查得λ=0.038，

流速ui=2.269m/s，所以有

<105Pa

4．2壳程流体压强降

ΔP1'——流体横过管束的压强降，Pa；

ΔP2'——流体通过折流板缺口的压强降，Pa；

Fs——壳程压强降的结垢校正因数，无因次，液体可取1.15。

F——管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.5；

f0——壳程流体的摩擦系数，当Re0>500时，f0=5.0Re0-0.228；

nc——横过管束中心线的管子数；

;

NB——折流挡板数；

（块）

h——折流挡板间距，m；h=0.6m

其中有Ns=1，Fs=1.15；

4.2.1流体流经管束的阻力损失

m,在这里a=0.032m

则：

m

㎡

u0=（4.471×

）/（3600×996.2×0.0825）=1.51m/s

>500

4.2.2流体流过折流板缺口的阻力损失

Pa<

Pa

由上述计算表明，管程和壳程的压强降都满足方案要求。

4．3传热面积安全系数的计算及检验

4．3．1管程对流传热系数

当

时，流体流动状态为湍流，所以：

普兰特数

当Re>10000，Pr=0.7~120，L/di=10.7/0.02=535>60时

=0.023

=0.023

=6634.4w/m·℃

di——管内径，m；

μi——热流体黏度，Pa·S；

λi——热流体传热系数，w/m·℃

ai——管内传热膜系数，w/m·℃

4．3．2壳程对流传热系数

因为管子为正三角形排列，则当量直径为

=

=0.020m

壳程流通截面积

m2

壳程流体流速

m/s

雷诺数为

=

普兰特数

=

取

=1.05时

=0.36

=0.36×

=2350.4w/m·℃

d0——管外径，m；

ρ0——河水的密度，kg/m3；

μ0——冷流体黏度，Pa·S；

λ0——冷流体传热系数，w/m·℃

a0——壳程流体传热膜系数，w/m·℃

4．3．4总传热系数K'

=1/（

）

=512.01w/m2·℃

4．3．5传热面积裕度

（1）所需要的传热面积

（2）该换热器的实际传热面积

（3）该换热器的面积裕度为

可见此安全系数在5％～15％范围内，满足设计要求。

5.换热器其它结构大小的确定

5．1偏转角

5．2接管

管程流体进出口接管

取管内流速u1＝1.497m/s

则接管内径：

Di＝

m

取壳程流体管内流速u2＝1.25m/s

则壳程接管内径：

Do＝

m

壳壁厚度：

6．换热器结构尺寸和结构图

6．1换热器主要结构数据

表三换热器主要结构和计算结果

名称

管程

壳程

物料名称

啤酒

干净河水

流量,kg/h

1.4×105

温度，℃进/出

80/40

20/30

物

性

定性温度℃

60

25

密度kg/m3

1000

996

热容kJ/（kg℃）

4.19

4．18

黏度Pa·s

1.30×10-3

0.84×10-3

传热系数w/m·℃

0.580

0．6139

普兰特数

5.72

5.80

设备结构参数

管程进出口直径mm

150

壳程进出口直径mm

350

类型

浮头式

放置方法

卧式

管程数

2

壳程数

1

管径mm

ф25×2.5

管心距mm

32

管长mm

1079

管子排列

正三角型

管数目（根）

166

折流板数（个）

9

传热面积m2

120.7

折流板间距mm

600

壳体内径mm

1000

材料

碳钢

壳体壁厚mm

15

主要计算结果

管程

壳程

流速m/s

1.5

1．26

传热膜系数w/（m2·K）

5860．0

2350．4

阻力降Pa

88352.88

75814.23

传热量kW

2.30×106

传热温差℃

32.7

总传热系数

512.01w/m2·℃

传热面积安全系数

14.8%

6．2主体设备结构图（见附图）

8．设计评价与讨论

优点：

本设计选用浮头式换热器，其一端管板不与壳体相连，可沿轴向自由伸缩，这种结构不但可完全消除温差应力，而且整个管束可以从壳体中抽出，给清洗和检修带来方便。

而折流板的设计，有效地提高了壳程的流速，减少污垢沉积，增加湍流强度，提高传热效率，大大改善传热效果。

关于传热面积A的改变，不以增加换热器台数，改变换热器的尺寸来加大传热面积A，而是通过对传热面的改造，如开槽及加翅片、以不同异形管代替光滑圆管等措施来加大传热面积以强化传热过程。

本设计有166跟管数，采用三角排列式，有效增加了传热面积，避免管外不利于传热的部分。

缺点：

由于管内直径大，壳体受的压强很大，阻力的损耗大，因此要增加操作费用。

总结；

通过这次的课程设计，加强了对化工原理课程的理解,比如：

冷、热流体流动通道的选择；流速的选择；流动方式的选择；换热管规格和排列的选择；折流挡板间距的具体选择等。

充分的利用了课本上的知识，也丰富了课外知识，掌握了CAD工程制图的技术，巩固了自己对这门课程的认知。

9.参考文献：

[1]宋贤良，李雁.“化工原理”课程设计指导书.华南农业大学印刷厂印刷，2005，29；

[2]宋贤良，李雁.“化工原理”课程设计指导书.华南农业大学印刷厂印刷，2005，15~25；

[3]管国锋，赵汝博.化工原理.北京：

化学工业出版社，2003，191~195；