列管式换热器设计方案Word文档格式.docx

1、 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1 I 阖定筲摭式换妬器折直把悔 2了一莊体 斗一封丢 5feW 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

2、, 其造价比管定管板式高 10%左右。1*1 I 2 IF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ffii 3 Wffi 4 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。

3、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 24k弭Bi借 34IM 4境料啪 5锲阳NK2.3.1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

4、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

5、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（Re100）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

6、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/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530壳程流速，0.21.50.50.41.00.30.8215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

7、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

8、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

9、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）+（23） d0式中 t 管心距， mm；do 换热管外径，mmnc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：

10、2管程 n =0.70.854 管程 n =0.60.8 2 管程 n =0.550.74 管程 n =0.450.65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 2050。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，

11、 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50 mm,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

12、环水流速取 1.2m/s4.材质：不锈钢5.管径25*2.5mm3.2确定物性数据定性温度：果浆T 8 2 50 C210 1713.5果浆参数（50）1050（kg/m3）Cp 3.5（kJ/Kg k）0.61（w/m k）2.0 10 3（Pa s）水（10999.7（Kg/m3）Cp 4.191（KJ/Kg k）0.5741（w/m k）1.306 10 3（Pa s）3.3计算总传热系数3.3.1热流量（对应果浆）Q mct065000 3.5 （80 20） 1.05 10 （KJ / h） 291.7（kw）3.3.2平均传热温差:tm（80 17） （20 10）In（80 17

13、）（20 10）28.83.3.3冷却水用量（忽略热损失）3.3.4总传热系数K （取流速:u1.2m/s）（内径） .di0.020m其中（外径） .d0.025m（平均直径）.d m0.225m（换热器壁厚）.b0.0025mqmQtCp tdu C对流传热系数 i 0.023 （）0.8（ p一）n （其中被加热介质 n=0.4）di3 34194（w/m2 C）0.023迪（18371）0.8（4.191 10306 10 严0.02 0.57412 。485.4（w/ m C）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25mm 2.5mm较高级冷拔传热管（不锈钢

14、）取管流速ui 1.2m/s5.1.2管程和传热管数35791qv 3600 9997.2 0.785 0.022 1.2di u4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Npd0Ns 3.14 0.025 27 p9.92 （管程）则传热管数总根数n 27 2 54（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：t2T1T217C80C206.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D 1.05R、n/ 1.05 32 54/0.75 285mm159mm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

15、有273mm 400mm 500mm 600mm 800mm等。根据以上标准可取 D=400mm6.1.2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 u2 2.5m/ s ，则接管径为D2 4 35791 /（3600 汀）0.07im ，圆整后可取管径为 100mmV 3.14 2.57.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0.8 0.40.023 Re Pr0.023 0.5741 179120.8 9.530.4 4110（w/m2 C）0.027.1.2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3

16、2 2 、 3 24（ Pt2 -d0 ） 4（ 0.0322 0.025）2 4 2 4de 2 4 一2 4 0.02（m）d。 0.025壳程流通截面积d 25 2s BD（1 譚 120 400 （1 三）0.0105（m ）壳体流体流速及其雷诺数分别为黏度校正（）0.14 0.95w则壳程传热膜系数10.36ReoPr）0.14de w0.36 061 12030.55 12.63 0.95 1203（w/m2 C）7.1.3污垢热阻和管壁热阻查表知，管外侧污垢热阻 R0 0.000172（m2 C/W），管污垢热阻R 0.000344（ m2 C/W）。已知管壁厚度为b 0.002

17、5m，不锈钢在此条件下的热导率为 17.4W/m Co7.2总传热系数K。R d0bd。Rid.I d.dm 0527.1（w/m2 C）7.3传热面积校核S QK tm291.7 103 2、21.3（m ）527.1 26实际传热面积S d0lNT 3.14 0.025 6 54 25.4（m2）S 25 4换热器的面积裕度为旦4 1.19传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。S 21.37.4换热器压降的核算7.4.1管程阻力R （ P1卩2）心卩耳l u.2Ns 1,Np 2, P1 -d 20.033，流由Re 10717，传热管相对粗糙度 0.005，参考图 Re双对数坐标图

18、得（7126 2159） 2 1.4 25998（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/ c10 （17）80 （20）压力/MPa4.50.3物性 定性温度/c13.550密度/Kg/m3999.71050定压比热容/kJ/（kg/ C）4.1913.5黏度/Pa s1.306*10 -32.2 10 3热导率 /W/（m C ）0.57410.61普朗特数9.5312.6设备结构 参数形式浮头式壳程数壳体径/mm400

19、台数管径/mm 25*2.5管心距/mm32管长/mm6000管子排列正三角形:管数目/根54折流板数/个49传热面积/m225.4折流板间距/mm120管程数材质主要计算结果流速/ （m/s）1.170.126表面传热系数W/（m2 C）41101203污垢热阻/（m2* C /W）0.0003440.000172阻力/Pa259982860.4热流量/kW291.7传热温差/K26传热系数/W/m2* C 527.1裕度/%1.199.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.

20、17m/s，流体雷诺数Re=107174000。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 100 Kpa在允许围之；壳程流动阻力为 2860.4pa , 2860.4pa10 Kpa也允许围之，比较适宜。10 .参考资料1化工原理课程设

21、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，mC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/（m2C ）；L 管长，mm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/m2Q传热速率，Wr 半径， m；气化潜热， kJ/kg ；R热阻，m2C /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，m2t 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。