南昌大学食品工程原理课程设计报告

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……………………………………………………………………3 一、设计目的与内容………………………………………………………5 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…………………………………………6 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…………………………………………………7 7.设计流程图…………………………………………………………9 四、传热过程工艺计算……………………………………………………10

1.热负荷Q……………………………………………………………10 2．传热面积A…………………………………………………………10 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……………………………………………………………11 5.传热器面积核算…………………………………………………13 五、设备结构的设计……………………………………………………13 1.外壳直径及长度………………………………………………………13

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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…………………………………………………………17

七、设计结果的汇集 …………………………………………………17 八、主要符号说明………………………………………………………18 九、设计心得……………………………………………………………20 十、参考文献……………………………………………………………21

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。

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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 85 （t/h），水温由 25 ℃加热到 65 ℃。确保换热器能正常工作，并且节约换热器用材，在使用过程中能节约能量，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 600 KPa，其相应的温度Ts=158.7 ℃，此时蒸汽的物性参数：

密度ρ=3.1686 kg／m3 汽化潜热γ=2091.1 kJ／kg 水的定性温度t=45 ℃，此时水的物性参数：

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cp= 4174 J／kg?℃；μ=601.2×10-6 pa?s； λ= 0.6403

W／m2?k；ρ= 990 kg／m3

2.列管式换热器型式的选择

选择：固定板式型

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。

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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：

(1)换热效率高,热损失小

在最好的工况条件下, 换热系数可以达到6000W/ m2K, 在一般的工况条件下, 换热系数也可以在3000～4000 W/ m2K左右,是管壳式换热器的3～5倍。设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。完成同一项换热过程, 板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/ 3～1/ 4。 (2)占地面积小重量轻

除设备本身体积外, 不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0. 6～0. 8mm。同样的换热效果, 板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。 (3)污垢系数低

流体在板片间剧烈翻腾形成湍流, 优秀的板片设计避免了死区的存在, 使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。 (4)检修、清洗方便

换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时, 仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。 (5)产品适用面广

设备最高耐温可达180 ℃, 耐压2. 0MPa , 特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面, 在低品

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位热能回收方面, 具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。

当然板式换热器也存在一定的缺点, 比如工作压力和工作温度不是很高, 限制了其在较为复杂工况中的使用。同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。

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7.设计流程图

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四、传热过程工艺计算

1. 热负荷Q

Q=mscp（t2-t1）= 3.942×106 W或J／s

由于热损失约3%-5%，所以Q’=Q×1.05=4.1391×106W或J／s 2．计算水蒸气流量

忽略热损失，则水蒸气流量为：

Qms1==4139.1/2091.1=1.98kg/s

r3．传热面积A

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

由于△tm=(△t1-△T2)/(ln（△t1/△T2) 代人数据得△tm=113℃

由①可求得A= 29m2 且A，=（1.1～1.2）A

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求出实际A，=1.1A=32m2

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 通过查表可得最接近的A值为32的标准换热器参数为： 公称直径：400mm 管程数：1 管子数：98 换热器的实际换热面积So：

So=n?d（=98×3.14×0.025×（4.5-0.1）=33.85 ）OL-1该换热器所需要的总传热系数Ko：

4139.1QKo==33.85?113=1030.57w2

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?98?1=0.03077 管程水内的强制对流传热系数取管程水内的流速u=雷诺数Re1?cp1mSI=0.77m/s ?A1du??1?0.020?0.77?990?25076 ?30.608?104.174?103?0.608?10?3pr??1??3.963

?0.6403 所以α1=0.023×λi/di×(ρdu/μ)0.8×(cμ/λ)bW/(㎡/℃)即为a1=0.023×λi/di×（Re0.8)（Prb )

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当流体被加热时b=0.4,当流体被冷却时b=0.3 求得α1=4223.7 W/(㎡/℃) （2）冷凝给热系数?0及K的计算

设壁温tw=160℃，则平均温度Tw′=2tw-187.5=132.5℃ 按此温度下查得液态水的物理量如下：

?=0.6821W/(m?K), μ=1.736?10?4pa.s ?=907.4kg/m3

??2)1/3?1.51?(4M?10(3?2g?3?)

M?3.141642/3?4.5=0.0233 计算得?0=8169.3W/(㎡/℃)

管程污垢热阻： Rs1=2.6×10-4W/(㎡/℃) 壳程污垢热阻： Rs2=1×10-4W/(㎡/℃) K的计算 1?10k??Rs2?Rs1?d0d0d?? 计算结果得k=1270.37 i1?di数裕度1270.37-1030.571030..57?10000?23.2700 符合要求

校核tw

T?tw1/??tw?t/? （T=158.7 t=70）

o?Rs111?Rs2tw=132.4℃

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总传热系与假设值相比，认为假设合理。

5.传热器面积核算

S=Q÷（K×Δtm ）=27.46m2 换热面积 裕度为

33.8-24.76?1000?18.80，该换热器能够完成生产任务。 0033.8五、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=400mm

（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

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（3)折流挡板Nb

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=0.25×450=112.5mm 取折流板间距B=450mm

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+0.226D+2×S=4.9304m

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2.5m/s

Π/4×d2×u=ms/ρ

d=174mm，查标准表可取d=174mm，此时法兰d=219mm，螺丝接口d=18mm （2）水蒸气进口直径

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水蒸气进口流速取10m/s

蒸汽压力 600 kPa，密度ρ=3.1686 kg／m3 汽化潜热γ=2091.1 kJ／kg

MS=π/4×d2×ρ×u

d=282mm，查标准表可取d=282mm，此时法兰d=325mm，螺丝接口d=18mm （3）不凝性气体出口管径 Φ76×3mm

（4）冷凝水出口管径 Φ282×6mm

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=25076，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=0.77m/s,?=990kg／m3，所以：

l?u2?pi??i=2542.3

d2?pr????u22=880.5 ??3

对于?25mm×2.5mm的管子有Ft?1.5，且NP?2，Ns?1

?pt?（3682.6+1913）?2?1.5=10268.4pa

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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?NB?1?'12?uo流体流经管束的阻力

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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 f0——壳程流体的摩擦系数，当Re>500时，f0= nc——横过管束中心线的管数，nc?1.1N5Re0.228=0.3887

≈11

折流板间距B=0.45m，折流板数NB=9，

2壳程流通截面积s0?h?(D?nc?d0)?0.45? （0.4-11?0，025）?0.056m 壳程流体流速为u0?mi??S0?10.4123.1686?10.41?0.5?0.3887?110? ?p1?Ff0nc(NB?1)?=3670Pa

22?u022B??uo?流体流经折流板缺口的阻力 ?P?NB?3.5?=1931.5Pa ?D2??'22

总阻力 ??p0?3670+1931.5=5601.5Pa 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

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折流挡板间距：450mm 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、设计结果的汇集

换热器型式：列管式固定板式换热器 换热器面积m2:28.7 工艺参数 物料名称 操作压力，kPa 操作温度。℃ 水 400-500 25/65 水蒸气 600 158.7/158.7 17

流量，kg/h 密度，kg/m3 流速，m/s 传热量，kw 85 990 1.135 4139.1 1037.1 1.98 3.1686 10 总传热系数，W/(㎡×℃) 污垢系数，(℃/m2)/W 2.6×10-4 管程数 使用材料 管子规格 管心距，mm 折流板形式 壳体内径，mm 1 不锈钢 Φ25×2.5 32 上下 400 1?10-4 1 不锈钢 管数98 排列方式 管长4500mm 正三角形 间距/切口高度 450mm/100mm 八、主要符号说明

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；

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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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九、设计心得

为期一个星期的课程设计总算结束了。尽管在设计的过程中,我碰到了各种各样的困难，但是在自己的努力以及同学的帮助下,我都将它们一一克服了。尽管其中的过程很辛苦，但是通过这次课程设计，我学到了很多东西，收获很大。在两年的大学生活中，我们在课堂里学到的仅仅是基础课和专业课的理论知识，而并没有把它们运用到实践中去。这次的课程设计是一个综合性很强的锻炼。从刚刚拿到任务时的茫然，到整个完成设计时的喜悦，整个过程除了如何学会查找合适的数据，计算之外，最重要的是锻炼了独立思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，大到选择公式和参数，小到编辑公式，从最初的惧怕心理，到后来的熟练计算，每一个步骤都是自己努力的成果。虽然最后的设计书还有很多不足之处，但是自己能够独立完成一项工作还是一件值得高兴的事，让我对以后的课程任务更多了一份信心。

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十、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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十、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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