1、食品科學與工程學院食品工程原理課程設計說明書任務名稱：列管換熱器設計 設計人員：專 業：食品科學與工程專業班級組別：設計時間：2014年1月07日目 錄 列管換熱器設計目 錄目 錄III1 設計任務書12 換熱器概述23 設計方案簡介23.1 換熱器類型23.2 流動空間選擇23.3 物性參數34 過程工藝計算34.1 熱負荷34.2 平均傳熱溫差35 初選換熱器規格36 參數核算46.1 管程對流換熱系數46.2 殼程對流換熱系數56.3 污垢熱阻66.4 總換熱系數66.5 管程進出管66.6 殼程進出口管76.7 浮頭箱76.8 浮頭77 校驗壓力降87.1 管程壓力降87.2 殼程壓力

2、降88 設計結果一覽表97 產品設計圖108 設計評論10參考文獻12- 11 -列管換熱器設計1 設計任務書一、設計題目：煤油換熱器的設計二、設計原始數據1.處理能力：3.0*105噸/年煤油2.設備型式:列管式換熱器3.操作條件:煤油:入口溫度160 ,出口溫度 45冷卻介質:循環水,入口溫度20,出口溫度40.允許壓降:不大于105Pa煤油定性溫度下的物性數據:=825kg/m3=7.15*10-4PaSCp=2.22kJ/(kg)=0.14W/(m)每年按330天計,每天24小時連續運行三、設備型式:列管式換熱器四、設計任務：1.設計計算列管式換熱器的熱負荷、傳熱面

3、積、換熱管、殼體、接管等。2.繪制列管式換熱器的工作圖。2 換熱器概述換熱器（Heat Exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業部門的通用設備，在生產中占有重要地位。在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，應用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。 列管式換熱器工業上使用最廣泛的一種換熱設備。其優點是單位體積的傳熱面積、處理能力和操作彈性大，適應能力強，尤其在高溫、高壓和大型裝置中采用更為普遍。列管式換熱器主要有以下幾個類

4、型：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、 U 形管式換熱器等。 設計一個比較完善的列管式換熱器，除了能滿足傳熱方面的要求外，還應該滿足傳熱效率高、體積小、重量輕、消耗材料少、制造成本低、清洗維護方便和操作安全等要求。 列管式換熱器的設計，首先應根據化工生產工藝條件的要求，通過化工工藝計算，確定換熱器的傳熱面積，同時選擇管徑、管長，確定管數、管程數和殼程數，然后進行機械設計13。3 設計方案簡介3.1 換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體（煤油）進口溫度為160，出口溫度45；冷流體（循環水）進口溫度為20，出口溫度為40。 殼程煤油的定性溫度： 管程流體的定性溫度： 兩流體溫差： 因為，所以選用浮

5、頭式換熱器。3.2 流動空間選擇由于循環冷卻水易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，為便于水垢清洗，應使循環水走管程，煤油走殼程；兩流體均不發生相變的傳熱過程，因水的對流傳熱系數一般較大，所以水走管程49。因逆流時的平均溫度差最小，傳熱推動力大，可節省冷卻介質的用量，操作無特殊要求，故流動方式選逆流。3.3 物性參數對于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度都可以取流體的進出口溫度的平均值1013。故煤油的定性溫度為：Tm=102.5，管程流體的定性溫度為：tm=30。在定性溫度下，流體的物性參數如下表所示：表1 定性溫度下煤油與冷卻水的物性參數Tab.1 Physical paramet

6、ers of kerosene and cooling water qualitative temperature under 物性參數溫度密度kgm3黏度Pas比熱容kJ(kg)導熱系數W(m)煤油102.58257.15*10-42.220.140冷水30992.20.0006534.170.6344 過程工藝計算4.1 熱負荷 若忽略換熱器的熱損失，水的流量可由熱量衡算求得，即： 4.2 平均傳熱溫差逆流溫差： 由R和P查圖得，故選用單殼程的列管式換熱器。 5 初選換熱器規格根據管內為冷水，管外為煤油，K值范圍，初選，所以 考慮15%的面積裕度： 經過查表選擇的換熱器的總面積為125.1

7、2 m2，因此，初選固定管板式換熱器規格如下1418：表2 固定管板式換熱器初選規格Tab.2 Primaries specifications of fixed tube plate heat exchanger 項目尺寸項目尺寸殼徑D/mm700管長L /m6 m公稱面積/m2123.7管子直徑25 mm×2.0 mm管程數NF2管子排列方法正三角形殼程數數1管數n268換熱器的實際傳熱面積換熱器要求的總傳熱系數為：6 參數核算6.1 管程對流換熱系數 Re>10000, Pr=0.7160 , 管長與管徑之比： 所以（液體被加熱）錯了，0.0236.2 殼程對流換熱系數換

8、熱器中心附近管排中流體通截面積為h折流擋板間距，t管中心距，對的管子，由正三角形排列，得： 因為在范圍內，故可由下式計算。液體被冷卻 6.3 污垢熱阻經查表得： 6.4 總換熱系數管子材料選用Q345R低碳合金鋼，取其導熱系數 選用該換熱器時，要求過程的總傳熱系數為，在傳熱任務所規定流動條件下，計算出，所選擇的換熱器的安全系數為：該數值在15%25%之間，所以換熱器傳熱面積的裕度符合要求。6.5 管程進出管進出口流通截面積為：進出口管內徑為：取用的熱扎鋼管6.6 殼程進出口管進出口流通截面積為：進出口管內徑為：取用熱扎鋼管。6.7 浮頭箱外頭蓋內直徑：外頭蓋同樣采用材質為鋼的標準橢圓形封頭，=

9、12mm曲面高度：直邊高度6.8 浮頭如圖示為浮頭端的裝配圖，包括碟形蓋，鉤圈法蘭和浮動管板，由于浮動管板要與管子脹接后從殼體一端伸到另一端，因此管板的外直徑應小于殼體內徑，其主要尺寸如下：圖1 浮頭結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of floating structure浮動管板外直徑： 浮動管板厚：浮頭法蘭外徑：浮頭法蘭內直徑：碟形蓋內半徑：厚度：取15mm7 校驗壓力降7.1 管程壓力降前已計算出：（湍流）取鋼管壁粗糙度0.2mm，則由摩擦系數圖查得，所以對于的管子，所以 7.2 殼程壓力降其中 管子為正三角形排列，取 折流板數： 所以 從上面計算可知，該換熱器

10、管程與殼程得壓強降均滿足題設要求，故所選換熱器合適1922。8 設計結果一覽表換熱器主要結構尺寸和計算結果 換熱器主要結構尺寸和計算結果見表3。表3 換熱器主要結構尺寸一覽表Tab.3 A list main structure size of the heat exchanger換熱器型式：浮頭式式換熱器管口表換熱面積（）： 155.4符號尺寸連接型式工藝參數管程320×4mm螺紋連接名稱管程殼程殼程300×4mm螺紋連接物料名稱水煤油操作壓力，MPa2.01.6操作溫度，30102.5流量，/h1.16×1053.79×104流體密度，/ m3992

11、.2825附圖:流速，m/s0.70.4傳熱量，kw2.69×103總傳熱系數， W(m2 )528.65對流傳熱系數， W(m2 )2654.57735.52污垢系數， W(m2 )阻力降，Pa9431.87276.23程數21推薦使用材料鋼鋼管子規格mmmm管數268管間距mm32排列方式正三角錯列折流板形式水平圓缺型間距mm210殼體內徑mm700管長mm60007 產品設計圖經過對列管式換熱器的參數計算，確定滿足設計要求的換熱器各項技術參數，利用Autodesk CAD2013進行換熱器的整體設計，設計剖視圖圖如圖所示，詳細參數見附錄一。圖2 浮頭式換熱器剖視圖Fig.2 T

12、he cutaway view of Floating head heat exchanger8 設計評論浮頭式換熱器的工藝設計主要包括以下內容：根據具體換熱任務和有關要求確定設計的設備類型，查找資料確定流動液體的物性參數；初步計算過程工藝參數，確定換熱器的規格和結構尺寸；根據初選情況，核算換熱器的傳熱面積和流體阻力；確定換熱器的設計結果，確定設計一覽表中各項參數具體數值，繪制換熱器的CAD圖形。在選擇換熱器的類型時，我們考慮到兩種流體的進出口溫度，在定性溫度確定后，考慮到兩流體的溫度相差較大（72.5），就可能由于熱應力而引起管子彎曲或使管子從管板上拉脫，因此需要考慮這種熱膨脹對換熱器的影響

13、。但在確定哪一種流體走殼程哪一種走管程時，我們發現有一些相互矛盾的因素存在，在經過我們討論與咨詢之后，綜合各種考慮因素，最終確定了管程與殼程的流體類型，同時也確定了選擇浮頭式內導流換熱器作為本次課程設計的基本方案。在換熱器的類型、流動空間的選擇以及物性參數確定后，我們首先對工藝過程的一些基本參數進行了計算，在算出換熱面積之后，我們考慮到15%的面積裕度，并根據面積以及換熱器的類型查表，選擇一個換熱面積相近的標準換熱器。隨后對實際數據進行參數核算。在核算換熱系數時，我們返工了3次，因為選擇的型號面積裕度并未在10%25%之間，后來由返工了1次，實在校核壓力降時發現壓力降過大。在數次的返工中，我們

14、發現之前的選擇以及考慮中存在的問題，同時也不斷優化了計算的過程，同時也更加熟悉了整個換熱器設計的過程。設計評論：（1）本設計滿足設計任務的各項要求，同時設計的浮頭式內導流換熱器符合生產的標準要求。(2)設計的浮頭式列管換熱器水走管程，煤油走殼程有效的提高了換熱效率,降低了生產的投入，同時充分考慮到溫差對換熱器造成的影響。(3)設計的浮頭式列管換熱器為一殼程二管程。(4)在繪制CAD圖、計算各項參數的過程中，我們已盡力做到自己可以完善的地步，但可能還與標準規定有一定的差異，也可能還有很多沒有考慮周到的地方，敬請老師批評指正。參考文獻1 包建華,徐云升. 濃縮果汁生產過程中能耗的研究J. 科技信息

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