1、食品工程原理課程設計管殼式換熱器的選型換熱器的設計 換熱器， 在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為換熱器。 在化工、石油、動力、制冷、食品等行業中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述行業的通用設備，占有十分重要的地位。列管式換熱器的設計1、熱力設計2、流動設計3、結構設計4、強度設計熱力設計 根據使用單位提出的基本要求，合理地選擇運行參數，并進行傳熱計算。 計算出總傳熱系數、傳熱面積流動設計 計算壓降，為換熱器的輔助設備提供選擇參數結構設計 根據傳熱面積的大小計算其主要零部件的尺寸強度設計 應力計算。考慮換熱器的受力情況，特別是在高溫高壓下換熱器的受壓部件應按照國家壓力容器的標準設計。列管式換熱器

2、的工藝設計1、根據換熱任務和有關要求確定設計方案2、初步確定換熱器的結構和尺寸3、核算換熱器的傳熱面積和流體阻力4、確定換熱器的工藝結構設計方案的設計1、換熱器類型的選擇 固定管板式換熱器 浮頭式換熱器 U型管換熱器 填料函式換熱器2、流動空間的選擇原則（1）傳熱系數較小的一個，應流動空間較 大，使傳熱面兩側的傳熱系數接近（2）換熱器減少熱損失（3）管、殼程的決定應做到便于除垢和修理，以保證運行的可靠性（4）應減小管子和殼體因受熱不同而產生的熱應力。從這個角度來講，順流式就優于逆流式（5）對于有毒的介質或氣相介質，必使其不泄露，應特別注意其密封性，密封不僅要可靠，而且應要求方便及簡潔（6）應盡

3、量避免采用貴金屬，以降低成本流動空間選擇的具體措施（1）宜于通入管內空間的流體 不清潔的流體 體積小的流體 有壓力的流體 腐蝕性強的流體 與外界溫差大的流體（2）宜于通入管間空間的流體當兩流體溫度相差較大時，值大的流體走管間若兩個流體給熱性能相差較大時，值小的流體走管間飽和蒸汽走管間黏度大的流體走管間泄露后危險性大的流體走管間3、流速的確定 介質流速循環水新鮮水一般液體易結垢液體低粘度油高粘度油氣體管程流速，m/s1.0-2.00.8-1.50.5-371.00.8-1.80.5-1.55-30殼程流速,m/s0.5-1.50.5-1.50.2--1.00.3-0.82-15

4、換熱器常用流速的范圍列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速液體名稱乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮氫氣安全流速，m/s1234管程：0.6-0.8 正方形：2管程：0.55-0.7 ; 4管程：0.45-0.65設計示例 年處理量：6000kg/h， 煤油從14040 循環水入口溫度：30 40 煤油壓力：0.3MPa 循環水壓力：0.4MPa1.選擇換熱器類型 考慮季節操作，選用帶有膨脹節的固定管板式換熱器2.流動空間及流速的確定 由于循環冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環水走管程，油走殼程，選用252.5的碳鋼管，管內流速取0.5m/s。確定物性數據殼程油的定性溫度為：

5、 T90管程流體的定性溫度為： t35 根據定性溫度查處煤油和水物性 密度 定壓必熱容 導熱系數 粘度計算總傳熱系數iiiieipOimopoOudRtcQwttttttcmQ2121lnmOosoioiosiiioiipiiiiiiitKQSRdbdddRddKucudd11023. 04 . 08 . 0工藝結構尺寸1.管徑和管內流速：選用252.5傳熱管（碳鋼），取管內流速0.5m/s2.管程數和傳熱管數單程傳熱管數：5842udVnis按單管程設計，所需的傳熱管長度為：mndSLso8 .10現取傳熱管長為6m， 則管程數： 總管數5821162lLNP換熱器核算1.熱量衡算由于采用圓

6、缺形折流板，可采用克恩公式14. 03/ 155. 0PrRe36. 0wooeood當量直徑，若是正三角形排列ooddtde224234殼體流通截面積tdBDSoo1殼程流速及雷諾數為ooooouu殼程流通截面積煤油密度）煤油處理量Re*3600/(一.設計任務書1. 已知熱流體熱量已知熱流體熱量 ，溫度，溫度 、 ， 冷卻介質冷卻介質 溫度溫度2. 確定換熱面積及選定換熱器確定換熱面積及選定換熱器3. 選用一臺合適的離心泵選用一臺合適的離心泵1t1mq1T2T實例實例qm1T1qm1T2t1t2二.設計步驟1.求出換熱器的熱流量求出換熱器的熱流量2.作出適當的選擇并計算作出適當的選擇并計算

7、mt 3.根據經驗估計傳熱系數根據經驗估計傳熱系數 ，計算傳熱面積，計算傳熱面積估估KA4.計算冷、熱流體與管壁的計算冷、熱流體與管壁的 5.壓降校核壓降校核6.計算傳熱系數，校核傳熱面積計算傳熱系數，校核傳熱面積7. 選用一臺合適的離心泵選用一臺合適的離心泵三三. . 設計結果設計結果 換熱器的型號換熱器的型號 離心泵的型號離心泵的型號 流程安排流程安排.求出換熱器的熱流量求出換熱器的熱流量根據已知條件根據已知條件 、 、 、 、 ，求求 2111TTCqQpm 1T2T2Cp1Cp1mqQ實例實例.作出適當的選擇并計算作出適當的選擇并計算mt 流向的選擇流向的選擇確定確定冷卻介質冷卻介質出

8、口溫度出口溫度 ，求對數平均推動力，求對數平均推動力對對 進行進行 修正修正2t 22112211lntTtTtTtTtm 逆逆逆逆mt 2121ttTTR 1212tTttP 查圖得到查圖得到 逆逆mmtt 一般逆流優于并流一般逆流優于并流實例實例.根據經驗估計傳熱系數根據經驗估計傳熱系數 ， 計算傳熱面積計算傳熱面積估估KA 逆逆估估估估mmtAKTTCpq 2111根據根據 初選初選換熱器換熱器估估A實例實例.計算冷、熱流體與管壁的計算冷、熱流體與管壁的確定冷、熱流體走管程或殼程確定冷、熱流體走管程或殼程確定管內流速確定管內流速根據所選換熱管確定根據所選換熱管確定管子的排列管子的排列目前

9、我國國標采用目前我國國標采用 和和mmmm5 . 225 mmmm219 管長管長 有有1.5、2、3、4.5、6、9mlPiviNndqu2785. 0 nPN核定管殼式換熱器內常用流速范圍核定管殼式換熱器內常用流速范圍管程數管程數管子數管子數折流擋板折流擋板安裝折流擋板的目的是為了提高管外安裝折流擋板的目的是為了提高管外對圓缺形擋板，弓形缺口的常見高度對圓缺形擋板，弓形缺口的常見高度國標擋板間距：國標擋板間距：取殼體內徑的取殼體內徑的20%和和25%固定管板式：固定管板式：100、150、200、300、450、600、700mm 浮頭式：浮頭式：100、150、200、250、300、3

10、50、450 （或（或480）、）、600mm管程給熱系數管程給熱系數i 1000Re 4 . 03 . 08 . 0023. 0 CpuddiiiinNdqPivi 2785. 0 8 . 0PiN 若若 ，則改變管程數重新計算或重新估計，則改變管程數重新計算或重新估計估估Ki 估估K物性系數在定性溫度下求得物性系數在定性溫度下求得14. 0 m 實例實例殼程給熱系數殼程給熱系數2000Re 36. 00 ed 55. 0Re31Pr14. 0 w 200010Re 5 . 00 ed 507. 0Re31Pr14. 0 w 若若 太小，則可減少擋板間距太小，則可減少擋板間距0 實例實例.壓

11、降校核壓降校核 管程阻力校核管程阻力校核23iPttuNfdlP :PN:tf3PtNP 允允PPt 管程數管程數管程結垢校正系數，對三角形排列取管程結垢校正系數，對三角形排列取1.5，正方形排列取正方形排列取1.4改變管程數，應兼顧傳熱與流體壓降兩方面改變管程數，應兼顧傳熱與流體壓降兩方面的損失的損失必須調整管程數目重新計算必須調整管程數目重新計算實例實例 殼程阻力損失殼程阻力損失允允PPs 225 . 31200ufDBNNNFfPsBBTCs 可增大擋板間距可增大擋板間距:0u:BN:TCN:B:D:F:0f折流板數目折流板數目橫過管束中心線的管子數橫過管束中心線的管子數折流板間距折流板

12、間距殼體內徑殼體內徑按殼程流動面積按殼程流動面積 計算所得的殼程流速計算所得的殼程流速 00dNDBATC 管子排列形式對壓降的校正系數管子排列形式對壓降的校正系數殼程流體摩擦系數殼程流體摩擦系數實例實例.計算傳熱系數計算傳熱系數 校核傳熱面積校核傳熱面積根據流體的性質選擇適當的根據流體的性質選擇適當的 垢層熱阻垢層熱阻R0111 RKi估估mtKQA 計計ldNAT0 20. 110. 1 計計AA否則重新估計否則重新估計 ，重復以上計算，重復以上計算估估K實例實例 冷卻介質的選擇是一個經濟上的權衡問題，按設冷卻介質的選擇是一個經濟上的權衡問題，按設備費用和操作費用的最低原則確定冷卻介質的最

13、優出備費用和操作費用的最低原則確定冷卻介質的最優出口溫度口溫度C 453CaCO3MgCOoptt2Ctm 10 根據一般經驗過程要有一定的推動力，根據一般經驗過程要有一定的推動力， 冷卻介質若是工業用水，含有冷卻介質若是工業用水，含有 、 等等鹽類，其溶解度隨著溫度上升而降低，為了防止鹽類鹽類，其溶解度隨著溫度上升而降低，為了防止鹽類析出，形成垢層，工業冷卻水出口溫度應小于析出，形成垢層，工業冷卻水出口溫度應小于 若根據若根據 、 在圖上找不到相應的點，表明在圖上找不到相應的點，表明此種流型無法完成指定換熱任務，應改為其他流此種流型無法完成指定換熱任務，應改為其他流動方式。動方式。 若若 ，

14、經濟上不太合理，且操作溫度變，經濟上不太合理，且操作溫度變化時，可能使化時，可能使 急劇下降，影響操作的穩定性，急劇下降，影響操作的穩定性，應改為其他流動方式。應改為其他流動方式。P R8 . 0原則：原則： 不潔凈和易結垢的液體宜在管程不潔凈和易結垢的液體宜在管程 腐蝕性流體宜在管程腐蝕性流體宜在管程 壓強高的流體宜在管內壓強高的流體宜在管內 飽和蒸汽宜走殼程飽和蒸汽宜走殼程 被冷卻的流體宜走殼程被冷卻的流體宜走殼程 若兩流體溫差較大，對于剛性結構的換熱若兩流體溫差較大，對于剛性結構的換熱 器，宜將給熱系數大的流體通入殼程器，宜將給熱系數大的流體通入殼程 流量小而粘度大的液體一般以殼程為宜流

15、量小而粘度大的液體一般以殼程為宜 流體種類流體種類 流速流速管程管程殼程殼程一般流體一般流體0.530.21.5易結垢流體易結垢流體 10.5氣體氣體530315列管式換熱器內常用的流速范圍列管式換熱器內常用的流速范圍液體粘度液體粘度最大流速最大流速 1500 0.6 1500500 0.75 500100 1.1 10035 1.5 351 1.8 1 2.4sm3102mSN sm不同粘度液體的流速不同粘度液體的流速較大較大給熱效果較差給熱效果較差管外清洗方便管外清洗方便大大. a. b. c14. 0 w 95. 005. 1114. 0www 高粘度液體被冷卻高粘度液體被冷卻高粘度液體

16、被加熱高粘度液體被加熱低粘度低粘度 0Reude 020244ddlde 02024234ddlde AVu 0 ldBDA01l0dBD對正方形對正方形對正三角形對正三角形為相鄰兩管的中心距，為相鄰兩管的中心距， 為管外徑，為管外徑， 兩塊擋板間距離，兩塊擋板間距離，為殼體直徑為殼體直徑 流體流體 污垢熱阻污垢熱阻 流體流體 污垢熱阻污垢熱阻 水水 溶劑蒸汽溶劑蒸汽 0.14 蒸餾水蒸餾水 0.09 水蒸氣水蒸氣 海水海水 0.09 優質（不含油）優質（不含油） 0.052 清凈的河水清凈的河水 0.21 劣質（不含油）劣質（不含油） 0.09 未處理的涼水塔用水未處理的涼水塔用水 0.58

17、 往復機排出往復機排出 0.176 已處理的涼水塔用水已處理的涼水塔用水 0.26 液體液體 已處理的鍋爐用水已處理的鍋爐用水 0.26 處理過的鹽水處理過的鹽水 0.264 硬水、井水硬水、井水 0.58 有機物有機物 0.176 氣體氣體 燃料油燃料油 1.056 空氣空氣 0.260.53 焦油焦油 1.7612/ kWKmRR12/ kWKm Ctsm 50,1常見流體的污垢熱阻常見流體的污垢熱阻hrkcal/1054. 95初選換熱器初選換熱器2111TTCpqQm607853. 0101003選冷凝水出口溫度選冷凝水出口溫度定性溫度定性溫度Ct 402Ctm 25210403112

18、9976 .9026078. 0179. 4mkgsPaKmWCkgkJCp 計算計算mt 據此定性溫度，查表得水的物性數據據此定性溫度，查表得水的物性數據 CtTtTtTtTtm 7 .4310604078ln10604078ln12211221逆逆6 . 0103660781221 ttTTR441. 0107810361112 tTttP97. 0 初擬定采用單殼程，偶數管程的浮頭式換熱器。初擬定采用單殼程，偶數管程的浮頭式換熱器。由圖查得由圖查得 修正系數修正系數。參照表參照表，初步估計，初步估計 ，傳熱面積，傳熱面積254 .377 .4397. 070036008 .4186105

19、4. 9mtKQAm 逆逆估估估估 CmWK 2700估估由換熱器系列標準，初選由換熱器系列標準，初選 型換熱器型換熱器IES225/5 . 4436 . 1500B 外殼直徑外殼直徑D/mm500管程數管程數Np2管長管長l/m4.5公稱壓強公稱壓強P/Mpa1.6管子排列方式管子排列方式正方形正方形管數管數NT124公稱面積公稱面積A/m2 243管子尺寸管子尺寸/mm252.5管中心距管中心距t/mm32根據經驗估計傳熱系數根據經驗估計傳熱系數 ，計算傳熱面積，計算傳熱面積估估KA管程流動面積管程流動面積 管內冷卻水流速管內冷卻水流速 管程給熱系數管程給熱系數 22210195. 021

20、2402. 0785. 04mNNdAPT 4611122512221004.1106 .90299746.002.0Re46.00195.0997360031860360086.31104041798 .41861054.9 imimdismAquhrTttCpQqi CmWidii 24 . 08 . 02317PrRe023. 0 管程給熱系數計算管程給熱系數計算殼程給熱系數計算殼程給熱系數計算 2 . 83600/8 .418614. 0106 . 08 .418653. 0Pr1070. 5106 . 099727. 1027. 0Re027. 0025. 014. 3025. 07

21、85. 0032. 044427. 19970219. 036001010036000219. 0032. 0025. 015 . 02 . 013432200222020232220202 CpdeumddtdesmAqumtdBDAm殼程中有機物被冷卻，取殼程中有機物被冷卻，取 95. 014. 0 W CmWdeW 214. 03155. 001717PrRe36. 0 att0 . 1允許值允許值 ，可行，可行PauNfdliPtt3544232 取管壁粗糙度取管壁粗糙度 ， 查圖得查圖得管程壓降管程壓降mm15. 0 0075. 0/ d 04. 0 管程壓降的校核管程壓降的校核取折

22、流擋板間距取折流擋板間距 ，因系正方形排列，因系正方形排列，管束中心線管數管束中心線管數殼程流動面積殼程流動面積因因 故故 46. 01045. 35Re5228. 04228. 00 f500Re0 43000322202021045. 3106 . 099783. 0025. 0Re83. 00337. 099736001010036000337. 0025. 03 .135 . 02 . 0 udsmAqumdNDBAmTC 3 .1312419. 119. 15 . 05 . 0 TTCNNmB2 . 0 殼程壓降校核殼程壓降校核管子排列為正方形，斜轉安裝，取校正系數管子排列為正方形，

23、斜轉安裝，取校正系數取垢層校正系數取垢層校正系數擋板數擋板數殼程壓降殼程壓降 ats0 . 1 kPaufDBNNNFfsBBTCs7 .45225 . 31200 2212 . 05 . 41 BlNB15. 1 sf4 . 0 F，可行，可行查表查表，取，取 ， 根據所選換熱器根據所選換熱器WCmRi 200021. 0WCmR 2000018. 0 2522 .387 .4397. 036006858 .41861054. 96851717100018. 0450025. 000021. 0231711mtKQACmWKm 計計計計15. 12 .388 .43 計計AAIES225/5

24、 . 4436 . 1500B 傳熱面積校核傳熱面積校核208 .435 . 4025. 014. 3124mldNAT 符合要求符合要求型換熱器適合型換熱器適合熱流體熱流體冷流體冷流體 傳熱系數傳熱系數水水輕油輕油重油重油氣體氣體水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝低沸點烴類蒸氣冷凝（常壓）低沸點烴類蒸氣冷凝（常壓）低沸點烴類蒸氣冷凝（減壓）低沸點烴類蒸氣冷凝（減壓）水水水水水水水水水水氣體氣體水沸騰水沸騰輕油沸騰輕油沸騰重油沸騰重油沸騰水水水水850170034091060280172801420425030300200042

25、504551020140425 455114060170K CmW 2一一. .管徑初選管徑初選hrmqqskghrTqmvm311132360099785. 885. 886.31 初取水經濟流速初取水經濟流速 由于由于87mm不是標準管徑，因此確定不是標準管徑，因此確定經計算經計算 符合經濟流速范圍符合經濟流速范圍故確定故確定 ，2220059. 05 . 199785. 8muqAml smu5 . 1 mmdl87 smu0 . 2075. 0785. 099785. 82 mmdl75 smu0 . 2 mmdl75 二二. .壓頭壓頭在水槽液面及壓力表在水槽液面及壓力表2處列柏努利方程處列柏努利方程 ，如圖，如圖feaHguzgpHgp 222 取取 ， ， mm15. 0 002. 0/ d 5107 . 1Re udl