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1、食品工程原理课程设计设计题目：列管式换热器的设计班级：食品卓越 111班 设计者：张萌 学号：5603110006设计时间：2013 年 5 月 13 日5月 17 日指导老师：刘蓉目录概述1.1. 换热器设计任务书-7 -1 .2换热器的结构形式 -10 -2. 蛇管式换热器 -11 -3. 套管式换热器 -11 -1 .3换热器材质的选择 -11 -1.4管板式换热器的优点 -13 -1.5列管式换热器的结构 -14 -1.6管板式换热器的类型及工作原理 -16 -1.7确定设计方案 -17 -2.1 设计参数-18 -2.2计算总传热系数 -19 -2.3工艺结构尺寸 -20 -2.4换
2、热器核算-21 -2.4.1换热器内流体的流动阻力 212.4.2.热流量核算 22食品工程原理及单元操作课程设计任班级：食品卓越111班姓名：张萌设计一台用饱和水蒸气(表压400500kPa )加热水的列管式固定管板换热器，水流量为 85(t/h),水温由 30C加热到65 Co概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热 器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高， 放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。35%40%。随着我 国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而 对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热 机理的
3、研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多 种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中， 首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积， 并确定换热器的结构尺寸。 换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、 深冷器、过热器等。 换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间 壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳 式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等）， 如表 2-1 所示。表 2-1 传热器的结构分类类型特点间壁式管壳式列管式固
4、定管板式刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般W50C）,管间不能清洗带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较咼的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板面式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性
5、较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回收低温热能平板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。1）合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物 理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设 计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较， 使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽
6、可 能多的热量。其具体做法如下。 增大传热系数 ? 在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动 的前提下，尽量选择高的流速。 提高平均温差? 对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热 方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应 力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口 温度。 妥善布置传热面? 例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距 或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体 的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的 一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以 增大传热面积，更有利于热量的传递。（2）安全
7、可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命 计算时，应遵照我国钢制石油化工压力容器设计规定与钢制管 壳式换热器设计规定等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠 起着重要的作用。（3）有利于安装、操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便 于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需 要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。（4）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定的时间内（通常为1 年）固定 费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修 费等）的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成 生产任务的需要，这
8、一指标尤为重要。动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因 此存在一最适宜的流速。传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之 而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量， 还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补 偿，因此存在一最适宜的运行周期。 严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的 操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对 象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影 响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照 上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可
9、行的。1.1. 换热器设计任务书1设计题目设计一台用饱和水蒸气加热水的列管式固定管板换热器2设计任务及操作条件（1）处理能力 85 吨水/ 小时（2）设备型式 列管式换热器（3）操作条件 水蒸气：入口温度158.7C，出口温度158.7C 冷却介质：自来水，入口温度30C，出口温度65C 允许压强降：管程10筲-心5,壳程10八3-10筲.（4）设计项目 设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。 换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。 换热器的主要结构尺寸设计。 主要辅助设备选型。 绘制换热器总装配图。3设计说明书的内容（1）目录；（2）设计题目及原始数据（任务书）；（3）论
10、述换热器总体结构（换热器型式、主要结构）的选择；（4）换热器加热过程有关计算（物料衡算、热量衡算、传热面积、换 热管型号、壳体直径等）；（5）设计结果概要（主要设备尺寸、衡算结果等）；（6）主体设备设计计算及说明；（7）主要零件的强度计算（选做）；（8）附属设备的选择（选做）；（9）参考文献；（10）后记及其它。4设计图要求用 A1 图纸绘制换热器一张：一主视图，一左视图，部分局部放大图, 剖面图.5 设计思考题（1）设计列管式换热器时，通常都应选用标准型号的换热器，为什 么？（2）为什么在化工厂使用列管式换热最广泛？（3）在列管式换热器中，壳程有挡板和没有挡板时，其对流传热系 数的计算方法有
11、何不同？（4）说明列管式换热器的选型计算步骤？（5）在换热过程中，冷却剂的进出口温度是按什么原则确定的？（6）说明常用换热管的标准规格（批管径和管长）。（7）列管式换热器中，两流体的流动方向是如何确定的？比较其优 缺点？6. 部分设计问题指导（1）列管式换热器基本型式的选择（2）冷却剂的进出口温度的确定原则（3）流体流向的选择（4）流体流速的选择（5）管子的规格及排列方法（6）管程数和壳程数的确定（7）挡板的型式1.2换热器的结构形式1. 管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备， 它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应 性强等优点，应用最为广泛
12、。管壳式换热器根据结构特点分为以下几 种：（1）固定管板式换热器 固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构 简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50C且 壳方流体较清洁及不易结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70C且壳方流体压强 不高于 600Kpa 的情况。（2）浮头式换热器 浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管 束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管 束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的 换热，应用极为普遍，但结构复杂，
13、造价高。（3）填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比， 结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理 易燃，易爆的流体。2. 蛇管式换热器蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换 热设备，通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋 式两类。3. 套管式换热器套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管， 其内管用 U 型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结 构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当地选择管内、外 径，可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流动，有利于传热。此换 热器适用于高温，高压及
14、小流量流体间的换热。1.3 换热器材质的选择在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备 的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能 等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了 满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考 虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复 杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用 寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与 换热器的具体结构有着密切关系。一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。（1）碳钢价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，
15、很容易被 酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用 的普通无缝钢管，其常用的材料为 10 号和 20 号碳钢。（2）不锈钢奥氏体系不锈钢以lCrl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列 用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系 列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列 居多，也有正三角形排列。（2）管板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焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀， 产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目 的
