列管式換熱器設計(水蒸氣加熱水)

1、課程設計食品工程原理課程設計設計題目：列管式換熱器的設計班級：食品卓越111班設計者：張萌學號：5603110006設計時間：2013年5月13日5月17日指導老師：劉蓉目錄概述1.1.換熱器設計任務書- 7 -1.2換熱器的結構形式- 10 -2.蛇管式換熱器- 11 -3.套管式換熱器- 11 -1.3換熱器材質的選擇- 11 -1.4管板式換熱器的優(yōu)點- 13 -1.5列管式換熱器的結構- 14 -1.6管板式換熱器的類型及工作原理- 16 -1.7確定設計方案- 17 -2.1設計參數(shù)- 18 -2.2計算總傳熱系數(shù)- 19 -2.3工藝結構尺寸- 20 -2.4換熱器核算- 21 -

2、2.4.1換熱器內流體的流動阻力212.4.2.熱流量核算22食品工程原理及單元操作課程設計任務班級： 食品卓越111班 姓名：張萌設計一臺用飽和水蒸氣（表壓400500kPa）加熱水的列管式固定管板換熱器，水流量為 85 （t/h），水溫由 30 加熱到 65 。 概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。3540。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計、制造、結構改進及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換

3、熱器相繼問世。 隨著換熱器在工業(yè)生產中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結構尺寸。 換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過熱器等。 換熱器按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應用最廣泛，按照傳熱面的形狀和結構特點又可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴展表面式換熱器（板翅式、管翅式等），如表2-1所示。 表2-1 傳熱器的結構分類 類 型 特 點 間 壁 式 管 殼 式 列管式 固定管板式 剛性結構

4、用于管殼溫差較小的情況（一般50），管間不能清洗 帶膨脹節(jié) 有一定的溫度補償能力，殼程只能承受低壓力 浮頭式 管內外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合 U型管式 管內外均能承受高壓，管內清洗及檢修困難 填料函式 外填料函 管間容易泄漏，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質 內填料函 密封性能差，只能用于壓差較小的場合 釜式 殼體上部有個蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式 結構比較復雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應器中 套管式 能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預熱器 螺旋管式 沉浸式 用于管內流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱 噴淋式 只用于管內流體的冷卻或冷凝 板面式 板式 拆洗方

5、便，傳熱面能調整，主要用于粘性較大的液體間換熱 螺旋板式 可進行嚴格的逆流操作，有自潔的作用，可用作回收低溫熱能 平板式 結構緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈 板殼式 板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高 混合式 適用于允許換熱流體之間直接接觸 蓄熱式 換熱過程分階段交替進行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場合 完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下各項基本要求。 （1）合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流體的熱力學參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學性質（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過程所規(guī)定的條件。設計者應根據(jù)這些條件進行熱力學和流體力學的計算，經過反復比較，使所設

6、計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內傳遞盡可能多的熱量。其具體做法如下。 增大傳熱系數(shù)? 在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動的前提下，盡量選擇高的流速。 提高平均溫差? 對于無相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因為這樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結構中的溫差應力。在允許的條件時，可提高熱流體的進口溫度或降低冷流體的進口溫度。 妥善布置傳熱面? 例如在管殼式換熱器中，采用合適的管間距或排列方式，不僅可以加大單位空間內的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。錯列管束的傳熱方式比并列管束的好。如果換熱器中的一側有相變，另一側流體為氣相，可在氣相一側的傳熱面上加翅片以增大傳熱面積

7、，更有利于熱量的傳遞。 （2）安全可靠 換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應力以及疲勞壽命計算時，應遵照我國鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設計規(guī)定等有關規(guī)定與標準。這對保證設備的安全可靠起著重要的作用。 （3）有利于安裝、操作與維修 直立設備的安裝費往往低于水平或傾斜的設備。設備與部件應便于運輸與裝拆，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設保溫層。 （4）經濟合理 評價換熱器的最終指標是：在一定的時間內（通常為1年）固定費用（設備的購置費、安裝費等）與操作費（動力費、清洗費、維修費等）的總和為最小。在設計或選型時，如果有幾種換熱器

8、都能完成生產任務的需要，這一指標尤為重要。 動力消耗與流速的平方成正比，而流速的提高又有利于傳熱，因此存在一最適宜的流速。 傳熱面上垢層的產生和增厚，使傳熱系數(shù)不斷降低，傳熱量隨之而減少，故有必要停止操作進行清洗。在清洗時不僅無法傳遞熱量，還要支付清洗費，這部分費用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補償，因此存在一最適宜的運行周期。 嚴格地講，如果孤立地僅從換熱器本身來進行經濟核算以確定適宜的操作條件與適宜的尺寸是不夠全面的，應以整個系統(tǒng)中全部設備為對象進行經濟核算或設備的優(yōu)化。但要解決這樣的問題難度很大，當影響換熱器的各項因素改變后對整個系統(tǒng)的效益關系影響不大時，按照上述觀點單獨地對換熱器進行經

9、濟核算仍然是可行的。1.1.換熱器設計任務書 1設計題目 設計一臺用飽和水蒸氣加熱水的列管式固定管板換熱器 2設計任務及操作條件 （1）處理能力85噸水/ 小時（2）設備型式 列管式換熱器 （3）操作條件 水蒸氣：入口溫度158.7，出口溫度158.7 冷卻介質：自來水，入口溫度30，出口溫度65 允許壓強降：管程104-105,殼程103-104.（4）設計項目 設計方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器型式進行簡要論述。 換熱器的工藝計算：確定換熱器的傳熱面積。 換熱器的主要結構尺寸設計。 主要輔助設備選型。 繪制換熱器總裝配圖。 3設計說明書的內容 （1）目錄； （2）設計題目及原始數(shù)據(jù)(任

10、務書)； （3）論述換熱器總體結構(換熱器型式、主要結構)的選擇； （4）換熱器加熱過程有關計算(物料衡算、熱量衡算、傳熱面積、換熱管型號、殼體直徑等)； （5）設計結果概要(主要設備尺寸、衡算結果等)； （6）主體設備設計計算及說明； （7）主要零件的強度計算（選做）； （8）附屬設備的選擇（選做）； （9）參考文獻； （10）后記及其它。 4設計圖要求用A1圖紙繪制換熱器一張：一主視圖，一左視圖，部分局部放大圖,剖面圖. 5設計思考題 （1）設計列管式換熱器時，通常都應選用標準型號的換熱器，為什么？ （2）為什么在化工廠使用列管式換熱最廣泛？ （3）在列管式換熱器中，殼程有擋板和沒有擋板時

11、，其對流傳熱系數(shù)的計算方法有何不同？ （4）說明列管式換熱器的選型計算步驟？ （5）在換熱過程中，冷卻劑的進出口溫度是按什么原則確定的？ （6）說明常用換熱管的標準規(guī)格（批管徑和管長）。 （7）列管式換熱器中，兩流體的流動方向是如何確定的？比較其優(yōu)缺點？ 6. 部分設計問題指導 （1）列管式換熱器基本型式的選擇 （2）冷卻劑的進出口溫度的確定原則 （3）流體流向的選擇 （4）流體流速的選擇 （5）管子的規(guī)格及排列方法 （6）管程數(shù)和殼程數(shù)的確定 （7）擋板的型式 1.2換熱器的結構形式1.管殼式換熱器管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標準換熱設備，它具有結構簡單，堅固耐用，造價低廉，用

12、材廣泛，清洗方便，適應性強等優(yōu)點，應用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)結構特點分為以下幾種：（1） 固定管板式換熱器固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結構簡單，價格低廉，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50且殼方流體較清潔及不易結垢的物料。帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應力，這種補償方法適用于兩流體溫差小于70且殼方流體壓強不高于600Kpa的情況。（2） 浮頭式換熱器浮頭式換熱器的管板有一個不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應

13、用極為普遍，但結構復雜，造價高。（3） 填料涵式換熱器填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，與浮頭式換熱器相比，結構簡單，造價低，但殼程流體有外漏的可能性，因此殼程不能處理易燃，易爆的流體。2.蛇管式換熱器蛇管式換熱器是管式換熱器中結構最簡單，操作最方便的一種換熱設備，通常按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。3.套管式換熱器 套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內管用U型時管順次連接，外管與外管互相連接而成，其優(yōu)點是結構簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減，適當?shù)剡x擇管內、外徑，可使流體的流速增大，兩種流體呈逆流流動，有利于傳熱。此換熱器適用于高溫，高

14、壓及小流量流體間的換熱。1.3換熱器材質的選擇在進行換熱器設計時，換熱器各種零、部件的材料，應根據(jù)設備的操作壓力、操作溫度。流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當然，最后還要考慮材料的經濟合理性。一般為了滿足設備的操作壓力和操作溫度，即從設備的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達到的，但材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結構有著密切關系。 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 （1）碳鋼 價格低，強度較高，對堿性介質的化學腐蝕比較穩(wěn)定，很容易

15、被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應用是合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號和20號碳鋼。 （2）不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標準的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。正三角形排列結構緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。 管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴脹，產生

16、顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設計壓力不超過4 MPa，設計溫度不超過 350的場合。（3）封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。封頭 當殼體直徑較小時常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 管箱 換熱器管內流體進出口的空間稱為管箱,殼徑較大的換熱器大多采用管箱結構。由于清洗、檢修管子時需拆下管箱，因此管箱結構應便于裝拆。分程隔板 當需要的換熱面很大時，可采用多管程換熱器。對于多管程換熱器，在管箱內應設分程隔板，將管束分為順次串接

17、的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質流速，增強傳熱。管程多者可達16程，常用的有2、4、6程。在布置時應盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強傳熱，同時應嚴防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。1.4管板式換熱器的優(yōu)點(1) 換熱效率高,熱損失小        在最好的工況條件下, 換熱系數(shù)可以達到6000W/ m2K, 在一般的工況條件下, 換熱系數(shù)也可以在30004000 W/ m2K左右,是管殼式換熱器的35倍。設備本身不存在旁

18、路,所有通過設備的流體都能在板片波紋的作用下形成湍流,進行充分的換熱。完成同一項換熱過程, 板式換熱器的換熱面積僅為管殼式的1/ 31/ 4。(2) 占地面積小重量輕        除設備本身體積外, 不需要預留額外的檢修和安裝空間。換熱所用板片的厚度僅為0. 60. 8mm。同樣的換熱效果, 板式換熱器比管殼式換熱器的占地面積和重量要少五分之四。(3) 污垢系數(shù)低     &

19、#160;  流體在板片間劇烈翻騰形成湍流, 優(yōu)秀的板片設計避免了死區(qū)的存在, 使得雜質不易在通道中沉積堵塞,保證了良好的換熱效果。(4) 檢修、清洗方便        換熱板片通過夾緊螺柱的夾緊力組裝在一起,當檢修、清洗時, 僅需松開夾緊螺柱即可卸下板片進行沖刷清洗。(5) 產品適用面廣        設備最高耐溫可達180 , 耐壓2.

20、0;0MPa , 特別適應各種工藝過程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝以及單元設備食品消毒等方面, 在低品位熱能回收方面, 具有明顯的經濟效益。各類材料的換熱板片也可適應工況對腐蝕性的要求。        當然板式換熱器也存在一定的缺點, 比如工作壓力和工作溫度不是很高, 限制了其在較為復雜工況中的使用。同時由于板片通道較小,也不適宜用于雜質較多,顆粒較大的介質。1.5列管式換熱器的結構介質流經傳熱管內的通道部分稱為管程。 （1）換熱管布置和排列間距 常用換熱

21、管規(guī)格有19×2 mm、25×2 mm(1Crl8Ni9Ti)、25×2.5 mm(碳鋼10)。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較??；同時，對于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列。  （A） （B）（C）  （D） （E）圖 1-4 換熱管在管板上的排列方式(A) 正方形直列     （B）正方形錯列    (C) 三角形直列 

22、;    （D）三角形錯列  （E）同心圓排列 正三角形排列結構緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。 管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴脹，產生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設計壓力不超過4 MPa，設計溫度不超過350的場合。 （

23、3）封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。封頭 當殼體直徑較小時常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 管箱 換熱器管內流體進出口的空間稱為管箱,殼徑較大的換熱器大多采用管箱結構。由于清洗、檢修管子時需拆下管箱，因此管箱結構應便于裝拆。分程隔板 當需要的換熱面很大時，可采用多管程換熱器。對于多管程換熱器，在管箱內應設分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質流速，增強傳熱。管程多者可達16程，常用的有2、4、6程。在布置時應盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強傳熱，同時應

24、嚴防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。1.6管板式換熱器的類型及工作原理        板式換熱器按照組裝方式可以分為可拆式、焊接式、釬焊式等形式;按照換熱板片的波紋可以分為人字波、平直波、球形波等形式; 按照密封墊可以分為粘結式和搭扣式。各種形式進行組合可以滿足不同的工況需求,在使用中更有針對性。比如同樣是人字形波紋的板片還因采用粘結式還是搭扣式密封墊而有所不同, 采用搭扣式密封墊可以有效的避免膠水中可能含有的氯離子對板片的腐蝕, 并且設備拆裝更加方便。又如焊接式板式換熱器的耐溫耐壓

25、明顯好于可拆式板式換熱器, 可以達到250 、2. 5MPa 。因此同樣是板式換熱器, 因其形式的多樣性,可以應用于較為廣泛的領域,在大多數(shù)熱交換工藝過程都可以使用。 雖然板式換熱器有多種形式, 但其工作原理大致相同。板式換熱器主要是通過外力將換熱板片夾緊組裝在一起, 介質通過換熱板片上的通孔在板片表面進行流動, 在板片波紋的作用下形成激烈的湍流, 猶如用筷子攪動杯中的熱水, 加大了換熱的面積。冷熱介質分別在換熱板片的兩側流動,湍流形成的大量換熱面與板片接觸, 通過板片來進行充分的熱傳

26、遞,達到最終的換熱效果。冷熱介質的隔離主要通過密封墊的分割, 或者通過大量的焊縫來保證, 在換熱板片不開裂穿孔的情況下, 冷熱介質不會發(fā)生混淆。1.7確定設計方案1選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度158.7 出口溫度158.7；冷流體進口溫度15，出口溫度為75，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用列管式換熱器。2 管程安排 從兩物流的操作壓力看，應使水蒸氣走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的

27、熱流量下降，所以從總體考慮，應使循環(huán)水走管程，水蒸氣走殼程。2.1設計參數(shù)水蒸氣的定性溫度：T=158.7  密度03.1686kg/m3 氣化潛熱r=1901,1KJ/kg 粘度：i0.0135m Pas 水的定性溫度：T=(65+30)/2=47.5 密度：i990.0kg/m3  定壓比熱容：Cpi4.174kJ/kg 熱導率：i0.6400W/ m 粘度：i0.600m Pas 2.2計算總傳熱系數(shù)1、熱流量 =85/3600×1000×4.174×(65-30)=3449kJ/s平均傳熱溫差tm1=(t1-t2)/(t1/t

28、2)=(128.7-93.7)/(128.7/93.7)式中： , 求得tm1=110.32、 冷卻水用量考慮熱損失3%-5%取3%,則 Q= kJ/s (kg/h)3計算傳熱面積 求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得和水之間的傳熱系數(shù)在 1300W/(.)左右，先取K值為1200W/(.)計算由Q=KAtm 得 () 考慮安全系數(shù)5%-15%，取10%，則 A=26.1×（100+10）%=28.7（）2.3工藝結構尺寸1管徑和管內流速選用25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內流速u1=1.23m/s。2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù) N

29、s=按單程管計算，所需的傳熱管長度為 L=按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)本設計實際情況，采用標準設計，現(xiàn)取傳熱管長l=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為 Np=傳熱管總根數(shù) Nt=47×2=944.傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法,即每程內均按正三角形排列,隔板兩側采用正方形排列。 取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.2532隔板中心到離其最.近一排管中心距離按式（3-16）計算 S=t/2+6=32/2+6=22各程相鄰管的管心距為44。5殼體內徑 采用多管程結構，取管板利用率=0.7 ，則殼體內徑為： D=1.05t可取D=400m

30、m6折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為： H=0.25×400=100m，故可取h=100mm取折流板間距B=450mm。折流板數(shù)目NB=2.4換熱器核算2.4.1換熱器內流體的流動阻力1）殼程阻力損失計算 殼程流通截面積：折流板間距取h=450mm 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： Re。>500摩擦系數(shù) f。=5.0/=5.0/=0.3887管束損失和缺口損失=0.5×0.387×11×(9+1)×3.1686××/2=5300.6 Pa =9×(3.5-)&

31、#215;3.1686××/2=2789.4 Pa=(5300.6+2789.4)×1.0×1=8090殼程阻力損失在1000-10000之間，符合設計要求。（2）管程阻力損失計算：（1）管程流體阻力 , , 由Re=40590，傳熱管絕對粗糙度0.02，查莫狄圖得，流速u=1.23m/s,所以: 25020大于10000，小于100000pa，所以：管程流體阻力在允許范圍之內。2.4.2.熱流量核算管程給熱系屬上面以計算出普朗特數(shù)： 所以殼程給熱系數(shù):經計算為, =12378所需傳熱面積為: 面積裕度為：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。換熱器主要結構尺寸和計算結果見下表：換熱器型式：固定管板式換熱器面積（）：32.5工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水水蒸氣操作壓力，MPa常壓0.6操作溫度，15/75158.7/158.7流量，kg/h650008023流體密度，kg/990.03.1686流速，m/s1.2312.51傳熱量，kw4523總傳熱系數(shù)，w