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食品工程原理
课程设计阐明书

列管式换热器设计

姓名：
学号：
班级：

12 月 24 日

食品工程原理课程设计任务书

姓名： 学号： 班级：

一、 设计题目：列管式换热器设计

二、 设计内容
设计内容
某生产过程中，需将11200kg/h牛奶从140℃冷却至50℃，冷却介质采用循环水，循环水入口温度20℃，出口温度为40℃。容许压降不不不大于105Pa。试设计一台列管式换热器并进行核算。
牛奶定性温度下物性数据：
密度1040kgm-3；黏度1.103*10-4Pas；定压比热容 2.11kJ/(kg ℃)；热导率0.14W/(m ℃)

完毕日期
12月21日

三、 设计规定
序号
设计内容
规定
1
工艺计算
热量衡算，拟定物性数据，计算换热面积
2
构造尺寸设计
管径、流速、管程数、传热管数、壳径、壳程数、折流板数等
3
核算
热量核算、流动阻力计算
4
编写设计阐明书
目录，设计任务书，设计计算及成果，参照资料等
5
其她
设计评述及关于问题分析和讨论
6
图纸
2#
主视图（设备重要构造形状及重要零部件间装配连接关系）
尺寸（表达设备总体大小 规格 装配 安装等尺寸）
重要零部件编号及明细栏
管口符号及管口表等

目 录

一、设计意义---------------------------------------------------------------4
二、重要参数阐明---------------------------------------------------------4
三、设计计算---------------------------------------------------------------5
1、拟定设计方案--------------------------------------------------------- -5
2、拟定物性数据--------------------------------------------- -------------5
3、计算总传热系数--------------------------------------------------------6
4、计算传热面积-----------------------------------------------------------7
5、工艺构造尺寸-----------------------------------------------------------7
6、换热器核算--------------------------------------------------------------9
1）热量核算-------------------------------------------------------------9
2）换热器内流体流动阻力---------------------------------------11
3）换热器重要构造尺寸和计算成果总表------------------------12
四、参照文献----------------------------------------------------------------13

一、 设计意义

换热器广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业。在食品工业中加热、冷却、蒸发和干燥单元操作中，咱们也经常用到换热器应用于食品物料加热或冷却。在众多类型换热器构造中，管壳式换热器应用最为广泛，因而要依照特定工艺规定设计合理换热器，以满足不通场合需求。

选取换热器时，要遵循经济，传热效果优，以便清洁，符合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，列管式换热器等。不同换热器合用于不同场合。在众多类型换热器中，浮头式换热器应用较为广泛。它构造简朴，其长处有介质间温差不受限制，可在高温，高压下工作，可用于结垢比较严重场合，可用于管程易腐蚀场合，特别是其内管束可以抽出，以以便清洗管及壳程，管束在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差压力，因此，首选浮头式换热器。

二、重要参数阐明
B——折流板间距，；
C——系数，无量纲；
d——管径，m；
D——换热器外壳内径，m；
f——摩擦系数；
F——系数；
h——圆缺高度，m；
K——总传热系数，W/(m2·℃)；
L——管长，m；
m——程数；
n——指数；
N——管数；
NB——折流板数；
Nu——怒赛尔特准数；
P——压力，Pa；
Pr——普兰特准数
q——热通量，W/m2；
Q——传热速率，W；
r——半径，m；
R——热阻，
Re——雷诺数；
S——传热面积，m2；
t——冷流体温度，℃；
T——热流体温度，℃；
u——流速，m/ｓ；
W——质量流量，kg/s；
a——对流传热系数，
Δ——有限差值；
λ——导热系数，；
μ——粘度，Pa.s；
ρ——密度，kg/m3；
φ——校正系数；
下标
c——冷流体；
h——热流体；
i——管内；
m——平均；
o——管外；
s——污垢.
三、设计计算
1.拟定设计方案
工艺规定：
某生产过程中，需将11200kg/h牛奶从140℃冷却至50℃，冷却介质采用循环水，循环水入口温度20℃，出口温度为40℃。容许压降不不不大于105Pa。试设计一台列管式换热器并进行核算。
（1）选取换热器类型
两流体温度变化状况：热流体进口温度140℃，出口温度50℃，冷流体(循环水)进口温度20℃，出口温度40℃。浮头式换热器一端管板与壳体固定，而另一端管板可在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由，故当两种介质温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆构造，使管束能容易插入或抽出壳体，这样为检修，清洗提供了以便。
（2）流动空间及流速拟定
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，牛奶走壳程。选用ф25×2.5碳钢管，管内流速取=1.0m/ｓ。
2．拟定物性数据
定性温度：可取流体进口温度平均值。
壳程牛奶定性温度为T==95（℃）
管程冷却水定性温度为t=（℃）
依照定性温度，分别查取壳程和管程流体关于物性数据。
牛奶在95℃下关于物性数据如下：
密度　　=1040 kg/m3
定压比热容　=2.11kJ/(kg·℃)
导热系数　　 =0.140 W/(m·℃)
粘度　　=0.0001103 Pa·s
循环冷却水在35℃下物性数据：
密度　　=995.7 kg/m3
定压比热容 =4.17 kJ/(kg·℃)
导热系数　　 =0.617 W/(m·℃)
粘度 =0.0008012 Pa·s
3．计算总传热系数
（1）热流量
Qo=WoCpoΔto=11200/3600×2.11×(140-50)=590.8(kW)
（2）平均传热温差′===58.14（℃）
（3）冷却水用量
Wi =
（4）总传热系数K
取K=500 W/(mk)
粗估传热面积 S=Q/K△t =20.32（m）
考虑 15％面积裕度.S=1.15×S′=1.15×20.32=23.37(m2)。
5．工艺构造尺寸
（1）管径和管内流速
选用ф25×2.5传热管（碳钢），取管内流速ui=1.0m/s。
2）管程数和传热管数
根据传热管内径和流速拟定单程传热管数

按单程管计算，所需传热管长度为
m
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程构造。现取传热管长=7m，则该换热器管程数为（管程）
传热管总根数N =23×2=46(根)
3）平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数

按单壳程，双管程构造，温差校正系数应查关于图表，可得φΔt=0.91
平均传热温差Δtm=φΔtΔ′tm=0.91×58.14=52.91(℃)
由于平均传热温差校正系数不不大于0.8，同步壳程流量较大，故取单壳程适当。
（4）传热管排列和分程办法
采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25，则t=1.25×25≈32(mm) 隔板中心到离其近来一排管中心距离S=+6=22（m）
各程相邻管管心距为44m
横过管束中心线管数
（5）壳体内径
采用多管程构造，取管板运用率η＝0.70，则壳体内径为

圆整可取325mm
（6）折流板
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径25％，则切去圆缺高度为h＝0.25×325＝81.25(mm)，故可取h＝80 mm。
取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×325=97.5 (mm) 则可取B为100
折流板数=传热管长/折流板间距-1=7000/100-1=69(块)
折流板圆缺面水平装配。
（7）接管
壳程流体进出口接管：取接管内牛奶流速为 u＝2.0 m/s，则接管内径为

取原则管径为45 mm。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u＝2.0m/s，则接管内径为

圆整后取接管内径为70mm。
6．换热器核算
（1）热量核算
①壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用公式

当量直径，由正三角形排列得

壳程流通截面积
0.01*0.325*（1—0.025/0.032）=0.00656（m）
壳程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

粘度校正
W/( m2·K)
②管程对流传热系数
管程流通截面积

管程流体流速

普兰特准数

（3）污垢热阻和管壁热阻
管外侧污垢热阻：R=0.000176（）
管内侧污垢热阻：
取碳钢热导率为50w/（mk）
因此
③传热系数K

④传热面积S

该换热器实际传热面积Sp

该换热器面积裕度为
%
传热面积裕度适当，该换热器可以完毕生产任务。
2 壁温核算
因管壁很薄，且管壁热阻很小，该换热器用循环水冷却，且传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，减少了壳体和传热管壁温之差，但在操作初期，污垢热阻较小，课题和传热管壁温之差也许较大，计算中，应按最不利操作条件考虑，因而，区两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。

传热管平均壁温t=46.05
壳体壁温T=95
壳体壁温和传热管壁温之差为
该温差较大，故需要温度补偿装置。

（2）换热器内流体流动阻力
①管程流动阻力
∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNp
Ns=1，Np=2，Ft=1.5

由Re＝24492.12，传热管相对粗糙度0.2/20＝0.01，查莫狄图得λi＝0.04 W/m·℃，
流速＝0.9098m/s，＝ 995.7kg/m3，因此

（Pa）＜

管程流动阻力在容许范畴之内。

②壳程阻力
∑ΔPo=(ΔP′1+ΔP′2)FtNs
Ns＝l，Ft＝l.15

流体流过折流板缺口阻力

＜
壳程流动阻力也比较适当。

(3)换热器重要构造尺寸和计算成果

参数
管程
壳程
流率(Kg/h)
25502.16
11200
进/出口温度/℃
20/40
140/50
压力/MPa

物性
定性温度/℃
30
95
密度/（kg/m3）
995.7
1040
定压比热KJ/（kg•℃）]
4.17
2.11
粘度/（Pa•s）
8.012×
1.103×
热导率（W/m•k）

普朗特数
5.41
1.66
设备构造参数
形式
浮头式
壳程数
1
壳体内径/㎜
325
台数
1
管径/㎜
Φ25×2.5
管心距/㎜
32
管长/㎜
7000
管子排列
△
管数目/根
46
折流板数/个
69
传热面积/㎡
25.28
折流板间距/㎜
100
管程数
2
材质
碳钢
重要计算成果
管程
壳程
流速/（m/s）
0.9098
2.0
表面传热系数/[W/（㎡•k）]
4523.59
1544.25
污垢热阻/（㎡•k/W）
0.0006
0.000176
阻力/ MPa
0.01135
0.03737
热流量/KW
590.8
传热温差/K
52.91
传热系数/[W/（㎡•K）]
524.80
裕度/%
18.80%

四，参照文献
1，《化工原理》（上册）陈敏恒、丛德滋、方图南编，化学工业出版社
2，《化工原理课程设计》大连理工大学化工原理教研室编，大连理工大学出版社
3，《化工过程及设备设计》涂伟萍、陈佩珍、程达芳编，化学工业出版社