江西科技師範學院
食品科學與工程專業《化工原理課程設計》說明書
題目名稱換熱器的設計
專業班級 10食品科學與工程
學號學生姓名 xx xx
指導教師 xx博士
2012 年 2 月 27 日
目錄1、化工原理課程設計方案 1
2、衡算 1
2.1確定設計方案 1
2.1.1選擇換熱器型別 1
2.1.2管程安排 1
2.2確定物性資料 1
2.3估算傳熱面積 2
2.3.1熱負荷 2
2.3.2熱流體用量 2
2.3.3平均換熱溫差 2
2.3.4初算傳熱面積 2
2.4工藝結構尺寸 2
2.4.1管徑和管內流速 2
2.4.2管程數和傳熱管數 2
2.4.3平均傳熱溫差校正 2
2.4.4管子排列方式的選擇 3
2.4.5殼體直徑 3
2.4.6折流板 3
2.4.7接管 3
3、換熱器核算 3
3.1傳熱面積校核 4
3.1.1管程傳熱膜係數 4
3.1.2殼程傳熱膜係數 4
3.1.3總傳熱系數 5
3.1.4傳熱面積校核 5
3.2換熱器內壓降的核算 5
3.2.1管程阻力 5
3.2.2殼程阻力 6
4、裝置選型 7
4.1管子排列方式的選擇 7
4.2折流板的選擇 7
4.3除汙垢措施的選擇7
4.4材料的選擇 7
5、附表及圖紙 9
6、設計總結心得 10
7、參考文獻 10
1、化工原理課程設計方案
在一生產過程中，用水**甘油的熱量。已知水將甘油從120℃冷卻至50℃，且甘油的壓力不大於0.1mpa。
水的流量為10m3/h，水的入口溫度為15℃，出口溫度為55℃，壓力不大於0.01mpa，請設計一台換熱器能完成上述任務。
2、衡算
2.1 確定設計方案
2.1.1 選擇換熱器的型別
兩流體的溫度變化情況：水的進口溫度15℃，出口溫度為55℃；甘油的進口溫度為120℃，出口溫度為50℃。
由於該換熱器用水進行冷卻，在冬季使用操作時，進口溫度會有所降低，故考慮到這一環境溫度因素，預計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差會比較大，從換熱器的型別和特性參考中發現浮頭式換熱器管殼溫差可大於120℃，所以初步選用浮頭式換熱器。
2.1.2 管程安排
對於一般壓力較高的流體流經管內，因為管子直徑小，承受高壓能力好，所以水走管程，又被冷卻物料一般走殼程，便於散熱，所以甘油走殼程。
2.2 確定物性資料
定性溫度：對於一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進、出口溫度平均值。
故殼程甘油的定性溫度為
℃管程流體的定性溫度為
℃在定性溫度下，分別查取管程和殼程流體(水和甘油)的物性引數，見下表：
表1 冷熱流體的物性引數
2.3 估算傳熱面積
2.3.1 熱負荷（忽略熱損失）
kj/hkw
2.3.2 熱流體用量（忽略熱損失）
kg/h
2.3.3 平均傳熱溫差
先按純逆流計算，得
℃2.3.4 初算傳熱面積
參照列管式換熱器中k值大致範圍表[1],可假設k=350w/(m2·℃)則估算的傳熱面積為
m22.4 換熱器工藝結構尺寸設計
2.4.1 管徑和管內流速
參照列管式換熱器內常用的流速範圍表[3]，取管內流速為m/s，管徑用下式計算
又由於考慮到市場上管徑的一般規格大小，所以我們選用25×2.5mm的管子。
2.4.2 管程數和傳熱管數
可以依據傳熱管內徑和流速確定單程管傳熱數
按照單管程，所需的傳熱管長度為
m按照單管程設計，由於傳熱管太長，故宜採用多管程設計。根據實際情況，採用非標準管長設計，取傳熱管長m，則該換熱器的管程數為
傳熱管總根數
2.4.3 平均傳熱溫差校正
平均溫差校正係數計算如下
按單殼程，雙管程結構，查閱溫度差校正系數值的表[2]，查得
平均傳熱溫差 （℃）
由於平均傳熱溫差校正係數大於0.8，故可以採取單殼程合適。
2.4.4 傳熱管排列
採用組合排列法，每管程內採用正三角形排列，隔板兩側採用正方形排列。
取管心距,則mm
隔板中心到離其最近一排管中心距離
mm各程相鄰管的管心距為44mm
2.4.5 殼體直徑
採用多管程結構，殼體直徑按式
mm可取mm
2.4.6 折流板
採用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體直徑的30%，則切去的圓缺高度為mm
可取mm
取摺流板間距，則mm
可取mm
折流板數目
2.4.7 接管
殼程流體進出口接管：取接管內氣體流速為m/s，則接管內徑為
m圓整後可取管內徑為d1=80mm
管程流體進出口接管：取接管內流體流速m/s，則接管內徑為
m圓整後可取管內徑為d2=50mm
3、換熱器核算
3.1傳熱面積校核
3.1.1管程傳熱膜係數
按照下式進行計算
管程流體流通截面積
m2m/s
普朗特數
w/(m2·℃)
3.1.2 殼程傳熱膜係數
用下式計算
管子是按照正三角形排列，傳熱當量直徑為
m 殼程流通截面積為
m2 殼程流體流速及其雷諾數分別為
m/s普朗特數
黏度校正
w/(m２·℃)
3.1.3 總傳熱系數
首先對於汙垢熱阻和管壁熱阻，參照壁面汙垢熱阻的數值範圍表［１］，管外側汙垢熱阻(m２·℃)/w管內側汙垢熱阻(m２·℃)/w。已知管壁厚度m，查固體材料的熱導率表[2]，碳鋼在該條件下的熱導率為(w/m·℃)。
故總傳熱系數k為
w/(m2·℃)
3.1.4 傳熱面積校核
由下式可得所計算傳熱面積為
m2換熱器的實際傳熱面積為s
m２換熱器的面積裕度為
傳熱面積裕度合適，該換熱器能完成生產任務。
3.2 換熱器內壓降的核算
3.2.1 管程阻力
管程總阻力可以採取下式計算
式中 、—分別為直管和回彎管中因摩擦阻力而引起的壓降，pa
—結垢校正因數，對25×2.5mm管子取1.4
—管程數
—串聯的殼程數
又，，由，為湍流，又傳熱管的相對粗超度為0.01，查相關文獻中的雙對數座標圖［１］得w/m·℃，流速m/s， kg/m3，
所以pa
papa0.1mpa
管程流體阻力在允許的範圍之內。
3.2.2 殼程阻力
按下式計算
其中，流體流經管束的阻力
m/s故 pa
流體流過折流板缺口的阻力為
其中m， m，則
pa總阻力pa0.01mpa
故殼程阻力在允許的範圍內。
4、裝置選型
4.1 管子排列方式的選擇
管子在管板上的排列方式有：正三角形排列、正方形排列、正方形錯列，採用正三角形排列可以可以在同樣的管辦面積上排列最多的管數，應用最為普遍，但其缺點就是不易清洗，常用於清潔的流體。本設計考慮到管子數目較多，又由於是4管程，則需採用組合排列，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側採用正方形排列。
4.2 折流板的選擇
安裝折流板的目的是提高殼程對流傳熱系數，為了取得良好的換熱效果，擋板的形狀和間距必須適當。
相鄰擋板的距離(板間距)一般取換熱器外徑你給的0.2~1.0倍。
浮頭式換熱器的板間距有150mm、200mm、300mm、400mm、600mm五種。在此次設計中，根據計算和綜合各方面因素考慮，選擇板間距為150mm，並且採用弓形折流板。
4.3 除汙垢措施的選擇
在此次的除汙垢措施中，採用軟機械清洗，這種清洗方法依靠插入物的在管內的運動，與管子內表面接觸，達到去除汙垢的效果。這種軟機械清洗又稱**軟體清洗，常見的方法有旋轉螺旋線法、液固流態化法、旋轉紐帶法、海綿膠球**清洗法。而此次我們採用的是海綿膠球**清洗法，此方法是將直徑比管子內徑稍大的海綿球擠入管內以起到除垢的目的。
又查的，膠球迴圈一次所需時間一般為30秒，膠球補充週期為膠球清洗系統累計執行7次，也可根據使用的具體情況不同調整補充週期。膠球的更換週期：根據國產球使用統計，其更換週期為膠球清洗字型累計執行60次。
4.4 材料的選擇
換熱器材料應該根據操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等來選用。
金屬材料：碳鋼、低合金鋼、不鏽鋼、銅和鋁。
非金屬材料：石墨、聚四氟乙烯、玻璃、普通膠球。
不鏽鋼和有色金屬材料抗腐蝕效能好，但**相對較高。綜合考慮到經濟、安全等因素，我們選擇了碳鋼管子。
裝置選型彙總表
5、附錄及圖表
化工原理課程設計報告
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