食品工程原理课程设计说明书列管式换热器的设计：学号：班级：2012年12 月 24 日食品工程原理课程设计任务书：学号：班级：一、设计题目：列管式换热器设计二、设计容目录一、设计意义---------------------------------------------------------------4 二、主要参数说明---------------------------------------------------------4三、设计计算---------------------------------------------------------------5 1、确定设计方案--------------------------------------------------------- -52、确定物性数据--------------------------------------------- -------------53、计算总传热系数--------------------------------------------------------64、计算传热面积-----------------------------------------------------------75、工艺结构尺寸-----------------------------------------------------------76、换热器核算--------------------------------------------------------------91）热量核算-------------------------------------------------------------9 2）换热器流体的流动阻力---------------------------------------113）换热器主要结构尺寸和计算结果总表------------------------12四、参考文献----------------------------------------------------------------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。
在食品工业中的加热、冷却、蒸发和干燥的单元操作中，我们也经常见到换热器应用于食品物料的加热或冷却。
在众多类型的换热器结构中，管壳式换热器应用最为广泛，因此要根据特定的工艺要求设计合理的换热器，以满足不通场所的需求。
选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洁，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。
不同的换热器适用于不同的场合。
在众多类型的换热器中，浮头式换热器应用较为广泛。
它的结构简单，其优点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的场合，可用于管程易腐蚀场合，尤其是其管束可以抽出，以方便清洗管及壳程，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，所以，首选浮头式换热器。
二、主要参数说明B——折流板间距，m；C——系数，无量纲；d——管径，m；D——换热器外壳径，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/m 2；Q ——传热速率，W ；r ——半径，m ； R ——热阻，2/;m C W Re ——雷诺数； S ——传热面积，m 2； 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，2/()w m CΔ——有限差值；λ——导热系数，/()w m C ； μ——粘度，Pa.s ； ρ——密度，kg/m 3； φ——校正系数；下标c ——冷流体； h ——热流体； i ——管； m ——平均； o ——管外； s ——污垢.三、设计计算1.确定设计方案 工艺要求：某生产过程中，需将11200kg/h 的牛奶从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℃。
允许压降不大于105Pa 。
试设计一台列管式换热器并进行核算。
（1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：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℃。
浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体自由浮动。
壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。
浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体，这样为检修，清洗提供了方便。
（2）流动空间及流速的确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的碳钢管，管流速取i u =1.0m/ｓ。
2．确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。
壳程牛奶的定性温度为T =250140+=95（℃） 管程冷却水的定性温度为t=3024020=+（℃）根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
牛奶在95℃下的有关物性数据如下：密度 0ρ=1040 kg/m 3定压比热容0p c =2.11kJ/(kg·℃)导热系数 0λ =0.140 W/(m·℃) 粘度 0μ=0.0001103 Pa·s 循环冷却水在35℃下的物性数据：密度 i ρ=995.7 kg/m 3定压比热容 i p c =4.17 kJ/(kg·℃) 导热系数 i λ=0.617 W/(m·℃)粘度 i μ =0.0008012 Pa·s3．计算总传热系数 （1）热流量Q o =W o C po Δt o =11200/3600×2.11×(140-50)=590.8(kW)（2）平均传热温差m t ∆′=2121ln t t t t ∆∆∆∆-=205040140ln )2050()40140(-----=58.14（℃） （3）冷却水用量W i =)/(16.25502)2040(*17.43600*8.5900h kg t C Q pi =-=∆ （4）总传热系数K 取K=500 W/(m 2k)粗估传热面积 S=Q /K △t =20.32（m 2）考虑 15％的面积裕度.S=1.15×S′=1.15×20.32=23.37(m 2)。
5．工艺结构尺寸 （1）管径和管流速选用ф25×2.5传热管（碳钢），取管流速u i =1.0m/s 。
2）管程数和传热管数依据传热管径和流速确定单程传热管数 2366.220.102.0785.036007.99516.255024n 22==⨯⨯÷÷==ud v i s 按单程管计算，所需的传热管长度为94.1223025.014.337.23d 0=⨯⨯==s n S L πm 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。
现取传热管长l =7m ，则该换热器管程数为2794.12p ===l L N （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5.42040501401221=--=--=t t T T R167.02014020401112=--=--=t T t t P按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表，可得φΔt =0.91 平均传热温差Δt m =φΔt Δ′t m =0.91×58.14=52.91(℃)由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流量较大，故取单壳程合适。
（4）传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。
取管心距t=1.250d ，则t=1.25×25≈32(mm) 隔板中心到离其最近一排管中心距离S=2t+6=22（m ） 各程相邻管的管心距为44m横过管束中心线的管数 （根）84619.1==c n （5）壳体径采用多管程结构，取管板利用率η＝0.70，则壳体径为 ）mm (38.2727.0/463205.1/05t .1=⨯⨯==ηN D 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径的25％，则切去的圆缺高度为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B N =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：取接管牛奶流速为 u ＝2.0 m/s ，则接管径为)(044.00.214.3)10403600/(1120044m u Vd =⨯⨯⨯==π取标准管径为45 mm 。
管程流体进出口接管：取接管循环水流速 u ＝2.0m/s ，则接管径为=d )(067.00.2*14.3)7.9953600/(16.255024/4mm u W i =⨯⨯=πρ圆整后取接管径为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14.003155.00)(36.0wr eeP R d μμλα=当量直径，由正三角形排列得222200440.0320.025440.020()3.140.025e d d m d πππ⎫⎫--⨯⎪⎪⎝⎭⎝⎭===⨯壳程流通截面积=-=)1(00td BD S 0.01*0.325*（1—0.025/0.032）=0.00656（m 2） 壳程流体流速及其雷诺数分别为61.859930001103.01040*456.0*02.0Re )(4560.000656.0)1040*3600/(11200/000020000======μρρu d m S q u m普兰特准数66.114.00001103.02110Pr 00=⨯==λμp C粘度校正0.141w μμ⎛⎫≈ ⎪⎝⎭25.154466.161.8599302.014.036.03155.00=⨯⨯⨯=∂W/( m 2·K)②管程对流传热系数 0.80.40.023Re Pr ii id λα=管程流通截面积)(00722.02/4602.04/14.3/4220m N N d S p i =⨯⨯==π管程流体流速12.244920008012.07.995*9854.0*02.0Re )/(9854.000722.0*7.995*360016.25502/======iii i i i i i i u d s m S W u μρρ普兰特准数59.452314.5*12.24492*02.0617.0*023.041.5617.00008012.0*1000*17.4Pr 4.08.0==∂===i iipi i C λμ（3）污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻：R 0=0.000176（w k m /2）管侧污垢热阻：)/(0006.02w k m R i =取碳钢的热导率为50w/（mk ） 所以)/(00005.0500025.02w k m R w ==③传热系数K80.52425.15441000176.00225.0025.0*00005.0020.0025.0*0006.0020.0*59.4523025.01=++++④传热面积S)(28.2191.52*80.5241000*8.59020m t K Q S m ==∆=该换热器的实际传热面积Sp)(28.257*025.0*14.3*4620m lN d S T p ===π该换热器的面积裕度为80.1828.2128.2128.25=-==SS S H p %传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。