食品工程原理——列管式换热器课程设计

列管式换热器的设计班级：xxxx姓名：xxx学号：xxxxxxxx指导教师：xxx时间：xxxxx目录工程原理课程设计任务书 (3)(一) 概述及设计案简介 (4)1概述 (4)2设计案简介 (8)（二）工艺及设备设计计算 (8)1确定物性数据 (8)2计算总传热系数 (9)3传热面积的计算 (10)4工艺结构尺寸 (10)5换热器核算 (12)（三）辅助设备的计算及选型 (14)（四）设计结果汇总表 (15)(五）设计评述 (15)(六）参考资料 (15)(七）主要符号说明 (16)（八）致 (16)工程原理课程设计任务书(一) 概述及设计案简介1 概述1.1 换热器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。

在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与上述情形并无本质上的差别。

在食品、化工、油、动力、制冷等行业中广泛使用各种换热器，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要地位。

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。

1.2 换热器的选择换热器的种类很多，根据其热量传递的法的不同，可以分为3种形式：坚壁式、直接接触式和蓄热式。

列管式换热器的应用已有很悠久的历史，现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门量使用，尤其在油、化工、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。

虽然列管式换热器在传热效率、紧凑性和金属耗量等面不及某些新型换热器，但它具有结构简单、坚固耐用、适应性强、制造材料广泛等独特的优点，因而在换热设备中仍处于主导地位。

同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量应用于工业中。

列管换热器主要特点：(1) 耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸，碱、盐溶液，除强氧化性物料外，几乎直到100℃都对其无破坏作用，对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使用。

(2) 耐温性：聚丙烯塑料熔点为164-174℃，一般使用温度可达110-125℃。

(3) 无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。

(4) 重量轻：对设备安装维修极为便。

列管式换热器主要分为以下四种：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器。

1.2.1固定管板式换热器结构特点：两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单；在相同的壳体直径，排管最多，比较紧凑；由于这种结构的壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。

当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，会使管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。

适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

固定管板式换热器1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳体；5—换热管；6—波形膨胀节；7—折流板（或支持板）；8—防冲板；9—壳程接管；10—管板；11—管程接管；12—隔板；13—封头；14—管箱；15—排液口；16—定距管；17—拉杆；18—支座；19—垫片；20、21—螺栓、螺母1.2.2.浮头式换热器结构特点：两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可在壳体沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。

浮头式换热器的优点是当换热管与壳体间有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体抽搐，便与管管间的清洗。

缺点：结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不，易发生泄漏，造成两种介质的混合。

适用于管壁间温差较大或易于腐蚀和易于结垢的场合。

浮头式换热器1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4—钩圈；5—支耳1.2.3 U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。

管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。

U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗便。

缺点：管清洗困难；由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束程管间距大，壳程易短路；程管子损坏不能更换，因而报废率较高。

此外，其造价比管定管板式高10%左右。

U形管式换热器1—中间挡板；2—U形换热管；3—排气口；4—防冲板；5—分程隔板1.2.4.填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。

其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。

管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。

填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体抽出，管管间均能进行清洗，维修便。

缺点：填料函乃不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。

1.3 流动空间的选择在管壳式换热器的计算中，首先需决定种流体走管程，种流体走壳程，这需遵循一些一般原则：①应尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。

②在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置， 应尽量减少其冷量损失。

③管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。

所以在具体设计时应综合考虑，决定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。

1.4 流速的确定表2-2 换热器常用流速的围介质 流速循环水 新鲜水 一般液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油 气体 管程流速，m/s 1.0-2.0 0.8-1.5 0.5-3 >1.0 0.8-1.8 0.5-1.5 5-30 壳程流速，m/s 0.5-1.5 0.5-1.5 0.2-1.5 >0.5 0.4-1.0 0.3-0.8 2-151.5 材质的选择一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。

1.5.1 碳钢价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，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。

1.5.2 不锈钢奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti 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。

1.6 管程结构介质流经传热管的通道部分称为管程。

1.6.1换热管布置和排列问距常用换热管规格有ф19×2 mm、ф25×2 mm、ф25×2.5 mm。

标准管子的长度常用的有1500mm ，2000mm ，3000mm ，6000mm 等。

当选用其他尺寸的管长时，应根据管长的规格，合理裁用，避免材料的浪费。

换热管管板上的排列式有正形直列、正形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。

填料函式换热器1—纵向隔板；2—浮动管板；3—活套法兰；4—部分剪切环；5—填料压盖；6—填料；7—填料函(a) 正形直列 （b ）正形错列 (c) 三角形直列（d ）三角形错列 （e ）同心圆排列正三角形排列结构紧凑；正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；浮头式则以正形错列排列居多，也有正三角形排列。

对于多管程换热器，常采用组合排列式。

每程都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正形排列式。

1.6.2 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。

1.7 壳程结构介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。

壳程的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。

由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。

各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板。

旁路挡板等；另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。

1.7.1 壳体壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。

直径小于400mm 的壳体通常用钢管制成，大于400mrn 的可用钢板卷焊而成。

壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。

介质在壳程的流动式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。

如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。

用两个换热器串联也可得到同样的效果。

为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。

壳体径D 取决于传热管数N 、排列式和管心距t 。

计算式如下：单管程 0)3~2()1(d n t D c +-=式中 t ——管心距，mm ；d 0——换热管外径，mm ；n c ——横过管束中心线的管数，该值与管子排列式有关。

正三角形排列：正形排列：多管程式中 N ——排列管子数目；η——管板利用率。

正角形排列：2管程 η=0.7~0.85>4管程 η=0.6~0.8正形排列：2管程 η=0.55~0.7>4管程 η=0.45~0.65壳体径D 的计算值最终应圆整到标准值。

1.7.2 折流板在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。

折流板的型式有圆缺型、环盘型和流型等。

圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种。

切缺率(切掉圆弧的高度与壳径之比)通常为20％~50％。

垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。

垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。

弓形折流板有单弓形和双弓形，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。

折流板的间隔，在允的压力损失围希望尽可能小。

一般推荐折流板间隔最小值为壳径的1/5或者不小于50 mm ，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。

1.7.3 壳程接管壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。

当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大，即将接管做成喇叭形，以起缓冲的作用；或者在换热器进口处设置挡板。

2 设计案简介2.1选择换热器的类型因为我们要加热的材料是果汁，流体压力不大，管程与壳层温度差较大，并考虑易清洗性，所以初步确定选用固定管板式换热器。