精品食品工程原理列管式换热器课程设计11Word文件下载.docx
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(六)参考资料15
(七)主要符号说明16
(八)致谢16
工程原理课程设计任务书
学生姓名
班级
指导教师
题目
换热器的设计
设计基本参数
处理能力:
2000kg/h
设备型式:
列管式换热器
操作条件:
冷却介质:
水入口温度:
6℃,出口温度:
16℃
果汁:
入口温度:
80℃,出口温度:
20℃。
设计要求及内容
1、设计方案简介
对给定或选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要论述。
2、主要设备的工艺设计计算
物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。
3、辅助设备的选型
典型辅助设备主要工艺尺寸的计算,设备规格型号的选定。
4、编写设计说明书
将设计所选定的工艺流程方案、主要步骤及计算结果汇集成工艺设计说明书。
应采用简练、准确的文字图表,实事求是的介绍设计计算过程和结果。
设计说明书要求在6000字以上,A4纸打印。
设计说明书内容:
(1)封面(课程设计题目、学生班级、姓名、指导教师、时间)
(2)目录
(3)设计任务书
(4)概述与设计方案简介
(5)工艺及设备设计计算
(6)辅助设备的计算机选型
(7)设计结果汇总表
(8)设计评述
(9)参考资料
(10)主要符号说明
(11)致谢
(一)概述及设计方案简介
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、石油、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,根据其热量传递的方法的不同,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中大量使用,尤其在石油、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方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方便。
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;
在相同的壳体直径内,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。
1.2.2.浮头式换热器
两端管板只有一端与壳体完全固定,另一端则可在壳体内沿轴向自由伸缩,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;
管束可以从壳体内抽搐,便与管内管间的清洗。
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严,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。
1.2.3U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,管间清洗方便。
管内清洗困难;
由于管子需要一定的弯曲半径,故管板的利用率较低;
管束内程管间距大,壳程易短路;
内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。
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,制造方便,耗材少,造价也比浮头式的低;
管束可以从壳体内抽出,管内管间均能进行清洗,维修方便。
填料函乃严不高,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,首先需决定何种流体走管程,何种流体走壳程,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换热器常用流速的范围
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
0.2-1.5
0.5
0.4-1.0
0.3-0.8
2-15
1.5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
介质流经传热管内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×
2mm、ф25×
2.5mm。
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方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列,如下图所示。
(a)正方形直列
(b)正方形错列
(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;
正方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;
浮头式则以正方形错列排列居多,也有正三角形排列。
对于多管程换热器,常采用组合排列方式。
每程内都采用正三角形排列,而在各程之间为了便于安装隔板,采用正方形排列方式。
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。
壳程内的结构,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,壳程内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。
介质在壳程的流动方式有多种型式,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。
壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。
计算式如下:
单管程
式中t——管心距,mm;
d0——换热管外径,mm;
nc——横过管束中心线的管数,该值与管子排列方式有关。
正三角形排列:
正方形排列:
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
2管程η=0.55~0.7
4管程η=0.45~0.65
壳体内径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、环盘型和孔流型等。
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内径之比)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,在允许的压力损失范围内希望尽可能小。
一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50mm,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设计方案简介
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。
2.2流体流动空间及流速的确定
因为本次所要处理的果汁与冷却水的进出口温差都大于50°
C,所以需要焊接膨胀节。
由于果汁较水有腐蚀性,而管子及管箱用耐腐蚀材料造价低,故应使果汁走管程,冷却水走壳程。
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