食品工程原理課程設(shè)計(jì)---列管式燃油加熱器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　食品工程原理課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題目：列管式燃油加熱器的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 列管式石油加熱器的設(shè)計(jì) </p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)：</b></p><p>　　某煉油廠用柴油將原油預(yù)熱。柴油和原油的有關(guān)參數(shù)如下表， 兩側(cè)的污垢熱阻均可取1.72×10

2、-4m2·K/W，換熱器熱損失忽略不計(jì)，管程的絕對粗糙度ε=0.1mm，要求兩側(cè)的阻力損失均不超過0.3×105Pa。試設(shè)計(jì)一臺適當(dāng)?shù)牧泄苁綋Q熱器。(y:學(xué)號后2位數(shù)字) </p><p><b>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容：</b></p><p><b>　?。?）目錄 </b></p><p>　?。?）設(shè)計(jì)題

3、目及原始數(shù)據(jù)(任務(wù)書) </p><p>　　(3) 設(shè)計(jì)方案的確定及流程說明</p><p>　　(4) 換熱面積的估算</p><p>　　(5) 管子尺寸及數(shù)目計(jì)算</p><p>　　(6) 管子在管板上的排列</p><p>　　(7) 殼體內(nèi)徑的確定</p><p>　　(8) 換熱

4、器校核（包括換熱面積、壓力降等）</p><p>　　(9) 設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表</p><p><b>　　(10) 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)思考題 （1）設(shè)計(jì)列管式換熱器時，通常都應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)型號的換熱器，為什么？ </p><p>　?。?）為什么在化工廠使用列管式換熱最廣泛？ </p

5、><p>　?。?）在列管式換熱器中，殼程有擋板和沒有擋板時，其對流傳熱系數(shù)的計(jì)算方法有何不同？ </p><p>　?。?）說明列管式換熱器的選型計(jì)算步驟？ </p><p>　?。?）在換熱過程中，冷卻劑的進(jìn)出口溫度是按什么原則確定的？ </p><p>　?。?）說明常用換熱管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格（批管徑和管長）。 </p><p

6、>　?。?）列管式換熱器中，兩流體的流動方向是如何確定的？比較其優(yōu)缺點(diǎn)？</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p><b>　　用一周時間集中進(jìn)行</b></p><p>　　1、設(shè)計(jì)方案選定：0.5天</p><p>　　2、主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算：2天</p&g

7、t;<p>　　3、輔助設(shè)備的選型：0.5天</p><p>　　4、編寫設(shè)計(jì)說明書：2天</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　概述與設(shè)計(jì)方案簡介..............................................................................

8、.........1</p><p>　　1、換熱器的類型.........................................................................................1</p><p>　　2、設(shè)計(jì)方案簡介..........................................................

9、...............................3</p><p>　　二、工藝計(jì)算...........................................................................................................5</p><p>　　1、計(jì)算熱負(fù)荷(不考慮熱損失).............

10、.....................................................5</p><p>　　2、計(jì)算平均溫度差....................................................................................5</p><p>　　3、確定流體走向..................

11、......................................................................6</p><p>　　4、換熱面積估算........................................................................................6</p><p>　　5、選柴油的

12、流速為u1=1m/s.....................................................................6</p><p>　　6、管程數(shù)Nt的確定..................................................................................6</p><p>　　7

13、、校正溫度差............................................................................................6</p><p>　　8、求實(shí)際換熱面積S實(shí)際...........................................................................6</p>

14、<p>　　9、選擇換熱器殼體尺寸...........................................................................7</p><p>　　10、確定折流擋板形狀和尺寸.................................................................7</p><p

15、>　　11、傳熱系數(shù)K的計(jì)算............................................................................7</p><p>　　12、壓強(qiáng)降的計(jì)算.....................................................................................9</p&g

16、t;<p>　　（1）管程壓強(qiáng)降.....................................................................................9</p><p>　?。?）流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降.....................................................9</p><p&

17、gt;　　13、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表................................................................................11</p><p>　　思考題及答案..........................................................................................11&l

18、t;/p><p>　　一、概述與設(shè)計(jì)方案簡介</p><p>　　1、換熱器的類型　　在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。35％～40％。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研

19、究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。 　　隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。 換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過熱器等。 換熱器按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛，按照傳熱面的形狀和結(jié)

20、構(gòu)特點(diǎn)又可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴(kuò)展表面式換熱器（板翅式、管翅式等），如表1所示。 表1 傳熱器的結(jié)構(gòu)分類 </p><p>　　完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求。 （1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 　　傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學(xué)性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)比較，使所

21、設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。其具體做法如下。 　　①增大傳熱系數(shù)? 在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動的前提下，盡量選擇高的流速。 　　②提高平均溫差? 對于無相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因?yàn)檫@樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。在允許的條件時，可提高熱流體的進(jìn)口溫度或降低冷流體的進(jìn)口溫度。 　?、弁咨撇贾脗鳠崦? 例如在管殼式換熱器中，采用合適的管間距或排列

22、方式，不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。錯列管束的傳熱方式比并列管束的好。如果換熱器中的一側(cè)有相變，另一側(cè)流體為氣相，可在氣相一側(cè)的傳熱面上加翅片以增大傳熱面積，更有利于熱量的傳遞。 （2）安全可靠 　　換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞</p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)方案簡介</b></p><p>　　（1）

23、換熱器類型的選擇</p><p>　　根據(jù)列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要分為以下四種。以下根據(jù)本次的設(shè)計(jì)要求，介紹幾種常見的列管式換熱器。</p><p>　　1） 固定管板式換熱器</p><p>　　這類換熱器如圖1-1所示。固定管辦事?lián)Q熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)余構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)式殼測清洗困難

24、，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時，用使用管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏。</p><p><b>　　2）U型管換熱器</b></p><p>　　U型管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U型環(huán)熱管由溫差時，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力

25、。U型管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，只有一塊管板，密封面少，運(yùn)行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗困難；喲由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內(nèi)程管間距大，殼程易短路；內(nèi)程管子壞了不能更換，因而報(bào)廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。</p><p><b>　　3） 浮頭式換熱器</b></p><p>　　浮頭式換熱器的結(jié)

26、構(gòu)如下圖1-3所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是黨環(huán)熱管與殼體間有溫差存在，殼體或環(huán)熱管膨脹時，互不約束，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可以從殼體內(nèi)抽搐，便與管內(nèi)管間的清洗。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴(yán)，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。</p><p><b>　　4）填料函式換熱器</b>

27、;</p><p>　　填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。其特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。其缺點(diǎn)是填料函乃嚴(yán)不高，殼程介質(zhì)可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。<

28、/p><p>　　5）換熱器類型的選擇 </p><p>　　由于原油溫度低于柴油，為減少熱損失和充分利用柴油的熱量，選擇原油走殼程，柴油走管程。</p><p><b>　　二、工藝計(jì)算</b></p><p>　　1、計(jì)算熱負(fù)荷(不考慮熱損失)</p><p>　　由于設(shè)計(jì)條件所給為無相變過程

29、。由設(shè)計(jì)任務(wù)書可知熱負(fù)荷為</p><p>　　Q = w原油Cp原油(t2-t1) = (50000/3600)×2.20×1000×(110-70)= 1222222W. </p><p>　　由熱量守恒可計(jì)算柴油出口溫度T2</p><p>　　Q = w柴油Cp柴油(T1-T2) = (38000/3600)×2.48

30、×1000×(175-T2)=1222222W</p><p>　　T2=128.31℃</p><p>　　2、計(jì)算平均溫度差：</p><p>　　Δt1=175-110=65℃</p><p>　　Δt2=128.31-70=58.31℃</p><p><b>　　逆流溫度差<

31、;/b></p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　3、確定流體走向</b></p><p>　　由于原油溫度低于柴油，為減少熱損失和充分利用柴油的熱量，選擇原油走殼程，柴油走管程。</p><p><b>　　4、換熱面積估算</b></

32、p><p>　　由《食品工程原理課程設(shè)計(jì)》的表4-6，取K估=200W/(m2·℃).</p><p>　　先假設(shè)換熱器為單管程、單殼程的，且冷熱流體逆流接觸。則</p><p>　　S估=Q/(K估×Δtm逆)=1222222/(200×61.6)=99.2m2.</p><p>　　預(yù)先估算傳熱面積為99.2 m

33、2。</p><p>　　5、選柴油的流速為u1=1m/s</p><p>　　取換熱管的規(guī)格為Φ25×2.5mm碳素鋼管(8.3kg/6m)。估算單管程的管子根數(shù)</p><p>　　==47.02≈47根。</p><p>　　根據(jù)傳熱面積S估計(jì)算管子的長度L’，有</p><p>　　式中：d1----

34、換熱管的內(nèi)徑，為0.02m</p><p>　　d0----換熱管的外徑，為0.025m</p><p>　　6、管程數(shù)Nt的確定</p><p>　　由于L’數(shù)值太大，換熱器不可使用單管程的形式，必須用多管程。我們選擇管程的長度為6m，則Nt=L’/6=27/6=4.5≈4.(管程數(shù)通常選擇偶數(shù))</p><p><b>　　7、

35、校正溫度差</b></p><p>　　R=(T1-T2)/(t2-t1)=(175-128.31)/(110-70)=1.167</p><p>　　P=(t2-t1)/(T1-t1)=(110-70)/(175-70)=0.381</p><p>　　根據(jù)R，P的值，查食品工程原理教材中圖4-25(S)，得溫度校正系數(shù)</p><

36、p>　　φ=0.91 > 0.8，說明換熱器采用單殼程，四管程的結(jié)構(gòu)是合適的。</p><p>　　Δtm=φ×Δtm逆=0.91*61.6=56.06℃。</p><p>　　8、求實(shí)際換熱面積S實(shí)際</p><p>　　換熱管數(shù)為n’ ×Nt=47×4=188根。</p><p>　　S實(shí)際=L&

37、#215;(π×d0) ×n’=6×(3.14×0.025)×188=88.55m2.</p><p>　　實(shí)際換熱面積為88.55m2.</p><p>　　9、選擇換熱器殼體尺寸</p><p>　　選擇換熱管為三角形排列，換熱管的中心距為t=32mm。</p><p>　　橫過管束中心線

38、的管數(shù)：</p><p>　　最外層換熱管中心線距殼體內(nèi)壁距離：b'=(1～1.5)d0 ，此處b’取一倍d0，即b'=0.025m</p><p><b>　　殼體內(nèi)徑：</b></p><p>　　圓整后，換熱器殼體圓筒內(nèi)徑為D=550mm，殼體厚度選擇8mm。長度定為5996mm。</p><p>

39、　　殼體的標(biāo)記：筒體 DN550 δ=8 L=5910。</p><p>　　筒體材料選擇為Q235-S，單位長度的筒體重110kg/m，殼體總重為110*(5.910-0.156)= 632.94kg。</p><p>　　10、確定折流擋板形狀和尺寸</p><p>　　選擇折流擋板為有弓形缺口的圓形板，直徑為540mm，厚度為6mm。缺口弓形高度為圓形板直徑

40、的約1/4，本設(shè)計(jì)圓整為120mm。折流擋板上換熱管孔直徑為25.6mm，共有188-22-13/2=159.5個；拉桿管孔直徑為16.6mm，每個折流擋板上有4個。折流擋板上的總開孔面積=159.5*514.7185+4*216.4243=82963.2972mm2。折流擋板的實(shí)際面積=191126.3264-82963.2972 = 108163.0292 mm2，重量為5.1kg。選擇折流擋板間距h=400mm。折流擋板數(shù)NB =

41、L/h-1=6000/400-1=14塊。</p><p>　　11、傳熱系數(shù)K的計(jì)算</p><p>　　1．管程對流傳熱系數(shù)αi</p><p><b>　　換熱管內(nèi)柴油流速：</b></p><p><b>　　雷諾數(shù)，</b></p><p><b>　　普

42、蘭德數(shù)，</b></p><p>　　柴油的黏度小于常溫水黏度的兩倍，是低黏度液體，且是被冷卻，所以</p><p><b>　　w/(m2·℃)</b></p><p>　　2．殼程對流傳熱系數(shù)αo</p><p><b>　　殼程流通截面積：</b></p>

43、<p><b>　　m2</b></p><p><b>　　殼程流速：</b></p><p>　　換熱管為三角形排列，殼程的當(dāng)量直徑為</p><p><b>　　雷諾數(shù)，</b></p><p><b>　　普蘭德數(shù)，</b></p&

44、gt;<p><b>　　原油被加熱，所以</b></p><p><b>　　w/(m2·℃)</b></p><p><b>　　3.污垢熱阻</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，兩側(cè)的污垢熱阻Rso=Rsi=1.72×10-4m2·℃/W。&l

45、t;/p><p><b>　　4．總傳熱系數(shù)Ko</b></p><p>　　;取管壁λw = 45w/(m·℃)</p><p>　　=287.2w/( m2·℃)</p><p>　　S需要=Q/(Ko×Δtm)=1222222/(287.2×56.06)=75.91m2.<

46、/p><p><b>　　面積裕量：〉15%</b></p><p>　　符合換熱器設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。</p><p><b>　　12、壓強(qiáng)降的計(jì)算</b></p><p><b>　?。?）管程壓強(qiáng)降</b></p><p>　　已知管程直管的絕對粗糙度ε

47、=0.1mm，則ε/d1=0.1/20=0.005，雷諾準(zhǔn)數(shù)</p><p>　　，查摩擦系數(shù)圖1-28，得到λ=0.035，所以，每程直管的壓降：.75PS；</p><p>　　柴油在每管程中局部阻力導(dǎo)致的壓強(qiáng)降按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算如下：</p><p><b>　　PS；</b></p><p>　　一般地，流體流經(jīng)換熱

48、器進(jìn)出口導(dǎo)致的壓強(qiáng)降可以忽略。</p><p>　　對于Φ25×2.5的換熱管，結(jié)垢校正系數(shù)Ft=1.4；因?yàn)槭菃螝こ?、四管程的換熱器，所以Ns=1，Np=4；</p><p>　　PS<30000PS，</p><p><b>　　符合任務(wù)書的要求。</b></p><p><b>　?。?）

49、．殼程壓強(qiáng)降</b></p><p>　　1）流體橫過管束的壓強(qiáng)降：</p><p>　　管子排列方法對壓強(qiáng)降的校正因數(shù)F=0.5(正三角形排列)；</p><p>　　殼程流體的摩擦系數(shù)fo，當(dāng)Re2〉500時，fo=5.0×Re2-0.228=5.0×1943-0.228=0.89；</p><p>　　橫

50、過管束中心線的管子數(shù)nc=15；</p><p>　　折流板數(shù)NB=14；</p><p>　　殼程流速u2=0.354m/s；</p><p>　　ρ原油=815kg/m3</p><p><b>　　=5113PS；</b></p><p>　　2）流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降</p>

51、;<p>　　折流板間距h=400mm=0.400m；</p><p>　　殼體內(nèi)徑D=550mm=0.550m</p><p><b>　　=1462PS</b></p><p>　　一般地，流體流經(jīng)換熱器進(jìn)出口導(dǎo)致的壓強(qiáng)降可以忽略。</p><p><b>　　殼程總壓降：</b>

52、</p><p>　　對于液體殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正系數(shù)Fs=1.15；</p><p><b>　　殼程數(shù)Ns=1</b></p><p>　　=7561PS<30000Pa. 符合任務(wù)書的要求。</p><p>　　13、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表</p><p>　　換熱器工藝設(shè)計(jì)結(jié)果如下表所示：&

53、lt;/p><p><b>　　思考題問題及答案</b></p><p>　　設(shè)計(jì)列管式換熱器時，通常都應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)型號的換熱器，為什么？ </p><p>　　那個是方便對以前的設(shè)備進(jìn)行利用！我們現(xiàn)在設(shè)計(jì)的換熱器的話都是定制性的！要根據(jù)現(xiàn)在的流量，污垢系數(shù)，壓降等進(jìn)行HTRI計(jì)算。</p><p>　?。?）為什么在化工廠使

54、用列管式換熱最廣泛？</p><p>　　因?yàn)閱挝惑w積具有的傳熱面積較大以及以及傳熱效果較好，此外，結(jié)構(gòu)簡單，制造的器材范圍比較廣，操作彈性也比較大，因此在高溫高壓和大型裝置上多采用。</p><p>　?。?）在列管式換熱器中，殼程有擋板和沒有擋板時，其對流傳熱系數(shù)的計(jì)算方法有何不同？</p><p>　　1、折流擋板是為了加大殼程流體的速度，使湍動程度加劇，以提

55、高殼程對流傳熱系數(shù)，有擋板就要將其考慮在內(nèi)，算流體通過折流擋板缺口壓力降的時候要考慮。</p><p>　　2、緩沖擋板是為了防止殼程流體進(jìn)入換熱器時對管束的沖擊，可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板。</p><p>　?。?）說明列管式換熱器的選型計(jì)算步驟？</p><p>　　1、計(jì)算并初選設(shè)備，QSdLn等進(jìn)行初選</p><p>　　2、計(jì)算管

56、程，殼程壓力降</p><p>　　3、核算總傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，計(jì)算總傳熱系數(shù)，看是否滿足即可</p><p>　?。?）在換熱過程中，冷卻劑的進(jìn)出口溫度是按什么原則確定的？</p><p>　　一般來說，根據(jù)經(jīng)濟(jì)衡算來確定，出口溫度高，傳熱面積大，設(shè)計(jì)時冷卻水兩端溫度差可取5到10度，缺水地區(qū)選用較大的溫度差，水源豐富的地區(qū)可選用較小的溫度差。</p&