套管式换热器课程设计

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1、大连民族学院工程原理课程设计说明书题 目果汁冷却器的设计设计人： 李系 别：生物工程班 级：084指导教师：刘俏老师设计日期20101112 124目录设计任务书1一、方案简介2二、方案设计31. 确定设计方案32. 确定物性数据33. 基本量计算34. 工艺结构尺寸45. 换热器核算4三、设计结果一览表8四、设计过程中的体会9五、参考文献10六、主要符号说明11七、Key words12设计任务书一）设计题目果汁冷却器的设计。二）设计任务及操作条件1）处理能力 1980 吨/年2）设备形式 套管式换热器3）操作条件 果汁：入口温度75C，出口温度20C。 冷却水：入口温度6C,出口温度16C

2、。 允许压降：不大于IMP 每年按 330 天计，每天 24 小时继续运行三）设计要求选择适宜的套管式换热器并进行核算。画出工艺设备图及列管布置图。13一、方案简介本设计任务是利用冷流体（水）给果汁降温。利用热传递过程中对流传热 原则，制成换热器，以供生产需要。下图（图1）是工业生产中用到的套管式换 热器。*式備炸得旳结W通常，热流体（A流体）由上部引入而冷流体（B流体）则由下部引入。套 管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。内管与U形肘管多用法兰连接，便于 传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取47米。这种换热器传热面积 最高达18米2,故适用于小容量换热。当内外管壁温差较大时,可在外管

3、设置U 形膨胀节（图中b）或内外管间采用填料函滑动密封（图中c）,以减小温差应力。 管子可用钢、铸铁、陶瓷和玻璃等制成，若选材得当，它可用于腐蚀性介质的换热。选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洗,符合实际需要等原则。换 热器分为几大类：夹套式换热器，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。套管式换热器的主要结构是由两种大小不 同的标准管组成的同轴套管。它的程数可以根据所需传热面积大小随意增减，套 管式换热器适合于高温、高压、小流量流体的传热，它具有较高的总传热系数， 除此之外，它还有耐高温、结构简单，制造方便、传热面积易于调整等优点。二、方案设计1

4、确定设计方案由于果汁的黏度比水的大，水的对流系数一般较大，且易结垢，因此冷却 水走内管，果汁走外管，这样的选择可以使果汁通过壳体壁面向空气中散热，提 高冷却效果。2、确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。外管果汁的定性温度为：75 + 202=47.5C内管流体的定性温度为：t=616 =11C2根据定性温度，分别查取外管和内管流体的有关物性数据果汁在47.5 C下的有关物性数据如下：密度 定压比热容 导热系数 黏度P 0=1080 kg/m3 cpo=3.187kJ/(kg C) f：=0.559 W/(m K)口 =0.0015 Pa s0冷却水在11C下的物性数据： 密度P i

5、=999.7kg/m3定压比热容 cpi=4.191 kJ/(kgC) 导热系数*i=0.5745W/(mC)黏度J=0.0012713Pa s3基本量计算3.1 热流量果汁的质量流量 Wo=1980x 103 一 330 一 24 一 3600 =0.069kg/s果汁的热流量 Qo=WoCpo A T=0.069 X 3.187x 103x(75 - 20)=1.22x 104J/s3.2 平均传热温差T1=75CT2=20Ct1=6Ct2=16CAt1=T1-t2=59CAt2=T2-t1=14C=31.28CAAt - At59 14At =h-At ln 1At23.3 冷却水用量Q

6、Oc Atpi i=0.29kg / s1.22 xl044.191x 103 x(16 6)3.4 传热面积假设总传热系数K=350 W/（m2 C）Q1.22x104传热面积S = 1.1m2K At350 x 31.28估 m考虑 15%的面积裕度，S =1.15XS=1.15X1.1=1.3m24. 工艺结构尺寸4.1 管径和管内流速及管长内管选用巾19.5 X 2.25mm传热管（碳钢），外管选用巾56 X 3mm（碳钢） 取管内流速 ui=1.7m/s4.2 传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数ANs0.2/999.7斗4如547=0.96 沁 1根按单管程设计，所需的长

7、度为L = S/ d n = 一 = 20.9 厶 0 s 3.14 x 0.0195 x1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=6m，则该换热 器管程数为传热管总根数N=4（根）5.换热器核算5.1热量核算5.1.1 外管对流传热系数d0=0.05mde = 0.05 0.0195 = 0.0305m导G仏19511.66x103m2V =生=00690 p 10800n(A = d 2 d 2 0421= 6.43x105m3 / s外管流体流速及其雷诺数分别为6.43 xlO - 5u =o 1.66 x10-3=0.04m/ sdu pe_o 00.0305 x

8、0.04 x10800.0015=878 2000(层流)普朗特准数CuPr =p0_0-九0N = 1.02 x R 0.45xP0.5x ue rA 0.14x0.80.05 xG r=-1.02x8780.45 x8.550.5 x 0.95 x0.0305 Y4 1000喘流丿H0.0012713i普朗特准数CpH4.191x103x0.0012713Pr =i 九i九 a =0.023 x R 0$P 0.4 xi dei ri0.5745= 9.270.45=0.5745 x 0.023 x 188730.8 x 9.270.4 x0.015(0.05 W5 0.0195 丿=86

9、38.8W /(m2 - C)5.1.3总传热系数 K污垢热阻 Rsl=0.00021m2C/w Rs2=0.0015m2C/w管壁热阻入=45w/mC+R + so a od丄R d丄bd 十R 十 a d i d 九 di 22 m0.01958638.8 x 0.015+0.00021 x0.0195 十 0.00225 x 0.01950.015 十45 x 0.02十0.00151十1626.6=279.4W/(m2 C)1.22x104二 1.39m 25.1.4传热面积 SS 二-KAt279.41 x 31.28m该换热器的实际传热面积 SpS =兀d IN = 3.14x0.

10、0195x 6x4 沁 1.47m2 po该换热器的面积裕度为” S - S”1.47 -1.39 “H = px 100% = 6%S1.39传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.2换热器器内流体的压力降5.2.1 内管流动阻力EA Pi=( P+ P2)NsNpNs=3 Np=4AP =X丄匕巴,AP =g吐1 i d 222由Re = 18873 ,传热管相对粗糙度0.25/15 = 0.017 ,查莫狄图得入i =0.046W/m C,流速 Ui=1.6m/s,P=999.7kg/m3，所以AP = 0.046 x x 999.7 x 1.62 = 23544.9Pa10.0

11、152AP =1.5x2999.7 x 1.622=1919.4Pa工 AP = 23544.9 x 4 +1919.4 x 3 = 99937.9Pa i内管压力降在允许范围之内。5.2.2 外管流动阻力Sap (AP +AP) NsN o12pe得摩擦系数九由R = 878直流丿=64 = 0.07 R eu = 0.04m / sx 180 決 O.42= ii.9 pa0则 Ap = 0.07 xi0.03052工 Ap = 11.9 x 4 = 47.6 P0a 外管压力降在允许范围之内 总压力降=99937.9 + 47.6 = 99985.5 1Mp总压力也在允许范围之内三、设计

12、结果一览表换热器形式：套管式换热器换热面积（m2）:1.47工艺参数名称内管外管物料名称冷却水果汁操作压力，Pa未知未知操作温度，C6/1675/20流量，kg/s0.290.069流体密度，kg/m3999.71080流速，m/s1.60.04传热量，J/s12200总传热系数，W/m2K279.41传热系数，W/ （m2C）8638.8878污垢系数，m2K/W0.000210.00151阻力降，Pa99937.947.6程数41推荐使用材料碳钢碳钢管子规格19.5X2. 25 mm （内管）官数1管长m:656 X 3mm（外 管）四、设计过程中的体会初次接触化工原理课程设计，根本不知道

13、该做什么，虽然学过理论课，可运 用到实际中还是觉得无从下手，感觉好难。刚开始的几周都是在忙着找一些参数， 比如果汁的密度、黏度、热导率等，找了好长时间也没有结果，最后在老师的引 导下，终于在图书馆找到了所需要的数据。找到了数据，本以为很快就会做好的，却没想到中间的过程会那么曲折。 选好管子开始算流速，结果流速非常小从而导致雷诺数很小，管外的果汁始终处 于层流区。换了好多次管子的规格，结果都一样。后来大家商量把处理能力扩大 十倍，可算完的压力降又超过了允许范围，于是又开始重新选管子。没办法只好 又找老师帮忙，最终在老师的帮助之下，用 Excel 终于找到了合适的管子规格， 虽然果汁还是处于层流区

14、，好在也找到了应用于层流区的公式。又经过了几番折 腾终于算出了数据并成功地进行了校核。看着自己辛辛苦苦整理出来的设计方 案，十分开心，虽然过程有些纠结，但看到自己的努力有了成果，一切辛苦都很 值得。其实，在整个过程中，虽然遇到了很多问题，也犯了不少错误，但是自己 真的学到了很多东西，比如word文档公式的运用，Excel在数据处理方面的运用 等。以前这些办公软件根本就没得到很好地利用。另外如何查找数据也很重要， 假如自己查不到数据，接下来的工作就没办法做，如果查的数据是错误的，那设 计出来的东西也是错误的，很可能会导致严重的后果。在找数据的过程中，我明 白了，查数据不能就在一本书上找，图书馆的

15、资源很丰富，一定要有耐心，不能 浮躁，也不能盲目地寻找，要按着你所需数据的应用范围寻找，不要轻易就说放 弃，任何事情都会有解决的办法。同时，我也学到了要从不同角度思考问题，比 如说如何使自己的设计更加合理，这就要求自己在设计前要详细的考虑各种可能 出现的问题和解决办法，才能达到事半功倍的效果。五、参考文献1 柴诚敬，王军，张缨编，化工原理课程设计天津科学技术出版社，2006.2 周巍主编，食品工程原理中国轻工业出版社，2002.3 马连湘，列光启，王文中编.化工设备算图手册4 食品工程原理（上），中国轻工业出版社，1997.5 食品工程与原理 例题与习题，化学工业出版社，2007.6 杨祖荣主

16、编.化工原理（第二版）.北京: 化学工业出版社,20107 潘国昌，郭庆丰主编.化工设备设计手册.北京:清华大学出版社,19988 中国石化集团上海工程有限公司 编.化工工艺设计手册（第三版）.北京: 化学工业出版社,19879 周大军主编.化工工艺制图北京:化学工业出版社,200310 韩冬冰主编.化工工程设计北京:学苑出版社,200011 刘苏编著.AutOCAD2002应用教程北京:科学出版社,200312 潘永亮等编.化工设备机械设计基础北京:科学出版社,1991六、主要符号说明物理性质符号物理性质符号果汁的定性温度T冷却水定性温度t果汁定压比热容cpo冷却水定压比热容cpi果汁导热系

17、数入o冷却水导热系数入i果汁粘度O冷却水粘度口 i热流量WoO冷却水流量W热负荷Qo平均传热温差Atm总传热系数K雷诺数R内管传热系数a外管传热系数ea初算初始传热面积iS 传热管数ON s初算实际传热面积S管程数NpH壳程压力降2 AP0面积裕度七、Key Words套管式换热器double-pipe heat exchanger对流传热convectrive heat transfer逆流countercurrent flow传热速率heat transfer rate对数平均温度差logmean temperature difference总传热系数overall heat transfer coefficient污垢热阻fouling resistance热导率thermal conductivity热通量heat flux质量流量mass velocity平均流速average velocity层流laminar flow湍流turbulent flow摩擦系数friction coefficient相对粗糙度relative roughness当量直径equivalent diameter局部阻力local resistance流体阻力friction loss