精品年处理量为26万吨花生油换热器的设计毕业论文说明书.docx
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精品年处理量为26万吨花生油换热器的设计毕业论文说明书
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吉林化工学院
食品工程原理课程设计
题目年处理量为26万吨花生油换热器的设计
教学院环境与生物工程学院
专业班级食品科学与工程1102
目录
食品工程原理课程设计任务书..........................................1
中文摘要..................................................................3
1.概述与设计方案的选择...................................................4
1.1概述..................................................................4
1.1.1.换热器...........................................................4
1.1.2换热器类型........................................................4
1.1.2.1固定管板式换热器..........................................5
1.1.2.2浮头式换热器..............................................5
1.1.2.3U型管换热器..............................................6
1.1.2.4填料函式换热器............................................6
1.1.3流动空间的选择....................................................7
1.1.4流速的确定........................................................7
1.1.5材质的选择........................................................7
1.1.6管程结构..........................................................8
1.1.7壳程结构.........................................................9
1.2设计方案的选择........................................................10
1.2.1选择换热器的类型..................................................10
1.2.2流动空间及流速的确定..............................................10
2.工艺设计计算.............................................................11
2.1确定物性数据...........................................................11
2.2热负荷及传热面积的确定.................................................11
2.2.1热流量...........................................................11
2.2.2平均传热温差.....................................................11
2.2.3传热面积.........................................................11
2.3换热器主要结构尺寸的确定...............................................12
2.3.1管径和管内流速....................................................12
2.3.2管程数和传热管数..................................................12
2.3.3平均传热温差校正及壳程数..........................................13
2.3.4传热管排列和分程方法..............................................13
2.3.5壳体直径..........................................................13
2.3.6折流板............................................................14
2.3.7接管..............................................................14
2.4换热器核算..............................................................14
2.4.1传热面积校核......................................................14
2.4.2换热器内压降的核算................................................16
3.设计结果汇总表...........................................................18
讨论.......................................................................19
结束语......................................................................21
参考文献...................................................................22
附录........................................................................23
食品工程原理课程设计任务书
1设计题目年处理量为 26 万吨花生油换热器的设计
2操作条件
(1)花生油:
入口温度100℃,出口温度45℃。
(2)冷却介质:
采用循环水,入口温度15℃,出口温度35℃;井水,入口压强0.3MPa。
(3)每年按330天计,每天24小时连续生产。
(4)花生油定性温度下的物性数据
(5)允许压强降:
不大于30kPa。
(6)换热器热损失:
以总传热量的5%计。
(7)油侧污垢热阻0.000176m2·KW,水侧污垢热阻0.00026m2·KW。
3设计任务
(1)选择适宜的列管式换热器并进行核算。
(2)工艺设计计算
包括选择适宜的换热器并进行核算,主要包括物料衡算和热量衡算、热负荷及传热面积的确定、换热器主要尺寸的确定、总传热系数的校核等。
(注明公式及数据来源)
(3)结构设计计算
选择适宜的结构方案,进行必要的结构设计计算。
主要包括管程和壳程分程、换热管尺寸确定、换热管的布置、折流板的设置等。
(注明公式及数据来源)
(4)绘制工艺流程图
绘制设备工艺条件图一张或设备装配示意图(2号图纸);CAD绘制。
(5)编写设计说明书
设计说明书的撰写应符合规范与要求。
4参考书
(1)贾绍义,柴诚敬.《化工原理课程设计》,天津大学出版社;
(2)陈敏恒,丛德滋等.《化工原理》上册,化学工业出版社出版;
(3)匡国柱.史启才.《化工单元过程及设备课程设计》;
(4)《化工设计全书》编辑委员会.金国淼等编.《吸收设备》化学工业出版社;
(5)李云飞,葛克山.《食品工程原理》,中国农业大学出版社;
(6)其它参考书。
食品工程教研室
2011年5月
中文摘要
本次课设题目是为年处理量为26万吨花生油换热器的设计。
衡量一台换热器好的标准是传热效率高、流体阻力小、强度足够、结构合理、节省材料、成本低、制造、安装、检修方便、节省材料和空间、节省动力。
由于本次设计需要用冷却介质--循环水与花生油进行换热,进出口温差又较大,因此初步决定选带膨胀节固定管板式换热器。
由于花生油较水有腐蚀性,而管子及管箱用耐腐蚀材料造价低,故应使冷却水走管程,花生油走壳程。
根据公式计算总传热系数和传热面积。
其中包括热流量,平均传热温差,加热水用量及总传热系数的计算。
接着,确定工艺结构尺寸。
包括管径和管内流速,管程数和传热管数,平均传热温差校正及壳程数,传热管排列和分程方法,壳体直径,折流板和接管的确定。
在这之后,就要进行换热器的核算。
包括传热面积校核,换热器内压降的核算。
关键词:
换热器花生油固定板管式
1概述与设计方案的选择
1.1概述
1.1.1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。
1.1.2换热器的类型
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。
(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。
1.1.2.1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。
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。
1.1.2.2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。
1.1.2.3U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。
缺点:
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。
1.1.2.4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。
缺点:
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。
1.1.3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。
1.1.4流速的确定
表1-1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,ms
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,ms
0.5-1.5
0.5-1.5
0.2-1.5
>0.5
0.4-1.0
0.3-0.8
2-15
1.1.5材质的选择
一般换热器常用的材料,有碳钢和不锈钢。
a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。
b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。
1.1.6管程结构
介质流经传热管内的通道部分称为管程。
a换热管布置和排列问距
常用换热管规格有ф19×2mm、ф25×2mm、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。
图1-5(a)正方形直列图1-5(b)正方形错列图1-5(c)三角形直列
图1-5(d)三角形错列 图1-5(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。
b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。
1.1.7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。
a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400mm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
正方形排列:
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。
b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15或者不小于50mm,最大值决定于支持管所必要的最大间隔。
c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。
1.2设计方案简介
1.2.1选择换热器的类型
因为我们要加热的材料是花生油,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。
1.2.2流体流动空间及流速的确定
因为本次所要处理的花生油与冷却水的进出口温差都大于50°C,所以需要焊接膨胀节。
由于花生油较水有腐蚀性,而管子及管箱用耐腐蚀材料造价低,故应使冷却水走管程,花生油走壳程。
考虑到要进行加热的是花生油,所以选用不锈钢材质的管。
综上所述,选用带膨胀节的固定管板式换热器,选用φ25mm×2.5mm的不锈钢管,管内流速取u=1.0ms.
2工艺及设备设计计算
2.1确定物性数据
定性温度:
可取流体进口温度的平均值
壳程花生油的定性温度为:
℃
管程循环水的定性温度为:
t=℃
根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据
花生油在72.5℃下的有关物性数据冷却水在25℃下的有关物性数据
密度密度=996.95kg
定压比热容=2.22kJ(kg·℃)定压比热容=4.18kJ(kg·℃)
导热系数=0.41W(m·℃)导热系数=0.6078W(m·℃)
黏度=0.000715Pa·s黏度=0.000903Pa·s
2.2热负荷及传热面积的确定
2.2.1热流量
由《化工原理课程设计指导》查得
且换热器热损失以总热量的5%记可得
2.2.2平均传热温差
先按照纯逆流计算,由《食品工程原理》六十一页查得
2.2.3传热面积
(1)管程传热系数
由《食品工程原理》四十一页查得
(2)壳程传热系数
由《食品工程原理》四十页得
假设壳程的传热系数是
污垢热阻(℃)(℃)
管壁的导热系数(℃)
由《食品工程原理》查得
W(·℃)
考虑15%的面积裕度S=1.15×S′=1.15×60.44=69.506()
2.3换热器主要结构尺寸的确定
2.3.1管径和管内流速
选用φ25mm×2.5mm的不锈钢管,管内流速取=1.0ms。
2.3.2管程数和传热管数
冷却水用量
由任晓光《化工原理课程设计指导》二十页得:
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
==
按单管程计算,所需的传热管长度为:
L==
按单程管设计,传热管过长,宜采用多管程结构。
现取非标准传热管长=9m,则该换热器的管程数为:
N=(管程)
传热管总根数为:
N=
2.3.3平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
由《食品工程原理》六十一页查得
R=
P=
按单壳程,二管程结构,《食品工程原理》六十二页温度校正系数查表得:
=0.91
由《食品工程原理》公式2-59得:
平均传热温差=℃
2.3.4传热管排列和分程方法
采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。
由任晓光《化工原理课程设计指导》二十二页查得:
取管心距t=1.25(焊接法),则t=1.2525=31.25mm≈32(mm)
横过管束中心线的管数
2.3.5壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率=0.7,则壳体内径为:
D=1.05t=1.0532
圆整可取D=500mm
2.3.6折流板数
采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为:
),故可取h=150mm。
取折流板间距B=0.3D,则B=0.3500=150(mm),可取B为200mm。
折流板数N=-1=-1=44(块)
折流板圆缺面水平装配。
2.3.7接管
壳程流体进出口接管:
取接管内流速为u=1.0ms,则接管内径为:
取标准管径为140mm。
管程流体进出口接管:
取接管内流速为u=1.0ms,则接管内径为:
(m)
取标准管径为120mm
2.4换热器核算
2.4.1传热面积校核
(1)壳程
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