食品工程原理課程設(shè)計(jì)-要點(diǎn)

1、食品工程原理課程設(shè)計(jì)說明書列管式換熱器的設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：年 月日目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件 31、設(shè)計(jì)題目 32、設(shè)計(jì)條件 33、設(shè)計(jì)任務(wù) 5二、設(shè)計(jì)意義 6三、主要參數(shù)說明 6四、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 91、選擇換熱器的類型 92、管程安排 93、流向白選擇 104、確定物卜t系數(shù)據(jù) 10五、試算和初選換熱器的規(guī)格 111、熱流量 112、冷卻水量 113、計(jì)算兩流體白平均溫度差 114、總傳熱系數(shù) 11六、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 121、計(jì)算傳熱面積 122、管徑和管內(nèi)流速 123、管程數(shù)和傳熱管數(shù) 124、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 135、傳熱管排列和分程方法 146、殼體內(nèi)徑 147、折流板 14

2、8、接管 159、熱量核算 1510、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果如下表： 20七、參考文獻(xiàn) 21八、浮頭式換熱器裝配圖 2215一、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件1、設(shè)計(jì)題目列管式換熱器設(shè)計(jì)2、設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容某生產(chǎn)過程中，需將6400kg/h的牛奶從140c冷卻至50c,冷卻介質(zhì)采用循環(huán)水，循環(huán)水入口溫度20c,出口溫度為40co允許壓降不大于105pa。試設(shè)一臺(tái)列管式換熱器并進(jìn) 行核算。牛奶定性溫度卜的物性數(shù)據(jù)：密 度1040kgm-3 ;黏 度1.103*10-4pas ;定壓 比熱容2.11kj/(kg c)；熱導(dǎo)率 0.14w/(m c)完成日期年月日設(shè)計(jì)要求序號(hào)設(shè)計(jì)內(nèi)容要求1工藝計(jì)算

3、熱量衡算，確定物性數(shù)據(jù)，計(jì)算換熱面積2結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)管徑、流速、管程數(shù)、傳熱管數(shù)、殼徑、殼程數(shù)、折流板數(shù)等3核算熱量核算、流動(dòng)阻力計(jì)算4編寫設(shè)計(jì)說明書目錄，設(shè)計(jì)任務(wù)書，設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)果，參考資料等5其他設(shè)計(jì)的評(píng)述及有關(guān)問題的分析和討論6圖紙a2主視圖（設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)形狀及主要零部件間的裝配連接關(guān)系）尺寸（表示設(shè)備的總體大小 規(guī)格 裝配 安裝等尺寸）主要零部件編號(hào)及明細(xì)欄管口符號(hào)及管口表等3、設(shè)計(jì)任務(wù)用循環(huán)水將牛奶冷卻(1)根據(jù)設(shè)計(jì)條件選擇合適的換熱器型號(hào)， 并核算換熱面積，壓 力降是否滿足要求，并設(shè)計(jì)管道與殼體的連接，管板與殼體的連接， 折流板等。(2)繪制列管式換熱器的裝配圖。(3)編寫課程設(shè)計(jì)

4、說明書。二、設(shè)計(jì)意義換熱器是各種工業(yè)部門最常見的通用熱工設(shè)備， 廣泛應(yīng)用于化工，能 源，機(jī)械，交通，制冷，空調(diào)及航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。換熱器不僅是 保證某些工藝流程和條件而廣泛使用的設(shè)備，也是開發(fā)利用工業(yè)二次 能源，實(shí)現(xiàn)余熱回收和節(jié)能的主要設(shè)備。在食品工業(yè)中的加熱，冷卻，蒸發(fā)和干燥等的單元操作中，經(jīng)常見到 食品物料與加熱或冷卻介質(zhì)間的熱交換。 各種換熱器的作用，工作原 理，結(jié)構(gòu)以及其中工作的流體類型，數(shù)量等差別很大，而換熱器的工 作性能的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)裝置或系統(tǒng)綜合性能的好壞，因此換熱 器的合理設(shè)計(jì)極其重要。目前國內(nèi)外在過程工業(yè)生產(chǎn)中所用的換熱器設(shè)備中， 管殼式換熱器仍 占主導(dǎo)地位，雖然它在

5、換熱效率，結(jié)構(gòu)緊湊性和金屬材料消耗等方面， 不如其他新型換熱設(shè)備，但她具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，操作彈性大，適應(yīng)性強(qiáng)， 可靠性高，選用范圍廣，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點(diǎn)，所 以在工程中仍得到廣泛應(yīng)用。三、主要參數(shù)說明ti-熱流體的初始溫度，ct2-熱流體的最終溫度，c t 1冷流體的初始溫度，ct 2冷流體的最終溫度，cpo-牛奶的密度，kg/m3cpo-牛奶的定壓比熱容，kj/(kg c)ko-牛奶的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m c)n。-牛奶的粘度，pa-se-冷鹽水的密度，kg/m3cpi -冷鹽水的定壓比熱容，kj/(kg c)加-冷鹽水的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(mv c)ri-冷鹽水的粘度，pasq-熱流

6、量，kwk-總傳熱系數(shù)，w/( m2 - c )&tm-進(jìn)行換熱的兩流體之間的平均溫度差，cw-.冷卻水用量，kg/sre-雷諾準(zhǔn)數(shù)p-普蘭特準(zhǔn)數(shù)%-管程傳熱系數(shù)，w/(m2c)以。-殼程傳熱系數(shù)，w/ (nf c)&-冷鹽水污垢熱阻，nf c /w;rs0-牛奶污垢熱阻，itf c /w人-管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(!tf c)ns-傳熱管數(shù)，(根)l-傳熱管長(zhǎng)度，mnp-換熱器管程數(shù)n-傳熱管總根數(shù)中-溫度校正系數(shù)nc-橫過管束中心線的管數(shù)t-管心品巨，mmd-殼體內(nèi)徑，mmh-弓形折流板圓缺高度，mmb-折流板間距，mmnb-折流板數(shù)d -接管內(nèi)徑，mmde-當(dāng)量直徑，muo-殼程流體流速，

7、m/sui -管程流體流速，m/ss-傳熱面積，m2sp-換熱器實(shí)際傳熱面積，m2h -換熱器面積裕度工甌-管程壓降，par-管內(nèi)摩擦壓降，pap2-_管程的回彎壓降，pans-殼程串聯(lián)數(shù)ft-管程壓降的結(jié)垢修正系數(shù) 工詠-殼程壓降，pap-流體流經(jīng)管束的阻力，papa良-流體流過折流板缺口的阻力,四、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備， 在生產(chǎn) 中占有重要地位?；どa(chǎn)中，換熱器可作為加熱器、冷卻 器、冷凝器、蒸發(fā)器 和再沸器等，應(yīng)用甚為廣泛。1、選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體（牛奶）140c出口溫度50c; 冷流體（水）進(jìn)口溫度20c,出口溫

8、度40c,由兩流體的溫差來看， 由于兩流體溫差（140+50） /2- （20+40） /2=55 c60c,估計(jì)換熱器 的管壁溫度和殼體壁溫度不會(huì)很大， 但冬季操作時(shí)，進(jìn)口溫度會(huì)發(fā)生 變化，考慮到該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度 會(huì)降低，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差增大，同時(shí)便于污垢清洗。因此初步確定選用浮頭式換熱器。2、管程安排從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使牛奶走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。 所設(shè)計(jì)換熱器用于冷卻牛奶，牛奶粘度較大，易結(jié)垢，易腐蝕管 道，所以選用浮頭式換熱器，浮頭便于拆卸、清洗。綜上所述，換熱器選擇浮頭式，牛奶走殼程，循環(huán)冷卻水走管程。3、流向的選擇當(dāng)冷，熱

9、流體的進(jìn)出口溫度相同時(shí)，逆流操作的平均推動(dòng)力大 于并流，因而傳遞同樣的熱流體，所需要的傳熱面積較小。逆流 操作時(shí)，冷卻介質(zhì)溫升可選擇得較大因而冷卻介質(zhì)用量可以較小。 顯然在一般情況下，逆流操作總是優(yōu)于并流。4、確定物性系數(shù)據(jù)定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，具定性溫度可取 流體進(jìn)出口溫度的平均值。管層牛奶的定性溫度為：t=(140+50) /2=95 c殼程冷卻水的定性溫度為：t=(20+40) /2=30 c牛奶在90 c下的有關(guān)物理數(shù)據(jù)如下：密度 自=1040kg/m3定壓比熱容 cp =2.11kj/(kg 0c)導(dǎo)熱系數(shù) % =0.14w/(m0c)粘度 為=1.103m10“p

10、a s循環(huán)冷卻水在30c下的物性數(shù)據(jù)：密度 p = 995.7kg/m3定壓比熱容 cr = 4.174kj/(kg 0c)導(dǎo)熱系數(shù) 匕=0.6171w/(mc)粘度 =8.012m10pa s五、試算和初選換熱器的規(guī)格1、熱流量qo =wcp0 n0 =6400/3600 2.11 (140-50) =337.6(kw)2、冷卻水量cp.ei337.64.174 20= 4.04kg/s)3、計(jì)算兩流體的平均溫度差逆流時(shí)平均溫差為:tm =ln- ：t2三力2(140-40)-(50-20),140-40ln50-20= 58.14(00)4、總傳熱系數(shù)管程傳熱系數(shù):re0.02 1.5 9

11、95.78.012 10二 37282.83di ui r k i二。.023 器 37282.830.833s 044.174父103m8.012父100.6171j20_-6336.3w/(m c)殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù):-0 =800w/(m20c)污垢熱阻 rsi = 0.000172m2 oc/wrso = 0.000516m2 oc/w管壁的導(dǎo)熱系數(shù) =45.4w/(m2 0c/w)kf_ do bdo _1+ rs. o + o +r +1 didm o :o0.0256336.3 0.0200.0001720.025 0.0025 0.0250.020 45.4 0.0

12、2250.00017618002 0= 526.5w/(m2 0c)六、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、計(jì)算傳熱面積qs =一k tm3-2=11.03m337.6 10526.5 58.14考慮 15%的面積裕度 s=1.15ms=1.15 x 11.03=12.68 m22、管徑和管內(nèi)流速選用中25mm黑2.5mm傳熱管（碳管），取管內(nèi)流速ui=1.1m/s3、管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑流速確定單程傳熱管數(shù)v 4.044/995.7ns =2=11.75 =12(根)7： ,20.785 0.022 1.1di u4按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為l =s =128 =13.5（m）二d0ns 3.1

13、4 0.025 12按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多程管結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=9m。則該換熱器的管程數(shù)為：np=l=z2 （管程）p l 9則傳熱管的總根數(shù)為：n=12x 2=24 （根）4、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳播換熱溫差校正系數(shù)r=t1:t22140-50.4.540-20= 0.167p七 - 340-20140-20按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫度校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表，但 r=4.5的 點(diǎn)在圖上難以讀出，因而相應(yīng)的以1/r代替r pr代替p,查同一圖 線，力=0.91。平均傳熱溫差，tm = jtm=0.91 58.14 =52.19c5、傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程

14、內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距 t=1.25d o=1.25 x25=32 （mm各程相鄰管的管心距為44mm橫過管束中心線的管數(shù)nc =1.kn =1.1扃定6 （根）6、殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取b = 25mm,則殼體內(nèi)徑為d=tnc-1 2b= 32 （6-1） 2 25 = 210mm圓整可取d=325mm7、折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺高度為 h = 0.25 x325=81.25mm 故可取h= 100mm折流板與殼體之間的間隙為2.0mm初取折流板的間距ho = 150mm則 nb =匕01-1 =01-1 定

15、 59（塊）所以ho =l -0.1nb 1ho0.159-0.1=148.3mm59 1折流板厚度取5mm 折流板圓缺面水平裝配。則接管內(nèi)徑8、接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)牛奶流速為u=2.0m/s ,為d= 4v = 4 640伙3600 1040.1) =0.033(m).二u,3.14 2.0圓整后的管徑638mm父2.5mm的冷拔無縫鋼管。實(shí)際牛奶進(jìn)出口管內(nèi)流速為u1矍. d14 64001040 3600 3.14 0.0382=1.51(m/s)管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)冷卻水流速u =1.1m/s ,為則接管內(nèi)徑4 4.044，995.7 二 1.1=0.069 (m圓整

16、后為:63mm 2mm9、熱量核算(1)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形折流板，可采用克恩公式，由于 r 2000,所以0.55 、；0 =0.36一 reprde0.14n 1當(dāng)量直徑,由正三角形排列得4220.0322 - 0.025243.14 0.025=0.020m殼程流通截面積so =hd 1do =0.15 x 0.325 x 1 t j0.4 di管程流通截面積八二 2s =d：n/np二2一 0.022 24/2 =0.003774管程流體流速uiwi / ：st0.4044995.7 0.00377=1.08m/sre =0.02 1.08 995.70.0008012=26843

17、.624普蘭特準(zhǔn)數(shù):cpi 94174 0.0008012 廣ft = = = 5.42i i0.6171：i =0.023 0171 26843.60.8 5.420.4 =48 72.2w/m2 1k 0.02(3)傳熱系數(shù)k1d rd- -bdo- r 。 idi、didm 二 o0.0254872.2 0.020897.90.025 0.0025 0.025(4)傳熱面積s= 10.60 m2s- q = 337.6 103k.stm601.7 52.91該換熱器的實(shí)際傳熱面積sp2sp =.：n -np 二do l -0.1)=3.14 0.025 (9-0.1) (24-6) =1

18、2.57m2該換熱器的面積裕度為 小專機(jī)0%：!25% 該傳熱面積的裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)(5)換熱器管程和殼程壓力降管程流壓力降 蛆= ( % +甌2)ft ns n pns = 1, np=2, ft=1.4p1 =-l ：u2p2 = -u-2o.l u.w n ok 0.0711.061).05ijii-l.u002o.uooio.cwooso.ijogod 2 fo一 .二度 ini星準(zhǔn)il湍微(j.-iiud0d5tw? 痼配貨ij-1d.0130.010.00605cld25用數(shù)用武0 0040.0020.001 o.ooob由re=26843.6,傳熱管相對(duì)粗糙度0

19、.2/20=0.01 ,所以查莫狄圖得加=0.04w/m2 c,流速 ui =1.08m/s p i=995.7kg/m3,9995.7 1.c82r =c.c4c.c2 2=10452.5(pa)22u c 995.7 1.08-p2 = = 3 22=1742.1(pa)z api =(10452.5+1742.1 )x 1.4 x2=34144.9pa1c5 pa管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程壓力降%.r =(.：r：p2)ftnsns = 1, ft =1.15ft為液態(tài)污垢修正系數(shù)流速流經(jīng)管束的阻力r =ff0%(nb 1)手f=0.5fc =5.0 re 0228 =5 2684

20、3.6.228 = 0.489 eon0=7, nb=59u0 =qvh(d - ncd o)6400/ 3600 1040148.3 104 325 10，-6 25 10工= 0.066 m/sp =0.5 0.489 6 (59 1)21040 0.0662= 199.4 (pa)流體流過折流板缺口的阻力2h、pu：p2 =nb(3.5-)b=0.15m ,d=0.325m2b ：u。2 0.151040 0.0662pp2 n nb 3.5= 344.4(pa)一-=59 (3.5 )d 20.3252阻力：ap=1.15x1 x (199.4+344.4 ) =625.4 (pa) 105pa殼程流動(dòng)阻力也比較適宜10、