化工原理課程設計換熱器的設計—水冷卻牛奶

1、換熱器的設計-水冷卻牛奶設計題目：換熱器的設計水冷卻牛奶設 計 者：班級 ：食品1001 姓名: 張紅梅 學號:20103248班級 ：食品1002 姓名: 王清 學號:20103277指導教師：李鳳設計成績：進度 說明書 圖紙 總分 日 期： 年 月 日西南科技大學 生命科學與工程學院目 錄一設計任務和設計條件41.1設計題目 4 1.2設計條件41.3設計任務4二設計方案簡介42. 設計原則42.1 換熱器類型的選擇5 2.2流徑的選擇 72.3設計流程圖 7三確定設計方案83.1.選擇換熱器的類型83.2.流體流入空間的選擇 93.3.流向的選擇 93.4.確定物性數(shù)據(jù) 9四計算總傳熱系

2、數(shù)104.1計算熱負荷104.2冷卻水的用量104.3平均溫差103. 4估算傳熱面積114.5初選換熱器規(guī)格11五、核算總傳熱系數(shù)115.1管側(cè)傳熱系數(shù)115.2殼側(cè)傳熱系數(shù)12 5.3污垢系數(shù)12 5.4總傳熱系數(shù)135.5面積裕度135.6管壁溫度13六、核算壓強降146.1管程壓強降：146.2殼程壓強降157、 輔助設備的計算及選型167.1管箱167.2封頭167.3旁路擋板167.4折流板177.5接管177.6導流筒187.7、放氣孔、排氣孔18八、設計結(jié)果一覽表18九 對設計的評述12十參考文獻21一設計任務和設計條件1.設計題目：水冷卻牛奶2.設計條件：(1)純牛奶 處理量

3、：70（6080范圍選）噸/小時、進口溫度：100、出口溫度：30、壓強降：管程 80kpa殼程 50kpa (2)冷卻水進口溫度：24、出口溫度：32。3.設計任務：(1)根據(jù)設計條件選擇合適的換熱器型號，并核算換熱面積、壓力降是否滿足要求，并設計管道與殼體的連接，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)編寫課程設計說明書。二、設計方案簡介換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換

4、的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。 間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。 直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。 蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體

5、接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是體積龐大且不能完全避免兩種流體的混合。 常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和u形管式等幾種類型 2.1 換熱器類型的選擇 根據(jù)列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點，主要分為以下四種。以下根據(jù)本次的設計要求，介紹幾種常見的列管式換熱器。 1.固定管板式換熱器固定管板換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，所以

6、殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當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。 2.u型管換熱器 u型管換熱器結(jié)構(gòu)特點是只有一塊管板，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，當殼體與u型環(huán)熱管由溫差時，不會產(chǎn)生溫差應力。u型管式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，只有一塊管板，密封面少，運行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點是管內(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，因而報廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右 3.浮頭式換熱器

7、浮頭式換熱器其結(jié)構(gòu)特點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。其缺點是結(jié)構(gòu)較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。 4.填料函式換熱器 填料函式換熱器其特點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力。填料函式換熱器的優(yōu)點是結(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

8、均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴不高，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。2.2流徑的選擇： 在具體設計時考慮到盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)傳熱系數(shù)接近；在運行溫度較高的換熱器中，應盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應盡量減少其冷量損失；管、殼程的決定應做到便于清洗除垢和修理，以保證運行的可靠性。 參考標準： (1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走便于清洗管子，浮頭式換熱器殼程便于清洗。 (2) 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。 (3) 壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓，其中冷卻介質(zhì)循環(huán)水操作壓

9、力高，宜走管程。 (4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。 (5) 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強冷卻效果。 (6) 需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。 (7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低re(re100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。 (8) 若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數(shù)較大的流體宜走殼程，因為壁溫接近傳熱膜系數(shù)較大的流體溫度，以減小管壁和殼壁的溫度差。2.3設計流程圖三確定設計方案3.

10、1.選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體（牛奶）進口溫度 100 出口溫度 30；冷流體（水）進口溫度 24，出口溫度為 32，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，因溫差較大，屬于高溫操作，因此選擇浮頭式換熱器。 3.2.流體流入空間的選擇 從兩物流的操作壓力，難易結(jié)垢來說，應使走牛奶管程，冷卻水走殼程，因為:不易清洗和易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。因為牛奶在高溫下容易結(jié)垢，所以應使牛奶走管程，冷卻水走殼程。 3.3.流向的選擇 冷、熱流體的進出口溫度相同時，逆流操作的平均推動力大于并流，因而傳遞同樣的熱流體，所需的傳熱面積較小。逆流操作時，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

11、。顯然在一般情況下,因工藝上無特殊要求，逆流操作有利于傳熱效果，所以選用逆流操作3.4.確定物性數(shù)據(jù) 牛奶的定性溫度： t= =65 水的定性溫度： t=28(表一)兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)牛奶在65度下的物性數(shù)據(jù) 水在28度下的物性數(shù)據(jù)密度=1030（kg/m)i=996.2（/）比熱容cp= 3.9 kj/（kg )cpi=4.176kj/（kg )黏度u=1.5(pa.s)ui=0.845210(pa.s)導熱系數(shù)=0.53w/(m.)i=0.614w/(m.)四計算總傳熱系數(shù)4.1計算熱負荷q=00=5308333(w)4.2冷卻水的用量wi=4.3平均溫差tm1=p=(t2-t1

12、)/(t1-t1)=1.05r=(t1-t2)/(t2-t1)=8.75由圖按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)得=0.88即平均溫差：4.4.計算傳熱面積 根據(jù)牛奶的粘度，傳熱系數(shù)k的大致范圍2，取k=530w,則估算傳熱面積： 4.5初選換熱器規(guī)格表2 換熱器的相關(guān)參數(shù)殼徑（mm）1200管子尺寸（mm）19x2公稱壓強(mpa)2.5管長(m)6公稱面積(）468.2管子總數(shù)n1348管程數(shù)（np）6管子排列方法正方形旋轉(zhuǎn)45中心排管數(shù)27管程流通面積（）0.0396實際傳熱面積：=ndl=13483.140.0196=482.5要求過程的總傳熱系數(shù)為k= w/(.)五、核算總傳熱系數(shù)5.1、管程的給熱

13、系數(shù)管程流通面積 m/s 因為 2300rei500 17.72ka50ka,殼程流體壓強降在允許范圍之內(nèi)。 綜上，管程殼程流體壓強降都在允許范圍之內(nèi)。七、輔助設備的計算及選型7.1管箱因為dn=1200mm900mm 之間，所以應選封頭管箱。7.2封頭因為dn400mm，所以采用圓形封頭。7.3旁路擋板因為dn=1200mm，在800mm1200mm 之間，所以旁路擋板數(shù)量選3 對。7.4折流板 采用缺25%的圓缺型折流板。nc=27取隔板間距b=450mm7.5、接管 程流體進出口接管：取接管內(nèi)牛奶流速u1=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)冷卻水流速u1=1.0m/s

14、，則接管內(nèi)徑為7.6、導流筒 殼程流體的進出口和管板間必須存在有一段流體不能流動的空間（死角），為了提高傳熱效果，常在管束外增設導流筒，使流體進出殼程時必然經(jīng)過這個空間。7.7、放氣孔、排氣孔 換熱器的殼體上常設有放氣孔、排氣孔，以排除不凝氣體和冷凝液等。 八、設計結(jié)果一覽表表 設計結(jié)果一覽表參數(shù)殼程管程流量/kg/h57200070000進/出口溫度/24/32100/30壓力/kpa5080物性定性溫度/2865密度/kg/996.21030定壓比熱容/ kj/(kg )4.1763.9粘度/（pas）0.84521.5熱導率（w/mk）0.6140.53普朗特數(shù)5.7511.04設備結(jié)構(gòu)

15、參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm1200臺數(shù)1管徑/mm管心距/mm25管長/mm6000管子排列正方形旋轉(zhuǎn)管目數(shù)/根1348折流板數(shù)/個12傳熱面積/468.2折流板間距/mm450管程數(shù)6材質(zhì)不銹鋼主要計算結(jié)果殼程管程流速/(m/s)1.4170.48表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/（6451.81304.13污垢熱阻/（.)0.0001720.000172熱流量/w5308333傳熱溫差/22.48傳熱系數(shù)/609.7裕度/%20.88%九 對設計的評述本次設計，我們通過在圖書館和網(wǎng)上查閱了大量的相關(guān)資料，保證了牛奶和水的參數(shù)的準確性，在設計換熱器時，通過大量的討論和計算，使設計的結(jié)果盡量完美，滿足工

16、業(yè)化的要求。同時通過這次設計,我們學會了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力；樹立了既考慮技術(shù)上的先進性與可行性，又考慮經(jīng)濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設計思想，在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力；培養(yǎng)了迅速準確的進行工程計算的能力；掌握如何更好的利用好數(shù)據(jù)，運用工程制圖，計算機這些學過的課程去設計，加強了我們的動手能力，綜合能力。在設計過程中，我們認真對待，全面思考和準備，盡自己最大的能力去做好這次的設計 這次是我們第一次做課程設計，難免有一些不足的地方，請老師批評指正。十 參考文獻乳與乳制品工藝學，張?zhí)m威主編，中國農(nóng)業(yè)出