食品工程課程設(shè)計

1、 食品工程原理課程設(shè)計年處理量11.3萬噸煤油冷卻器的設(shè)計 院 系 食品科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) 食品科學(xué)與工程 班 級 學(xué) 號 學(xué) 生 姓 名 聯(lián) 系 方 式 #$%&*& 指 導(dǎo) 教 師 、 2012 年 12 月食品工程原理課程設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計題目：年處理量11.3萬噸煤油冷卻器的設(shè)計一、操作條件1. 煤油：入口溫度137 出口溫度40 2. 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水入口28，出口溫度403. 允許壓力降：不大于30kPa4. 年開工天數(shù)：330天；每天24h連續(xù)生產(chǎn)5. 定性溫度下煤油的物性數(shù)據(jù)：密度=825kg/m3，黏度=7.15×10-4Pa·s，比熱=

2、2.22kJ/（kg·），熱導(dǎo)率=0.14W（m·）二、設(shè)計任務(wù)1. 處 理 量：113×103t/年 2. 設(shè)備形式：列管式換熱器3. 選擇事宜的列管換熱器并進行核算4. 繪制工藝流程圖和設(shè)備結(jié)構(gòu)圖5. 輸送機械的設(shè)計： 輸送煤油的泵三、設(shè)計要求使用統(tǒng)一課程設(shè)計格式。主要項目及編排順序為： 設(shè)計說明書封面 (使用統(tǒng)一模板)；任務(wù)書；摘要；目錄；設(shè)計方案簡介；工藝過程計算及設(shè)備工藝尺寸的計算；輔助設(shè)備的計算及選型；附錄：工藝流程圖及設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；參考文獻設(shè)計評述；指導(dǎo)教師： 完成日期：2012年12月17日12月 28 日摘 要換熱器是許多工業(yè)生產(chǎn)部門的通用工藝設(shè)備

3、。該設(shè)計的換熱器用作冷卻器，設(shè)計中通過考慮操作條件及介質(zhì)的特性，選用浮頭式換熱器。該設(shè)備適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應(yīng)用較為普遍。設(shè)計過程中，通過對設(shè)計任務(wù)的分析，并參考各類資料進行工藝計算、強度計算，最后檢測該換熱器是否符合工藝要求。關(guān)鍵詞：換熱器；浮頭式換熱器；工藝計算；強度計算目 錄1引言12試算并初選換熱器類型22.1確定流體通入的空間22.1.1煤油通入空間22.1.2水通入空間22.2計算傳熱熱負荷Q22.2.1傳熱熱負荷22.2.2水的質(zhì)量流量W22.3確定定性溫度，選擇列管換熱器的型式33確定流體的物性數(shù)據(jù)34初選換熱器規(guī)格44.1計算平均傳熱溫差44.2選K值，估算

4、傳熱面積44.3初選換熱器型號45換熱器核算55.1核算流速及雷諾數(shù)55.1.1管程流速及雷諾數(shù)55.1.2殼程流速及雷諾數(shù)55.2核算傳熱系數(shù)65.2.1管程的對流傳熱系數(shù)65.2.2殼程的對流傳熱系數(shù)65.2.3污垢熱阻75.2.4總傳熱系數(shù)75.3計算所需傳熱面積75.3.1傳熱面積75.3.2面積裕度75.4計算阻力損失75.4.1管程阻力損失75.4.2殼程阻力損失86輸送煤油的泵的計算和選擇97設(shè)計結(jié)果概要10參考文獻12附錄13設(shè)計評述1414 年處理量為11.3萬噸煤油冷卻器的設(shè)計1引言換熱器是國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備，尤其是在石油、化工生產(chǎn)中應(yīng)用更為

5、廣泛。換熱器的類型很多，每種型式都有特定的應(yīng)用范圍，但是不同的場合需要的換熱器類型也不一樣，所以要根據(jù)具體情況具體分析換熱器的選用。選擇換熱器的主要因素有：1)熱負荷及流量大小2)流體的性質(zhì)3)溫度、壓力及允許壓強降的范圍4)對清洗、維修的要求5)設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、重量6)價格、使用安全性和壽命等。另外，針對不同的工藝條件及操作工況，我們有時使用特殊型式的換熱器或特殊的換熱管，以實現(xiàn)降低成本的目的。因此，應(yīng)綜合考慮工藝條件和機械設(shè)計的要求，正確選擇合適的換熱器型式來有效地減少工藝工程的能量消耗。換熱器在化工生產(chǎn)中通?？捎米骷訜崞?、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。換熱器的類型多樣，性能各異

6、，從早期發(fā)展起來的列管式換熱器到近年來不斷出現(xiàn)的新型、高效換熱設(shè)備，都各具特色。而早期的列管式換熱器是目前化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種換熱器，它結(jié)構(gòu)簡單，堅固，制造容易，材料廣泛，處理能力可以很大，適應(yīng)性強，尤其在高溫高壓下較其他型式換熱器更為適用。雖然，在傳熱效率、設(shè)備的緊湊型、單位面積的金屬消耗量等方面，還稍遜于各種板式換熱器，但目前仍為化工廠中主要的換熱設(shè)備。浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種，浮頭是其一端管板不與外殼連接并且可以沿官長方向浮動。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力，它的優(yōu)點還在于方便拆卸，清洗方便，對于管子和殼體間溫差大、

7、殼程介質(zhì)腐蝕性強、易結(jié)垢的情況很能適應(yīng)。其缺點在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、填塞式滑動面處在高壓時易泄露，這使其應(yīng)用受到限制，適用壓力為：1.0MPa6.4MPa。不過，因其使用于殼體不管束溫差較大及殼程流體容易結(jié)垢的場合的優(yōu)良性能，工業(yè)中廣泛應(yīng)用。本設(shè)計中，先對任務(wù)進行仔細分析，了解設(shè)計任務(wù)，然后開始著手進行設(shè)計。首先，根據(jù)兩流體的特性決定流體進入的空間，計算換熱器的傳熱熱負荷并確定兩流體的定性溫度，通過定性溫度的差值以及綜合最終確定換熱器的類型。其次，根據(jù)水的物理數(shù)據(jù)通過內(nèi)差法算出水的物性數(shù)據(jù)，給出兩流體的物性數(shù)據(jù)表。第三，我們計算兩流體的平均溫差，通過查表得出溫差校正系數(shù)于0.8相比較，當大于0.8的時

8、候即可確定流體的平均溫差。第四，選定K值，然后根據(jù)平均溫差估算出傳熱面積，根據(jù)估算的傳熱面積和FB系列標準，初選換熱器規(guī)格，確定主要參數(shù)。最后，根據(jù)選定換熱器的各參數(shù)分別核算管、殼程的流速、雷諾數(shù)、總傳熱系數(shù)、所需傳熱面積及面積裕度、壓力降等確定所選換熱器能否達到生產(chǎn)要求和工藝要求。如果和算出來的結(jié)果不符合要求，再次從選定K值開始，一步步計算，直到達到要求為止。換熱器選好后選煤油泵。對于泵的選擇，要注意幾點：1)流量Q 流量是指工藝裝置生產(chǎn)中，要求泵輸送的介質(zhì)量。選泵時，要求額定流量不小于裝置的最大流量，或取正常流量的1.11.15倍。2)揚程H 指工藝裝置所需的揚程值，也稱計算揚程。一般要求

9、泵的額定揚程為裝置所需揚程的1.051.1倍。3)效率 效率也是選泵時的一個重要對比條件。通過對泵效率的對比，從中選取效率最優(yōu)的型號泵，可以很大程度上改善經(jīng)濟效益。本設(shè)計中為了減少工作量，減輕了泵的設(shè)計量，設(shè)定泵的進出口有油泵并且都處為標準大氣壓，然后根據(jù)伯努利方程和煤油的體積流量計算出壓頭損失，然后設(shè)定兩液面差，計算出揚程，從而確定泵的型號。本人的認識不夠全面，在設(shè)計過程中可能還存在許多問題，望老師們給予批評和指正。2試算并初選換熱器類型2.1確定流體通入的空間2.1.1煤油通入空間煤油是被冷卻流體且黏度較大，選擇走殼程，可以增加冷卻效果，并且殼程內(nèi)裝有折流板，煤油走殼程可以在較低的雷諾數(shù)下

10、達到湍流，有利于提高殼程一側(cè)的對流傳熱系數(shù)。2.1.2水通入空間水是易結(jié)垢流體，因此應(yīng)走易于清洗的管程。2.2計算傳熱熱負荷Q2.2.1傳熱熱負荷在忽略換熱器熱損失的前提下，有Q=Wh cph（Th1Th2）=Wc cpc（Tc2Tc1）煤油的處理量、定壓比熱容已給出Wh=113×103 t/年= =3.963 kg·s-1cpc=2.22 kJ·（kg·）-1=2220 J·（kg·）-1 傳熱熱負荷Q=Wh cpc（Th1Th2）= =8.534×105 W2.2.2水的質(zhì)量流量W 水的定壓比熱容cpc=4.17 kJ&

11、#183;（kg·）-1=4170 J·（kg·）-1 水的質(zhì)量流量為 Wc=17.05 kg·s-12.3確定定性溫度，選擇列管換熱器的型式被冷卻流體為煤油：Th1=137 Th2=40 冷卻介質(zhì)流體水：Tc1=28 Tc2=40 取兩流體的定性溫度為各自的平均溫度，則有煤油的定性溫度：=88.5水的定性溫度： =34=88.5-34 =54.5 > 50 選用浮頭式換熱器3確定流體的物性數(shù)據(jù)根據(jù)水的物理性質(zhì)表1由內(nèi)差法計算水的物理數(shù)據(jù)如下：c =0.62 W·（m·）-1 kg·m-3 7.42 Pa·s

12、兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如表一所示。表一 兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)物性數(shù)據(jù)溫度T/密度/（kg·m-3）黏度/（Pa·s）熱導(dǎo)率/ W·（m·）-1比熱容Cp/kJ·（kg·）-1煤油88.58257.15×10-40.142220水34994.37.42×10-40.6241704初選換熱器規(guī)格4.1計算平均傳熱溫差暫定換熱器內(nèi)流向為逆流，計算逆流平均溫差煤油 137 40水 40 28 溫差 97 12暫按單殼程、偶數(shù)管數(shù)考慮，則有：在對數(shù)平均溫度校正系數(shù)圖2中，由R和P查得0.94>0.8故單殼

13、程、偶數(shù)管數(shù)可行。兩流體的平均溫差為 4.2選K值，估算傳熱面積為求得傳熱面積A，需先求出總傳熱系數(shù)K值，而K值又和對流傳熱系數(shù)、污垢熱阻等因素有關(guān)。在換熱器的直徑、流速、傳熱系數(shù)等參數(shù)未確定時，對流傳熱系數(shù)也無法計算，所以這能進行試算。參照管殼式換熱器中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值3，選取K=300 W·（m2·）-1，則估算面積為： =74.41 m24.3初選換熱器型號由于兩流體溫差較大以及便于清洗殼程污垢，并參考以上數(shù)據(jù)，初選F600-1.6-95型號浮頭式列管換熱器，參數(shù)如表二所示。表二 F600-1.6-95浮頭式列管換熱器的主要參數(shù)2項目參數(shù)項目參數(shù)外殼直徑/mm6

14、00管子長度/mm25×2.5公稱壓強/MPa1.6管長L/m6公稱面積/m295管數(shù)N208管程數(shù)/Np2管中心距t/mm32管子排列方式正方形錯列管程流通截面積/m20.03265殼程流通截面積/m20.044折流板間距/mm2005換熱器核算5.1核算流速及雷諾數(shù)5.1.1管程流速及雷諾數(shù)流通截面積： Ai=0.03265m2 管內(nèi)水的流速： =0.53 m·s-1雷諾數(shù)：5.1.2殼程流速及雷諾數(shù)流通截面積： 殼內(nèi)煤油流速：m·s-1當量直徑：（公式1）m雷諾數(shù)： 由以上核算看出，采用F600-1.6-95型換熱器，管程、殼程的流速和雷諾數(shù)是合適的。5.2

15、核算傳熱系數(shù)5.2.1管程的對流傳熱系數(shù)管程雷諾數(shù)：普朗特準數(shù)為：對流傳熱系數(shù)為：（公式2） =2846.83W·（m2·）-15.2.2殼程的對流傳熱系數(shù)殼程雷諾數(shù)： Re0 = 3426.92普朗特準數(shù)為：Pr因為殼程里的煤油時被冷卻流體，所以取，則對流傳熱系數(shù)為： Re0.55Pr1/32 =347.54 W·（m2·）-15.2.3污垢熱阻4取自來水污垢熱阻 Rsi=3.44 m2··W-1 煤油污垢熱阻 Rso=1.72 m2··W-15.2.4總傳熱系數(shù)管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =48 m2·

16、3;W-1 3 =251 W·（m2·）-15.3計算所需傳熱面積5.3.1傳熱面積由以上數(shù)據(jù)可以計算出所需傳熱面積 所選換熱器的實際傳熱面積5.3.2面積裕度面積裕度 （公式3）核算結(jié)果表明，換熱器的傳熱面積有10的裕度 ，故該換熱器能換成生產(chǎn)任務(wù)。5.4計算阻力損失5.4.1管程阻力損失 3其中，式中 直管阻力損失，Pa； 回彎的阻力損失，Pa； Ft 結(jié)垢校正系數(shù)，對于25mm×2.5mm的管子Ft=1.4； Ns 串聯(lián)的殼程數(shù)由可以計算摩擦系數(shù)得 將數(shù)據(jù)帶入得 =1674.6Pa =1674.6×1.4×4=9377.8Pa <0

17、.3MPa5.4.2殼程阻力損失 3其中，式中 流體橫過管束的壓力降，Pa； 流體通過折流擋板缺口的壓力降，Pa； F 管子排列方式對壓強降得校正系數(shù)，正方形45排列，F(xiàn)=0.4 殼程流體摩擦系數(shù)，當Re>500時， Ft 殼程壓力降的垢層校正系數(shù)，對液體Ft=1.15； NB折流擋板數(shù)； nc 水平管束在垂直列上的管數(shù)，管子按正方形排列時，有 Re0 = 3426.92>500， ，取Pa<0.3MPa流經(jīng)管程和殼程流體的壓力降均未超過0.3MPa。以上核算結(jié)果表明，選用F600-1.6-95型換熱器能符合工藝要求。6輸送煤油的泵的計算和選擇煤油流量 W =3.963kg&

18、#183;s kg·m-3 據(jù)伯努利方程 泵的入口與出口處的壓強都為標準大氣壓，泵入口與出口處設(shè)有油槽，即 設(shè)定兩液面差為 水頭損失 揚程 據(jù)泵的選用手冊，選擇泵的型號為IH-80-50-200A。57設(shè)計結(jié)果概要表三 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果參數(shù)管程殼程流體冷卻水煤油進/出口溫度/28/40137/40物性定性溫度/3488.5密度/( kg·m-3)994.3825定壓比熱容/kJ·（kg·）-14.172.22粘度/Pa·s7.42×10-47.15×10-4熱導(dǎo)率/W· (m2·)-10.62

19、0.14設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式列管式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm600臺數(shù)1管徑25×20管心距/mm32管長6000管子排列正方形45°斜列管數(shù)目/根208折流板數(shù)/個29傳熱面積m297.97折流板間距/mm200管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/ W·（m2·）-12486.833426.92污垢熱阻/ m2··W-10.0003440.000172壓力損失/ Pa9377.8893.16傳熱系數(shù)/W·（m2）-1251裕度/%10%表四 IH-80-50-200A型號泵的主要尺寸流量揚程m轉(zhuǎn)速r·min-1功率/kW效率必需汽蝕余量/m泵質(zhì)量kgm3·h-1L·s-1軸功率電動機功率22.76