環(huán)境工程原理課程設計2

1、環(huán)境工程原理課程設計說明書列管式換熱器在牛奶冷卻過程中的設計目錄一、緒論1、換熱器的設計意義與重要性2、滅菌牛奶冷卻換熱器計算過程中的主要參數(shù)說明二、換熱器的原理1 、列管式換熱器的設計原理2 、列管式換熱器的設計任務三、設計計算1 、確定設計方案2 、確定物性數(shù)據(jù)3 、計算總傳熱系數(shù)4 、計算傳熱面積5 、工藝結構尺寸6、換熱器核算（ 1）熱量核算（ 2）換熱器內(nèi)流體的流動阻力（ 3）換熱器主要結構尺寸和計算結果總表四、參考文獻一、緒論1、換熱器的設計意義及其重要性。換熱器是各種工業(yè)部門最常見的通用熱工設備，廣泛應用于化工，能源，機 械，交通，制冷，空調(diào)及航空航天等各個領域。換熱器不僅是保證

2、某些工藝流程 和條件而廣泛使用的設備，也是開發(fā)利用工業(yè)二次能源，實現(xiàn)余熱回收和節(jié)能的 主要設備。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，結構以及其中 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 裝置或系統(tǒng)綜合性能的好壞，因此換熱器的合理設計極其重要。目前國內(nèi)外在過程工業(yè)生產(chǎn)中所用的換熱器設備中，列管式換熱器仍占主導地位，雖然它在換熱效率，結構緊湊性和金屬材料消耗等方面， 不如其他新型換 熱設備，但她具有結構堅固，操作彈性大，適應性強，可靠性高，選用范圍廣， 處理能力大，能承受高溫

3、和高壓等特點，所以在工程中仍得到廣泛應用。2、滅菌牛奶冷卻換熱器計算過程中的主要參數(shù)說明T-牛奶的定性溫度，Ct- 冷鹽水的定性溫度，CP -牛奶的密度，kg/m3C-牛奶的定壓比熱容，kJ/(kg C )。-牛奶的導熱系數(shù)， W/(mC)口口-牛奶的粘度，Pa-sP；-冷鹽水的密度，kg/m3C冷鹽水的定壓比熱容，kJ/(kg C)%-冷鹽水的導熱系數(shù)，W/(m ' C )l1-冷鹽水的粘度，PasQ-熱流量，kWK-總傳熱系數(shù)，W/(nf C )tm-進行換熱的兩流體之間的平均溫度差，CWi冷卻水用量，kg/sRe-雷諾準數(shù)P-普蘭特準數(shù)% -管程傳熱系數(shù)，W/ (Itf C)a

4、0殼程傳熱系數(shù)，W/Rsi -冷鹽水污垢熱阻，褶 c /W;Ro-牛奶污垢熱阻，褶 c /W九-管壁的導熱系數(shù)，W/ (itf . C)ns-傳熱管數(shù)，(根)L -傳熱管長度，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-管心距，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-當量直徑，muo-殼程流體流速，m/sUi -管程流體流速，m/sS-傳熱面積，m2Sp-換熱器實際傳熱面積，m2H -換熱器面積裕度P國-管程壓降，PaAR-管內(nèi)摩擦壓降，Pa P2 -管程的回彎壓降，PaNs-殼程

5、串聯(lián)數(shù)Ft-管程壓降的結垢修正系數(shù)£任0-殼程壓降，PaP-流體流經(jīng)管束的阻力，Pa'P2-流體流過折流板缺口的阻力，Pa二、換熱器的設計原理1、列管式換熱器的設計原理列管式換熱器主要由殼體、管束、管板和封頭等部分組成，殼體內(nèi)部裝有平 行管束，管束兩端固定在管板上。一種流體在管內(nèi)流動，另一種流體則在殼體內(nèi) 流動。殼內(nèi)往往按照一定數(shù)目設置與管束垂直的折流擋板，不僅防止短路、增加流體流速，而且可以迫使流體按照規(guī)定的路徑多次錯流經(jīng)過管束，使湍動的程度 大大提高，實現(xiàn)換熱器的換熱。2、列管式換熱器的設計任務在滅菌后牛奶的冷卻過程中，牛奶由 70 C降至25 C,牛奶流量為12480

6、kg/ h ,壓力為0.7 MPa。該過程采用濃度很稀的冷鹽水冷卻（因此冷鹽水的 相關物性數(shù)據(jù)可參考水的物性數(shù)據(jù)）。冷鹽水入口溫度為10 C ,出口溫度 20 C o試設計一臺列管式換熱器完成該生產(chǎn)任務。三、設計計算1、確定設計方案(1)、選擇換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度70 C,出口溫度25 C；冷流體(冷鹽 水)進口溫度10C,出口溫度20Co考慮到該換熱器的管壁溫和殼體壁溫相差較 大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)固定的管板式換熱器。(2)、流動空間及流速的確定由于冷鹽水較易結垢，為便于清洗，另外，粘度大的流體(牛奶)宜于通入 管問空間，所以應使冷鹽水走管程，牛奶走殼程。選用0

7、25X2.5 mm的碳鋼管管內(nèi)流速取U=1.1m/s。2、確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進出口溫度的平均值。管程冷鹽水的定性溫度為10 + 20211殼程牛奶的定性溫度為70 + 25=475©根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù) 牛奶在47.5 C下的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度二二1030 kg/m3定壓比熱容Cp(j=3.770 kJ/(kg C )導熱系數(shù)入產(chǎn)0.61 W/(m C )粘度V o=0.002128 Pa - s冷鹽水在15c下的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度=999.1 kg/m 3定壓比熱容產(chǎn)4.189kJ/(kgC)導熱系數(shù)1 =0.5894 W/(m C

8、)粘度=0.00113376 Pa s3、計算總傳熱系數(shù)(1)、熱流量叱' % ; 12480 X 377 X i；70 - 25) = 2117 X 106k|/h = 5881聊(2)、平均傳熱溫差g - At2 (70 - 20)-(25 -10)IniAt2In70-20=29.lt25-10(3)、冷卻冷鹽水用量2.117 X 10sWL =%用 4189 X (20 - 10)=50537kg/h(4)、總傳熱系數(shù)管程傳熱系數(shù)= 0.02 X 1.1 X 999.10.0011376Re =' = 19322ClO.023' Re03- 140.589372

9、 /4189 X 0.0011376Q. = 0.023 xx 1932泮 X 10.020,5894=4197BW/(m2*k)殼程傳熱系數(shù)假設殼程的傳熱系數(shù) 二 .二：.-污垢熱阻R/。岫%北川管壁導熱系數(shù)=45W/(m-3C)T777r«m濾 電箕牖$1-1MO17：D.M 45XD.D2Z5D.C2S4、計算傳熱面積 Qo 588.1 X IO3 ,S =27.8m2KAt '727 X 29.1考慮20%勺面積裕度S = 1.20 - S = 1,20 X 27.8 = 33.36m25、工藝結構尺寸(1)、管徑和管內(nèi)流速選用025 X 25mm傳熱管(碳鋼)。管內(nèi)

10、流速取4=i1m/s。(2)、管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)。50537/(3600X 999.1)0 785 X 0.022 X L1按單程管計算，所需傳熱管長度為=40.7 弋 41 根3336L =10.4mdonB 3.14 X 0.025 X 45按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構?，F(xiàn)取傳熱管長l=6m。則該換熱器管程數(shù)為L 10.4光2管程傳熱管總根數(shù)為N=41X2=82ft(3)、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)70-2520-104.50,167& 20 - 10To t 070 10按單殼程、兩管程結構，溫差校正系數(shù)應查有關圖

11、表可得：-一 I平均換熱溫差%4針%=2m09”26 優(yōu)(4)、傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(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 - - - .一橫過管束中心線的管數(shù)曠廿9而二119 X收二乩泮11位(5)、殼體內(nèi)徑采用多管程結構。取管板利用率11=0,7,則殼體內(nèi)徑為D=1.05 廁=1Q5X 32 廝=363Jmm圓整可取D= 400mm (6)、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=025 X 400=100mm，故可取h=ioomm取折流板間距B=0.3D=03 X400=120mm°故可取B=i50

12、mm折流板數(shù)(傲帽長000 .麻麻一力島7”演折流板圓缺面水平裝配。、接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)牛奶流速為2.0m/s,則接管內(nèi)徑為4X124SD.-1 ： 3 600X1030;3.14X2.Q-0.046m取標準管徑為50mm管程流體進出口接管：取接管內(nèi)冷鹽水流速為1.5m/s,則接管內(nèi)徑為4-5口33710600X999*1:'3.14X1,B-0.109m取標準管徑為100mm6、換熱器核算(1)、熱量核算 、殼程傳熱系數(shù)對圓缺形折流板可采用科恩公式當量直徑，由正三角形排列得殼程流通截面積4 yX0.0322 -0.785 X 0.0252 -=0.020m3.14 X

13、0025（。,025=0.15 X 040 X 1= 0.01313mI 0.0327殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為124803020030 = 02 56m/s00.01313f0.002128d0u0 P 0 0.020 X 0256 X 1030 - = 2478普蘭特準數(shù)3770 X 0.002128 =13.150.61粘度校正X 2478gsX 13153 = 1907W/(m2T)0.616 門=036 X00.02、管程對流傳熱系數(shù)X.Q i = 0.023 X 2 X Re0 s X Pra+4管程流通截面積8"?& = 0735 X 0,02a X= 0.01

14、29m12管程流體流速50614/(3600 X 999.09)0.0129=1.089m/sRe.=d=u= P = 0.02 X 1,09 X 999.091 = 191280.0011376普蘭特準數(shù)41836 X 0,0011376 =B.0850.589370.5894% = 0.023 X0.02X 1912808 X &085cH = 4164D,0：4$ XHD22S、傳熱系數(shù)K0.D2S 。的 也即年BKT 7 WD廠: X*一：£»2012、傳熱面積S=28.35m2Q _ 5BB.1 X 103KAtm - 702.9 X 26.5該換熱器實際

15、傳熱面積SpSp =兀d0L（N - nJ = 3A4X 0.025 X（6- 0.06） X（82-ll）= 33.11m2該換熱器面積裕度為Sp-S33.11- 2835H =X 100% = 16.8%S28.35換熱器的面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(2)、換熱器內(nèi)流體的流動阻力 、管程流動阻力APL =（AI + AP:）FtNsNpNS=1, N p=2,=1.4I P u2 d 2P u2由Re=19128傳熱管相對粗糙度為-=0.01,查莫狄圖得M = 0Q44W/m*1C ,流速 U= 1.089m/s p = 999.lkg/n?所以6999.1 X 1.0892L

16、044 X - X= 7820Pa0.022P uz 999.1 X 1.0892=3 X= 1780.5Pa222AR =（7820- 1780.5）X L4X 1.089X2 = 2688L4Pa< 3.5X 104Pa故管程流速阻力在允許范圍內(nèi)、殼程阻力£4=（阿 +媽, ）FtNsFt = L15 Ne = 1流體流經(jīng)管束的阻力02%=Ffonc（NB+l）F = 0.5名=5 X ReQ_018 = 5 X 2478"a22S = 0.84164=IL 1|=39）限懦6m/sj1030 X 0.2562AP = 05 X 0B416 X 11 X（39 +

17、 1） X= 6249.1 Pa流體流過折流板缺口時的阻力/2B PuQ24=%（3.5_8）,芋APq = (6249.1 + 3619.8) X 1.1S Xl= 11349.2Pa < > X 104Pa殼程流體阻力也比較適宜(3)、換熱器主要結構尺寸和計算結果如下表:換熱管型氏：固定管板式換熱面積：33.11m2工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱冷鹽水牛奶操作壓力，MPa0.70.7操作溫度，°C10/2070/25流里,kg/h5053712480流體密度，kg/ m3999.11030流速，m/s1.0890.256傳熱量，KW588.1總傳熱系數(shù)，W/ m2°C782.9對流傳熱系數(shù)，W/ m2 °C1141641907污垢系數(shù)，m2o -C /w0.0001720.000176阻力降，MPa0.026880.01135程數(shù)21推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格 25M 2.5mm管婁m mm82管長，mm6000管間距，mm32排列方式正三角形折流板形式上下折流板間距，mm150折流板切口局度25%殼體內(nèi)徑，mm400面積裕度16.8%四、參考文獻1 .賈紹義、柴誠敬.化工原理課程設計.天津：天津出版社，20022 .李功樣等.常用化學單元