食品工程原理課程設(shè)計(jì)

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：班級：年 月 日目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件.21、設(shè)計(jì)題目22、設(shè)計(jì)條件23、設(shè)計(jì)任務(wù)3二、設(shè)計(jì)意義 .3三、主要參數(shù)說明 .4四、設(shè)計(jì)方案簡介 .61、選擇換熱器的類型62、管程安排73、流向的選擇74、確定物性系數(shù)據(jù)7五、試算和初選換熱器的規(guī)格.81、熱流量82、冷卻水量83、計(jì)算兩流體的平均溫度差84、總傳熱系數(shù)8六、 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .81、計(jì)算傳熱面積82、管徑和管內(nèi)流速83、管程數(shù)和傳熱管數(shù)84、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)95、傳熱管排列和分程方法96、殼體內(nèi)徑97、折流板98、接管109、熱量核算1010、 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和

2、計(jì)算結(jié)果如下表：13七、參考文獻(xiàn) .14八、浮頭式換熱器裝配圖.14一、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)某生產(chǎn)過程中，需將6400kg/h 的牛奶從 140冷卻至 50，內(nèi)容冷卻介質(zhì)采用循環(huán)水，循環(huán)水入口溫度20，出口溫度為40。允許壓降不大于105Pa。試設(shè)計(jì)一臺列管式換熱器并進(jìn)行核算。牛奶定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密 度-31.103*10-4Pas ； 定 壓 比 熱 容1040kgm ； 黏 度2.11kJ/(kg) ；熱導(dǎo)率 0.14W/(m )完成年月日日期設(shè)計(jì)要求序設(shè)計(jì)內(nèi)容要求號1工藝計(jì)算熱量衡算，確定物性數(shù)據(jù)，計(jì)算換熱面積2結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)管徑、流

3、速、管程數(shù)、傳熱管數(shù)、殼徑、殼程數(shù)、計(jì)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 目錄，設(shè)計(jì)任務(wù)書，設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)果，參考資料明書等5其他設(shè)計(jì)的評述及有關(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）主要零部件編號及明細(xì)欄管口符號及管口表等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，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)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

4、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)

5、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T1- 熱流體的初始溫度，T 2- 熱流體的最終溫度，tt1-2-冷流體的初始溫度，冷流體的最終溫度，o - 牛奶的密度， kg/m3cp o -牛奶的定壓比熱容， kJ/(kg · )o - 牛奶的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m· )o - 牛奶的粘度， Pa·si - 冷鹽水的密度， kg/m3cp i - 冷鹽水的定壓比熱容，kJ/(kg · )i - 冷鹽水的導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m· )i - 冷鹽水的粘度， Pa

6、3;sQ - 熱流量， kWK - 總傳熱系數(shù)， W/(· )tm -進(jìn)行換熱的兩流體之間的平均溫度差，Wi -冷卻水用量， kg/sRe -雷諾準(zhǔn)數(shù)Pr -普蘭特準(zhǔn)數(shù)i - 管程傳熱系數(shù)， W/（·）0 - 殼程傳熱系數(shù)， W/（·）Rsi -冷鹽水污垢熱阻，·/W;Rso -牛奶污垢熱阻，· /W- 管壁的導(dǎo)熱系數(shù)， W/（·）ns -傳熱管數(shù)，（根）L - 傳熱管長度， mN P -換熱器管程數(shù)N - 傳熱管總根數(shù)- 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

7、， mmB - 折流板間距， mmN B - 折流板數(shù)d - 接管內(nèi)徑， mmde - 當(dāng)量直徑， muo - 殼程流體流速， m/su i - 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Pi - 管程壓降， PaP1 -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)P0 -殼程壓降， PaP'- 流體流經(jīng)管束的阻力，Pa1P2'-流體流過折流板缺口的阻力，Pa四、設(shè)計(jì)方案簡介換熱器是化工、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?；?/p>

8、生產(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） 140出口溫度50；冷流體（水）進(jìn)口溫度20 ，出口溫度 40 ，由兩流體的溫差來看，由于兩流體溫差（ 140+50）/2- （20+40）/2=55 <60 , 估計(jì)換熱器的管壁溫度和殼體壁溫度不會很大，但冬季操作時(shí)，進(jìn)口溫度會發(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

9、。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：對于一般氣體和水等低黏度流體，其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 殼程冷卻水的定性溫度為：t=（20+40）/2=30 牛奶在 90

10、下的有關(guān)物理數(shù)據(jù)如下：密度01040kg / m3定壓比熱容 cp2.11kJ /(kg 0C)0導(dǎo)熱系數(shù) 00.14 /(0C)粘度0 1.103 104Pa sWm循環(huán)冷卻水在 30下的物性數(shù)據(jù)：密度 i 995.7kg / m3定壓比熱容 c p 4.174kJ /(kg 0C )i導(dǎo)熱系數(shù)0.6171/(0)粘度4im Ci8.012 10 Pa sW五、試算和初選換熱器的規(guī)格1、熱流量2、冷卻水量3、計(jì)算兩流體的平均溫度差逆流時(shí)平均溫差為：4、總傳熱系數(shù)管程傳熱系數(shù)：殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)0800/(m2 0C)W污垢熱阻 Rm2 o CWRs0.000516m2oC / W

11、s 0.000172/io管壁的導(dǎo)熱系數(shù)45.4W /(m20C /W)六、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、計(jì)算傳熱面積考慮 15的面積裕度 S1.15s'=1.15 ×11.03=12.68 2、管徑和管內(nèi)流速選用25mm 2.5mm 傳熱管（碳管），取管內(nèi)流速 ui1.1m / 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)按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長度為按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多程管結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長l=9m。則該換熱器的管程數(shù)為：L13.5（管程）N p2l9則傳熱管的總根數(shù)為： N=12×2=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)

12、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，0.91。平均傳熱溫差t mtm'0.91 58.1452.19oC5、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 t=1.25d o =1.25×25=32（mm）各程相鄰管的管心距為44mm橫過管束中心線的管數(shù)nc1.1 N =1.1246（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

13、殼體內(nèi)徑的25，則切去的圓缺高度為 h0.25 ×325=81.25mm，故可取 h100mm。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 N Bl 0.119 0.1 1 59(塊）ho'0.15所以 hol0.190.1 =148.3mmN B1591折流板厚度取 5mm折流板圓缺面水平裝配。8、接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)牛奶流速為u2.0m/s ，則接管內(nèi)徑為圓整后的管徑38mm 2.5mm的冷拔無縫鋼管。實(shí)際牛奶進(jìn)出口管內(nèi)流速為管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)冷卻水流速u 1.1m/s ，則接管內(nèi)徑為wi /44.044=0.069

14、（m）d995.71.1u4圓整后為63mm 2mm9、熱量核算（1）殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可采用克恩公式，由于Re2000 ，所以當(dāng)量直徑，由正三角形排列得殼程流通截面積Soho D 1do =0.15 ×0.325 × 10.0250.011m2t0.032殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準(zhǔn)數(shù)粘度校正（2）管程對流體傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速uiwi /0.4044=1.08m/sSi995.70.00377Redi ui i0.021.08 995.7 =26843.6i0.0008012普蘭特準(zhǔn)數(shù) :i 0.023 0.6171 26843.60

15、.8 5.420.4 =4872.2W/?K 0.02(3) 傳熱系數(shù) K（4）傳熱面積 SSQ = 337.6 10310.60K tm 601.7 52.91該換熱器的實(shí)際傳熱面積Sp該換熱器的面積裕度為SpS=12.57 10.6018.6 H100S10.60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Pi =（P1P2 ） Ft Ns N pNs =1， N p =2，F(xiàn) t =1.4P1il u 2， P2u 2d 22由 Re=26843.6，傳熱管相對粗糙度 0.2/20=0.01 ，查莫狄圖得 i=0.04W/· , 流

16、速 u i =1.08m/si =995.7kg/m3 , 所以P19995.71.082=0.0410452.5(Pa )0.022Pi =(10452.5+1742.1 ）× 1.4 ×2=34144.9Pa<105Pa管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程壓力降Ns =1， Ft1.15Ft 為液態(tài)污垢修正系數(shù)流速流經(jīng)管束的阻力F=0.5n c =7，NB =59u 0 =qv6400 / 3600 10400.066 m/sh(D nc d o)148.3 10 3325 10 36 25 103P1'0.5 0.489 6 (59 1) 1040 0.06

17、62199.4（Pa）2流體流過折流板缺口的阻力B=0.15m ,D=0.325mP2'NB 3.52Buo259 (3.52 0.15)10400.066 2344.4( Pa) 總 阻 力 ：D20.3252P0 =1.15 ×1×（ 199.4+344.4 ）=625.4 （Pa） 105Pa殼程流動(dòng)阻力也比較適宜。10 、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果如下表：參數(shù)流率 kg/h進(jìn)/ 出口溫度 / 物 定性溫度/性密度 / （kg/m3）定 壓 比 熱 容 /kJ/（kg? o C ）粘度 / （Pa?s）熱導(dǎo)率（ W/m?k）普朗特?cái)?shù)設(shè)形式備結(jié)殼體內(nèi)徑 / 構(gòu)參管徑/ 數(shù)管程殼程14558.4640020/40140/503095995.710404.1742.118.012 ×10 41.103 ×10 40.61710.145.421.662浮頭式殼程數(shù)1325臺數(shù)1 25mm × 管心距 / 322.5mm管長/ 9000管子排列管數(shù)目/根24折流板數(shù) / 個(gè) 59傳熱面積 / 12.57折流板間距 /150管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速 / （m/s）1.080.066表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) /W/ （ ?k）4872.2897.9污垢熱阻 / （ ?k/W）0.0001720.000176阻力降 / MPa