日產(chǎn)50T冷卻牛奶換熱器設(shè)計

...wd......wd......wd...設(shè)計題目：日產(chǎn)50t冷卻牛奶換熱器設(shè)計英文題目：Nissan50tcoolingmilkHeatExchangerDesign學(xué)生姓名：班級：學(xué)號：專業(yè)：食品科學(xué)與工程2012-9-30目錄一、設(shè)計任務(wù)書……………3二、概述與設(shè)計方案簡介…………………5三、設(shè)計條件及主要物性參數(shù)表…………7四、工藝設(shè)計計算…………9五、輔助設(shè)備的計算及選型………………22六、設(shè)計結(jié)果匯總表………23七、設(shè)計評述………………24八、參考資料………………25九、主要符號說明…………25一、設(shè)計任務(wù)書1.1課程設(shè)計題目：日產(chǎn)50t冷卻牛奶換熱器設(shè)計1.2設(shè)計任務(wù)與操作要求1.2.1處理能力牛奶產(chǎn)量：50t/d1.2.2設(shè)備形式列管式換熱器1.2.3操作條件牛奶：入口溫度76℃出口溫度20℃冷卻介質(zhì)：稀鹽水入口溫度10℃出口溫度17℃牛奶定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：物性密度ρo〔kg/m3〕比熱容Cpo(kJ/(kg·K))粘度μo(Pa·s)導(dǎo)熱系數(shù)λo(W/(m2·K))牛奶10353.7650.00210.691.3設(shè)計標準與要求試設(shè)計一臺適宜的列管式換熱器完成該生產(chǎn)任務(wù)1.4工作方案1、設(shè)計方案的選定，下達設(shè)計任務(wù)書〔2天〕流程生產(chǎn)條件、設(shè)備型式的選定和論述說明，繪制示意工藝流程圖。2、工藝設(shè)計和計算〔3天〕根據(jù)選定的方案和規(guī)定的任務(wù)進展物料衡算，熱量衡算，主體設(shè)備工藝尺寸計算，附屬設(shè)備的選型計算和簡單的機械設(shè)計計算，匯總工藝計算結(jié)果。3、輔助設(shè)備的選型〔1天〕典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計算，設(shè)備的規(guī)格、型號的選定。4、工藝流程圖〔1天〕以單線圖的形式繪制，主體設(shè)備與輔助設(shè)備的物料方向、物流量、能流量，主要測量點。5、主要設(shè)備的工藝條件圖〔1天〕圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接收表。6、設(shè)計說明書的編制〔1天〕設(shè)計任務(wù)書，目錄、前言、設(shè)計方案的選擇和論述，工藝設(shè)計和計算，工藝流程示意圖，電算程序及符號說明，設(shè)計結(jié)果匯總，設(shè)計結(jié)果的自我總結(jié)評價和參考資料等。7、繪制主體設(shè)備的簡裝圖或帶控制點的流程圖〔1天〕1.5設(shè)計成果要求1.5.1通過查閱資料、設(shè)計計算等最終提供課程設(shè)計說明書〔論文〕電子稿及打印稿1份，并附簡單的設(shè)備草圖1.5.2〔1〕封面〔2〕目錄〔3〕課程設(shè)計任務(wù)書〔4〕課程設(shè)計說明書〔論文〕〔5〕參考文獻〔6〕課程設(shè)計圖紙〔兩張〕二、概述與設(shè)計方案簡介2.1概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器,簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體,一種流體溫度較高,放出熱量;另一種流體則溫度較低,吸收熱量。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設(shè)備,并占有十分重要的地位?；旌鲜綋Q熱氣主要用于氣體的冷凝，并且是在允許冷熱流體混合的條件下才能使用，不能用于牛奶冷卻，蓄熱式換熱器利用固體填充物來蓄積或釋放能量到達換熱目的，體積龐大，不能完全防止兩種流體的混合。因此，在本次設(shè)計中，殺菌后牛奶的冷卻采用列管換熱器，它的優(yōu)點有：單位體積所具備的傳熱面積較大，傳熱效果較好，構(gòu)造較簡單，制造用的材料廣泛、易于獲得。列管式換熱器有以下幾種： 1、固定管板式兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個補償圈。殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。

特點：構(gòu)造簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是干凈不易結(jié)垢的物料。 2、U形管式每根管子均彎成U形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。

特點：構(gòu)造簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是干凈和不易結(jié)垢的物料。3、浮頭式兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。

特點：構(gòu)造復(fù)雜、造價高，便于清洗和檢修，消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。4、填料函式換熱器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(yīng)力。構(gòu)造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。清洗，維修方便。但密封性能差，對于易燃、易爆、有毒和貴重的介質(zhì)不適用，殼程流體壓力不宜過高2.2工藝流程簡述稀鹽水易結(jié)垢，為便于清洗，應(yīng)該走管程，牛奶為粘度較大的流體走殼程。冷卻稀鹽水與牛奶在設(shè)計的換熱器中進展熱交換，牛奶由初溫140℃降溫至76℃，再由76℃冷卻到20℃。冷卻稀鹽水由初溫10℃升溫至17℃。2.3設(shè)計標準〔1〕JB1145-73《列管式固定管板熱交換器》；〔2〕中華人民共和國國家標準.GB151-89《鋼制管殼式換熱器》.國家技術(shù)監(jiān)視局發(fā)布，1989；〔3〕JBT4715-1992《固定管板式換熱器型式與根本參數(shù)》〔4〕中華人民共和國國家標準GB16749-1997《壓力容器波形膨脹節(jié)》〔5〕HGT20701.8-2000《容器、換熱器專業(yè)設(shè)備簡圖設(shè)計規(guī)定》三、設(shè)計條件及主要物性參數(shù)表3.1確定設(shè)計方案3.1.1選擇換熱器類型牛奶冷卻用很稀的鹽水，牛奶由140℃冷卻到76℃，再由76℃冷卻到20℃。管子和殼體會產(chǎn)生很大的溫差壓力，所以應(yīng)選擇具有溫差補償?shù)膿Q熱器，最常用的是浮頭式和U型管式。由于U型換熱器，管子有彎曲半徑，管間距增大，管板利用率較低，并且殼程內(nèi)流體流動不均勻，影響傳熱，拆洗更換不容易，所以選用浮頭式換熱器。3.1.2材質(zhì)選擇及流速確實定循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，循環(huán)冷卻鹽水的推薦流速大于牛奶的推薦流速，應(yīng)選擇循環(huán)冷卻鹽水為管程流體，牛奶為殼程流體。根據(jù)流體在直管內(nèi)常見適宜流速〔表1〕，管內(nèi)循環(huán)冷卻水的流速初選為u=1.0m/s,管子選用φ25×2.5mm的碳鋼換熱管〔換熱管標準：GB8163〕。循環(huán)水新鮮水一般液體易結(jié)垢液體氣體管程流速〔m/s〕1.0—2.00.8—1.50.5—3>1.05—30殼程流速〔m/s〕0.5—1.50.5—1.50.2—1.5>0.52—1.5表13.1.3流向的選擇當(dāng)冷、熱流體的進出口溫度一樣時，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。顯然在一般情況下，逆流操作總是優(yōu)于并流。3.2確定物性參數(shù)定性溫度：可取流體進口溫度的平均值殼程牛奶定性溫度：℃管程稀鹽水定性溫度：℃根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。牛奶在48℃定性溫度下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:物性密度ρo〔kg/m3〕比熱容Cpo(kJ/(kg·K))粘度μo(Pa·s)傳熱系數(shù)λo(W/(m2·K))牛奶10353.7650.00210.69稀鹽水在13.5℃定性溫度下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：物性密度ρi〔kg/m3〕比熱容Cpi(kJ/(kg·K)粘度μi(Pa·s)傳熱系數(shù)λi(W/(m2·K))稀鹽水999.44.1890.00120.579四、工藝設(shè)計計算4.1估算傳熱面積4.1.1計算熱流量考慮到員工的輪班與休息，一天實際工作12個小時。牛奶流量：4.1.2平均傳熱溫差按單殼程多管程進展計算，對逆流傳熱溫度差進展校正根據(jù)《化工原理[1]〔上〕》P213，公式〔4-45〕得逆流傳熱溫差為76=168.8K20=68K17=62.6K10=50K4.1.3稀鹽水用量稀鹽水流量：4.1.4由<<化工原理>>查得稀鹽水與牛奶之間的傳熱系數(shù)在233—582W/(m2.K)，初步設(shè)定K=250W/(m2.K)。4.2主要工藝尺寸確實定4.2.1管徑和管內(nèi)流速我國列管式換熱器常采用無縫鋼管，規(guī)格為外徑×壁厚，常用的換熱管的規(guī)格：ф19×2mm、ф25×2mm、ф25×2.5mm。選用ф25×2.5傳熱管(碳鋼管)，管內(nèi)徑di=0.025-0.0025×2=0.02mm，取管內(nèi)流速=1m/s4.2.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)《化工原理課程設(shè)計[7]》P62，公式3-9可依據(jù)傳熱內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)按單管程計算，所需的傳熱管長度為L按單程計算的管子長度，m；d0管子外徑m；管子的選擇要考慮清洗工作的方便及合理使用管材，同時還應(yīng)考慮管長與管徑的配合。國內(nèi)管材生產(chǎn)規(guī)格，長度一般為：1.5，2，2.5，3，4.5，5，6，7.5，9，12ｍ等。換熱器的換熱管長度與殼徑之比一般在6－10。按單管程設(shè)計，傳熱管過長，現(xiàn)取傳熱管長l=6，則該換熱器管程數(shù)為熱管總根數(shù)4.2.3傳熱管的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。其中，每程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點為管板強度高，流體走短路的時機少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高，一樣的殼程內(nèi)可排列更多的管子。由《化工過程及設(shè)備課程設(shè)計》圖3-13取管心距t=1.25d〔為管子外徑〕，則t=1.25×25=31.25≈32(mm)。由《化工原理[2]〔上〕》P282，公式〔4-119〕，得橫過管束中心線的管數(shù)為由《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》P67頁，公式〔3-16〕，隔板中心到離其最近一排中心距離，取各程相鄰管的管心距為44mm。其前后箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按《化工過程及設(shè)備課程設(shè)計》圖3-14選取。4.2.4采用2管程構(gòu)造，由《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》可查管板利用率，取管板利用率η=0.8，得殼體內(nèi)徑為：的取值范圍如下：正三角形排列，2管程，=0.7—0.85，4管程以上，=0.6—0.8。計算的到的殼體直徑應(yīng)按換熱器的系列標準進展圓整。殼體直徑經(jīng)常用的標準有159mm、273mm、400mm、500mm、600mm、800mm等。根據(jù)以上標準可取D=400mm。4.2.5列管式換熱器的殼程流體流通面積比管程流通截面積大，在殼程流體屬對流傳熱條件時，為增大殼程流體的流速，加強其湍動程度，提高其外表傳熱系數(shù)，需設(shè)置折流板。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折流板間距，在阻力允許的條件下盡可能小，允許的折流板最小間距為殼體內(nèi)徑的20%或50mm〔取兩者中的較大值〕。因此取折流板間距B=0.4D，則B=0.4×400=160mm取板間距B=200mm折流板數(shù)4.2.6殼程流體進出口接收：取接收內(nèi)牛奶流速為u＝1.0m/s，則接收內(nèi)徑為d===0.038m經(jīng)圓整采用Φ45mm×3.5mm熱軋無縫鋼管(GB8163-87)，取標準管徑為45mm。管程流體進出口接收：取接收內(nèi)循環(huán)水流速u＝1.0m/s，則接收內(nèi)徑為d===0.103m經(jīng)圓整采用Φ121mm×9mm熱軋無縫鋼管(GB8163-87)，取標準管徑為4.3換熱器主要傳熱參數(shù)核算4.3.1熱流量核算4.3.1.1殼程對流傳熱系數(shù)雷諾系數(shù)計算得：由《化工原理課程設(shè)計參考資料》P68，公式〔2-27〕得：其中：取殼程流通截面積A0，由《化工原理〔上〕》P253，公式〔4-80〕，得：殼程流體流速為：普蘭特準數(shù)：4.3.1.2管程對流傳熱系數(shù)由《化工原理〔上〕》P248，公式〔4-70a〕，水在管程中是被加熱，所以公式中的n=0.4，得其中：管程流通截面積管程流體流速以及其雷諾數(shù)分別為普朗特準數(shù)故管程對流換熱系數(shù)4.3.1.3污垢熱阻和管壁熱阻查閱《化工原理〔上〕》P354，附錄20，得牛奶側(cè)的熱阻Rso=0.000172m2oC/w循環(huán)水側(cè)的熱阻Rsi=0.00058m2oC/w鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為λ=45W/(m·K)=219.5W/〔m·℃〕4.3.1.4傳熱系數(shù)K根據(jù)《化工原理[2]〔上〕》P227，公式〔4-41〕解得K=425.7W/(m2.OC)傳熱面積所選用的換熱器的實際傳熱面積m24.3.1.5傳熱面積裕度換熱器的面積裕度為傳熱面積裕度適宜，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。4.3.2壁溫核算因為管壁很薄，而且壁熱阻很小。冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進口溫度為10℃，出口溫度為17℃計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應(yīng)該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管

壁溫。于是有:，式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計算為:0.4×17+0.6×10=12.8℃0.5×〔76+20〕=48℃6454.4QUOTE844.8QUOTE傳熱管平均壁溫為℃殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=48℃。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為℃＜50℃。該溫差正好.4.3.3換熱器內(nèi)流體的流動阻力〔壓強降〕4.3.3.1管程流動阻力根據(jù)《化工原理[3]〔上〕》P284，公式〔4-121〕得∑△pi＝〔△p1+△p2〕FtNsNp其中：ΣΔPi———管程總壓力降,Pa；ΔP1、ΔP2———分別為單程直管阻力與局部阻力,Pa；Ft———污垢校正系數(shù),對于Φ25mm×2.5mm管子,取Ft=1.4；對于Φ19mm×2mm管子,取Ft=1.5；這里取Ft=1.4；Ns———殼程數(shù)，Ns=1；Np———管程數(shù)，Np=2其中流體流過直管段由于摩擦所引起的壓力降可由下式計算:流體流過回彎管(進、出口阻力忽略不計)因摩擦所引起的壓力降可由下式計算:式中：λ———摩擦阻力系數(shù);l———傳熱管長度,m;di———傳熱管內(nèi)徑,m;ui———管內(nèi)流速,m/s;ρ———流體密度,kgm3。由=32647.1<105，設(shè)管壁粗糙度ε=0.1mm，則相對粗糙度ε/di=0.005，查莫狄圖得λi=0.03W/m·℃，流速ui=1.0m/s，ρ=999.4總壓強降：2.5.3.2殼程流動阻力〔壓強降〕其中：———殼程總壓力降,Pa;———流體流過管束的壓力降,Pa;———流體流過折流板缺口的壓力降,Pa;———結(jié)垢校正系數(shù),對于液體,Fs=1.15；對于氣體或可凝蒸汽，F(xiàn)s=1.0；這里取Fs=1.15；———殼程數(shù)，Ns=1。其中,流體流過管束的壓力降流體通過折流板缺口的壓力降式中N———每一殼程的管子數(shù)目;NB———折流板數(shù)目;B———折流板間距,m;D———殼體內(nèi)徑,m;F———管子排列方式對壓力降的校正因數(shù),對于正三角形排列,F=0.5;對于正方形斜轉(zhuǎn)45°,F=0.4;f0———殼程流體的摩擦系數(shù),當(dāng)Re>500時,f0=5.0;其中,Re=(deuρ)/μ。nc———橫過管束中心線的管數(shù),管子按正三角形排列:nc=1.1;管子按正方形排列:nc=1.19;u0———殼程流體橫過管束的最小流速,m/s,Vs———殼程流體的體積流量,m3s。根據(jù)管子排列方法〔這里是正三角形〕，取F=0.5Reo=673.24f0=5.0Re0=1.13B=200mmD=400mmρ=1035kg/m3u0=0.0683m總壓強降：符合設(shè)計要求。五、輔助設(shè)備的計算及選型序號名稱型號數(shù)量主要性能參數(shù)外形尺寸長*寬*高mm1儲存罐Comprocess公司CNC型1儲罐容量：1000L—50000L所需功率：2KW3000×3000×40002清洗槽Q-1021超聲波清洗46×595×2953巴氏殺菌機上海銳元機械設(shè)備RY-BS1占地面積：2—3m2殺菌溫度：65℃-99℃設(shè)備材質(zhì)：罐體為優(yōu)質(zhì)SUS304/316L2B1700×1200×19004高壓均質(zhì)機ER2000/101輸出轉(zhuǎn)速：4200rmp標準線速度：23m/s馬達功率：15KW進出口尺寸：DN50/DN505紅外線電腦超高溫瞬時殺菌機DHLX-HCSM1生產(chǎn)能力：1000Kg/h滅菌溫度：100℃—150℃滅菌時間：3—5s出液溫度：30℃—50℃3400×1050×18506脫氣機CRT1功率：8KW電壓：220V/380V190×140×567包裝機天津星火灌裝機械1生產(chǎn)效率：3500—4000袋/h電壓：220V功率：1.5KW灌裝容量：100—500ml/袋750×750×1750六、設(shè)計結(jié)果匯總表換熱器主要構(gòu)造尺寸和計算結(jié)果TC"〔3〕換熱器主要構(gòu)造尺寸和計算結(jié)果"\fC見下表：換熱器型式：浮頭式列式換熱器換熱器面積〔㎡〕：19.18工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱稀鹽水牛奶操作溫度，℃10/1776/20流量，kg/s8.321.16流體密度，kg/999.41035流速，m/s1.00.0683傳熱量，kw244.03總傳熱系數(shù)，w/㎡·℃425.7對流傳熱系數(shù)，w/㎡·℃6454.4844.8污垢系數(shù)，㎡·k/w0.000580.000176阻力降，Pa16789.92665.045程數(shù)21使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格Φ.5管數(shù)54管長，mm6000管間距，mm32排列方式正三角形折流擋板型式上下間距，mm200切口高度225mm殼體內(nèi)徑，mm400保溫層厚度，mm殼程流體進出口接收45mm3.5mm管程流體進出口接收接收121mm9mm傳熱面積25.434m面積富裕度22.51%七、設(shè)計評述食工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)個人綜合運用本門課程及有關(guān)選修課程的根本知識去解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練，也起著培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力的重要作用。這次化工原理課程設(shè)計是以小組為單位，然后組員各自進展相應(yīng)確實定實驗方案、選擇流程、查取資料、進展過程和設(shè)備的計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比擬，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計。在換熱器的設(shè)計過程中,我感覺我的理論運用于實際的能力得到了提升，主要有以下幾點：在計算方面，這是設(shè)計第一階段的主要任務(wù)，數(shù)據(jù)計算的準確性直接影響到后面的各階段，這就需要我們具有極大的耐心。從拿到原始設(shè)計數(shù)據(jù)到確定最終參數(shù)，持續(xù)了將近一周，確定需要求的參數(shù)，查質(zhì)料找公式，標準值等，一步一步計算。在查找資料方面，通過本次設(shè)計，我學(xué)會了根據(jù)工藝過程的條件查找相關(guān)資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料確定主要工藝流程，主要設(shè)備，以及如何計算出主要設(shè)備及輔助設(shè)備的各項參數(shù)及數(shù)據(jù)。通過課程設(shè)計可以穩(wěn)固對主體設(shè)備圖的了解，以及學(xué)習(xí)到工藝流程圖的制法。對化工原理設(shè)計的有關(guān)步驟及相關(guān)內(nèi)容有一定的了解。通過本次設(shè)計熟悉了化工原理課程設(shè)計的流程，加深了對冷卻器設(shè)備的了解。在設(shè)計的過程培養(yǎng)了大膽假設(shè)，小心求證的