浮頭式換熱器

一：設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件1.設(shè)計(jì)題目：浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)．2.設(shè)計(jì)條件：(1)滅菌后的牛奶：處理量：4200千克/小時(shí)，進(jìn)口溫度：60℃出口溫度：10℃壓力0.7Mpa(2)冷卻水：進(jìn)口溫度：0℃出口溫度：10℃，以上設(shè)計(jì)還要求選用一臺合適的離心泵，完成相應(yīng)的生產(chǎn)任務(wù)。管路布置如圖（參考圖），已知泵進(jìn)口段管長L進(jìn)=5米，泵出口段管長L出=15米。（均不包括局部阻力損失。局部阻力：底閥1個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)90°彎頭3個(gè)，球心閥1個(gè)）3.設(shè)計(jì)任務(wù)：用水將高溫滅菌后的牛奶冷卻。(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)繪制浮頭式換熱器的裝配圖。(3)編寫課程設(shè)計(jì)說明書。二．設(shè)計(jì)方案簡介在食品工業(yè)中的加熱、冷卻、冷凍、蒸發(fā)和干燥的單元操作中，經(jīng)常見到食品物料與加熱介質(zhì)活冷卻介質(zhì)的熱交換。這就需要用到進(jìn)行熱交換的設(shè)備---換熱器。換熱器（熱交換器）是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。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:①熱流體（牛奶）進(jìn)口溫度60℃出口溫度10℃；②冷流體（鹽水）進(jìn)口溫度0℃，出口溫度10℃，由兩流體的溫差來看，由于兩流體溫差（60+10）/2-（0+10）/2=30℃<50℃,估計(jì)換熱器的管壁溫度和殼體壁溫度不會(huì)很大，但冬季操作時(shí)，進(jìn)口溫度會(huì)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(huì)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)便于污垢清洗及檢修。因此初步確定選用浮頭式換熱器。2．管程安排及流動(dòng)空間的選擇：從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使走牛奶管程，冷卻水走殼程，其原因如下：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?yàn)榕Ｄ淘诟邷叵氯菀捉Y(jié)垢，所以應(yīng)使牛奶走管程，冷卻水走殼程。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。三．設(shè)計(jì)計(jì)算：1.熱流量TC"熱流量"\fCQ1==4200×3.77×(60-10)=791700kJ/h=219.917kw冷鹽水量:W=Q/Cp()=2199174.200*確定物性數(shù)據(jù)：定性溫度：管層鹽水的定性溫度：T=（10+0）/2=5℃殼層牛奶的定性溫度：（60+10）/2=35℃定性溫度下流體的物性：溫度℃密度Kg/m比熱容KJ/(Kg.℃)粘度Pa.s熱導(dǎo)率KJ/(m.℃)管程鹽水5999.842000.001540.562殼程牛奶3510303.7721200.613.計(jì)算兩流體的平均溫度差：TC"平均傳熱溫差"\fC?tm逆=(T1-P=t2-t1T查表得：=0.82所以24.85x0.82=20.38℃殼程單程，管側(cè)2程或2n程的換熱器溫差修正系數(shù)4.總傳熱系數(shù)K：管程傳熱系數(shù)：Re=di×u5.計(jì)算傳熱面積：=219917604.3×20.38==20.54m四.工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.管徑和管內(nèi)流速選用ф25×2.5傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速ui=1.0m/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)=18850/(999.8×3600)0.785L=Sπd0ns按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多程管結(jié)構(gòu)。現(xiàn)取傳熱管長l=4.5m。則該換熱器的管程數(shù)為：Np=L則傳熱管的總根數(shù)為：N=4×17=68從設(shè)計(jì)考慮，可以去N=72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=1.25d0=1.25=31.25≈橫過管束中心線的管數(shù)nc=1.19N=1.19=10.1≈4.殼體內(nèi)徑：采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率＝0.6，則殼體內(nèi)徑為D=1.05tNη=1.05×32圓整可取D=400mm5.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＝0.25×400＝100(mm)，故可取h＝110mm。取折流板間距B＝0.3D，則B＝0.3×400＝120(mm)，可取B為150。折流板數(shù)NB=傳熱管長折流板間距-1=4500150折流板厚度取6mm.折流板圓缺面水平裝配。6.接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)牛奶流速為u＝2.0m/s，則接管內(nèi)徑為d=4Vπu=取標(biāo)準(zhǔn)管徑為30mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)冷鹽水流速u＝1.5m/s，則接管內(nèi)徑為d=4Vπu=取標(biāo)準(zhǔn)管徑為70mm.7.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：α0=0.36(㎡)=0.15×0.4×(1-0.025/0.032)殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為u0=4200/(3600×=0.020×普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr=Cp0μα0=0.36×λed管程流通截面積：Si=0.785×0.022管程流體流速ui=18850/(3600×999.8)0.00534=0.02×0.981×999.80.00154普蘭特準(zhǔn)數(shù):=4200×0.001540.562αi=0.023×0.5620.02（3）傳熱系數(shù)K=10.0253303.22×0.02+0.000172×（4）傳熱面積S=219917562.1×20.38=19.2=3.14×0.025×(4.5-2×0.03)72該換熱器的面積裕度：H=Sp-SS×100%其他輔助設(shè)備的選擇：管箱DN=1200mm,采用封頭管箱2.封頭DN=1200mm,采用圓形封頭換熱器形式：浮頭式換熱器換熱面積（m）：20.54工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱冷鹽水牛奶操作壓力MPa_______________0.7操作溫度，℃0\1060\10流量，kg/h188504200流體密度,kg/㎡999.81030流速，m/s0.9810.0865傳熱量，Kw219.917總傳熱系數(shù)，W/m562.1污垢系數(shù)，㎡·℃/W0.0001720.000172程數(shù)41推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格管數(shù)72管長，mm4500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折流板切口高度，mm110殼體內(nèi)徑，mm400六離心泵的設(shè)計(jì)：①選一合適的離心管徑初選qm1qv=qm1ρ1=取水經(jīng)濟(jì)流速u=1.0m/sA1=qm1ρu=0.00524m2由于82mm不是標(biāo)準(zhǔn)管徑，因此確定di=75經(jīng)計(jì)算符合經(jīng)濟(jì)流速范圍u=qm1ρA故確定d1=75mm,u=1.2②壓頭在水槽液面及壓力表2處列伯努利方程，He=取ε=0.15mm,εd=0.002,Re=duρμ=查圖得λ局部阻力：底閥1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭3個(gè)球形閥1個(gè)入口突擴(kuò)出口突縮故換熱器壓降Hf=(λld+ξ)u22g+??He=p2-paρg+?z+u由和選泵的型號為ISW80-160B,則