列管式換熱器在牛奶冷卻過程中的設(shè)計(jì)

1、l 環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)說明書列管式換熱器在牛奶冷卻過程中 的設(shè)計(jì) 目 錄 一、緒論 1、換熱器的設(shè)計(jì)意義與重要性 2、滅菌牛奶冷卻換熱器計(jì)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(shè)計(jì)原理 2、列管式換熱器的設(shè)計(jì)任務(wù) 三、設(shè)計(jì)計(jì)算 1、確定設(shè)計(jì)方案 2、確定物性數(shù)據(jù) 3、計(jì)算總傳熱系數(shù) 4、計(jì)算傳熱面積 5、工藝結(jié)構(gòu)尺寸6、換熱器核算 （1）熱量核算 （2）換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 （3）換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果總表四、參考文獻(xiàn)13 / 15一、 緒論1、換熱器的設(shè)計(jì)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(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工，能源，機(jī)械，交通，制冷，空調(diào)及航

2、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，列管式換熱器仍占主導(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)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

3、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。2、滅菌牛奶冷卻換熱器計(jì)算過程中的主要參數(shù)說明 T-牛奶的定性溫度， t-冷鹽水的定性溫度， -牛奶的密度，kg/m3-牛奶的定壓比熱容，kJ/(kg·)-牛奶的導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m·)-牛奶的粘度，Pa·s-冷鹽水的密度，kg/m3-冷鹽水的定壓比熱容，kJ/(kg·)-冷鹽水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)-冷鹽水的粘度，Pa·s -熱流量，kW -總傳熱系數(shù)，W/(·) -進(jìn)行換熱的兩流體之間的平均溫度差， -冷卻水用量，kg/s -雷諾準(zhǔn)數(shù) -普蘭特準(zhǔn)數(shù) -管程傳熱系

4、數(shù)，W/（·） -殼程傳熱系數(shù)，W/ -冷鹽水污垢熱阻，·/W; -牛奶污垢熱阻，·/W -管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（·） -傳熱管數(shù)，（根） -傳熱管長度，m -換熱器管程數(shù) -傳熱管總根數(shù) -溫度校正系數(shù) -橫過管束中心線的管數(shù) -管心距，mm -殼體內(nèi)徑，mm -弓形折流板圓缺高度，mm -折流板間距，mm -折流板數(shù) -接管內(nèi)徑，mm -當(dāng)量直徑，m -殼程流體流速，m/s -管程流體流速，m/s -傳熱面積， -換熱器實(shí)際傳熱面積， -換熱器面積裕度 -管程壓降，Pa -管內(nèi)摩擦壓降，Pa -管程的回彎壓降，Pa -殼程串聯(lián)數(shù) -管程壓降的結(jié)垢修正

5、系數(shù) -殼程壓降，Pa -流體流經(jīng)管束的阻力，Pa -流體流過折流板缺口的阻力，Pa 二、換熱器的設(shè)計(jì)原理1、列管式換熱器的設(shè)計(jì)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(dòng)，另一種流體則在殼體內(nèi)流動(dòng)。殼內(nèi)往往按照一定數(shù)目設(shè)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(cuò)流經(jīng)過管束，使湍動(dòng)的程度大大提高，實(shí)現(xiàn)換熱器的換熱。2、列管式換熱器的設(shè)計(jì)任務(wù)在滅菌后牛奶的冷卻過程中，牛奶由 70 降至25 ，牛奶流量為 12480 kg/ h ，壓力為 0.7 MPa 。該過程采用濃度很稀的冷

6、鹽水冷卻（因此冷鹽水的相關(guān)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 ，出口溫度 20 。試設(shè)計(jì)一臺列管式換熱器完成該生產(chǎn)任務(wù)。三、設(shè)計(jì)計(jì)算1、確定設(shè)計(jì)方案(1)、選擇換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度70，出口溫度25；冷流體(冷鹽水)進(jìn)口溫度10，出口溫度20。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(dòng)空間及流速的確定由于冷鹽水較易結(jié)垢，為便于清洗，另外，粘度大的流體（牛奶）宜于通入管間空間，所以應(yīng)使冷鹽水走管程，牛奶走殼程。選用25×2.5mm的碳鋼管。管內(nèi)流速取=1.1m/s。2、確定物性數(shù)據(jù)定性溫度

7、：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。管程冷鹽水的定性溫度為殼程牛奶的定性溫度為根據(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47.5下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 =1030 kg/m3定壓比熱容 =3.770 kJ/(kg·)導(dǎo)熱系數(shù) =0.61 W/(m·)粘度 =0.002128 Pa·s冷鹽水在15下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 =999.1 kg/m3定壓比熱容 =4.189kJ/(kg·)導(dǎo)熱系數(shù) =0.5894 W/(m·)粘度 =0.00113376 Pa·s3、計(jì)算總傳熱系數(shù)(1)、熱流量(2)、平均傳熱溫差(3)、

8、冷卻冷鹽水用量(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) 污垢熱阻 管壁導(dǎo)熱系數(shù) 4、計(jì)算傳熱面積 考慮20%的面積裕度5、工藝結(jié)構(gòu)尺寸(1)、管徑和管內(nèi)流速 選用傳熱管（碳鋼）。管內(nèi)流速取。(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)。 按單程管計(jì)算，所需傳熱管長度為 按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長l=6m。則該換熱器管程數(shù)為 傳熱管總根數(shù)為(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) 按單殼程、兩管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表。 可得： 平均換熱溫差(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

9、三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距 橫過管束中心線的管數(shù)(5)、殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)。取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為 圓整可取。(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，故可取h=100mm。 取折流板間距。故可取B=150mm。 折流板數(shù) 折流板圓缺面水平裝配。(7)、接管殼程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)牛奶流速為2.0m/s,則接管內(nèi)徑為0.046m取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50mm管程流體進(jìn)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0.109m取標(biāo)準(zhǔn)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

10、恩公式 當(dāng)量直徑，由正三角形排列得 殼程流通截面積 殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為普蘭特準(zhǔn)數(shù)粘度校正、管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積 管程流體流速 普蘭特準(zhǔn)數(shù)、傳熱系數(shù)K 782.9、傳熱面積S 該換熱器實(shí)際傳熱面積Sp 該換熱器面積裕度為 換熱器的面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。(2)、換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力、管程流動(dòng)阻力 Ns=1, Np=2, =1.4 由Re=19128，傳熱管相對粗糙度為，查莫狄圖得，流速，所以 故管程流速阻力在允許范圍內(nèi)、殼程阻力 流體流經(jīng)管束的阻力 流體流過折流板缺口時(shí)的阻力 殼程流體阻力也比較適宜(3)、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果如下表：換熱管型氏：固定

11、管板式換熱面積：33.11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，10/2070/25流量，kg/h5053712480流體密度，kg/999.11030流速，m/s1.0890.256傳熱量，KW588.1總傳熱系數(shù)，W/782.9對流傳熱系數(shù)，W/41641907污垢系數(shù)， /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mm管數(shù)，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折流板切口高度25%殼體內(nèi)徑，mm400面積裕度16.8%四、參考文獻(xiàn)：1.賈紹義、柴誠敬.化工原理課程設(shè)計(jì).天津：天津出版社，20022.李功樣等.常用化學(xué)單元設(shè)備設(shè)計(jì).廣州：華南理工大學(xué)出版社，20033.匡國柱、史啟才.化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002 4.涂偉萍等.化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，200