食品工程原理課程設(shè)計說明書-水冷卻牛奶的列管式換熱器

食品工程原理課程設(shè)計第頁/共23頁食品工程原理課程設(shè)計說明書食品工程原理課程設(shè)計說明書設(shè)計題目：設(shè)計題目：水冷卻牛奶的列管式換熱器目錄1.設(shè)計任務(wù)書 41.1設(shè)計題目 41.2設(shè)計條件 41.3設(shè)計任務(wù)： 42.設(shè)計方案簡介 52.1換熱器設(shè)計的基本要求 52.2選擇換熱器的類型 52.3管程與殼程選取 52.4流向的選取 63．工藝計算 63.1確定物性參數(shù) 63.2計算熱負荷 63.3確定冷卻水用量 63.4初算逆流時有效平均溫差，并校核 73.5計算傳熱面積 73.6初選換熱器規(guī)格 84.主體設(shè)備設(shè)計計算及選型 84.1校核傳熱系數(shù) 84.1.1管程傳熱系數(shù) 84.1.2殼程傳熱系數(shù) 94.1.3污垢熱阻 104.1.4傳熱系數(shù)K 104.1.5計算真實傳熱速率 104.2校核壁溫 104.3校核傳熱面積 114.3.1傳熱面積S 114.4計算壓強降 114.4.1管程壓強降 114.4.2殼程壓強降 125.輔助設(shè)備的計算及選型 135.1接管 135.2離心泵 145.2.1適于牛奶的離心泵 145.2.2適于冷卻水的離心泵 155.3折流板 165.4封頭 165.5管箱 165.6管板 165.7放氣孔、排液管 166.經(jīng)濟核算 177.設(shè)計結(jié)果一覽表 177.1重要符號一覽表 177.2換熱器計算結(jié)果一覽表 198.設(shè)計評述 219．參考文獻 2210.附錄 231.設(shè)計任務(wù)書1.1設(shè)計題目用水冷卻牛奶、脫脂牛奶的列管式換熱器的設(shè)計1.2設(shè)計條件①牛奶處理量：64t/h進口溫度：100℃出口溫度：30℃壓強降：管程＜80kPa殼程＜50kPa②冷卻水進口溫度：20℃出口溫度：32℃1.3設(shè)計任務(wù)：1.根據(jù)設(shè)計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)計說明書。2.設(shè)計方案簡介2.1換熱器設(shè)計的基本要求根據(jù)換熱目的不同，換熱器在設(shè)計時應(yīng)滿足以下基本要求：（1）滿足工藝上規(guī)定的換熱條件。（2）結(jié)構(gòu)上安全可靠。（3）制造、安裝、操作和檢修方便。（4）經(jīng)濟上合理。2.2選擇換熱器的類型本設(shè)計中用水冷卻牛奶選用帶有折流擋板的固定管板式換熱器，因為這種換熱器適用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的情況。另外，固定管板式換熱器具有單位體積傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊、堅固，傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，且適用于高溫、高壓的大型裝置中。采用垂直圓缺形折流擋板，可使作為冷卻劑的水容易形成湍流，可以提高對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，提高傳熱效率，且垂直圓缺用于含有懸浮固體粒子流體用的水平熱交換器。本設(shè)計中的固定管板式換熱器采用的材料為碳素鋼管。2.3管程與殼程選取因牛奶較易結(jié)垢，為了便于清洗，所以我選擇牛奶走管程，冷卻水走殼程。2.4流向的選取對于流向的選取我選擇逆流，因為逆流相較于其他流動方向而言換熱效率高、節(jié)省傳熱面積，節(jié)省冷卻介質(zhì)。3．工藝計算3.1確定物性參數(shù)管程牛奶的定性溫度：℃殼程冷卻水的定性溫度：℃表1兩流體在定性溫度下的有關(guān)物性參數(shù)物料溫度t/（℃）密度ρ/（）黏度μ/（）比熱容/℃導(dǎo)熱系數(shù)λ/℃牛奶6510303.900.53水26996.84.1790.60973.2計算熱負荷3.3確定冷卻水用量3.4初算逆流時有效平均溫差，并校核℃圖1對數(shù)平均溫差校正系數(shù)查上圖可知=0.85，所以℃又因=0.85>0.8,故可選單殼程的固定管板式換熱器。3.5計算傳熱面積根據(jù)牛奶的物性參數(shù)，取K=400[W/(m2℃)]，則估算傳熱面積：3.6初選換熱器規(guī)格表2換熱器規(guī)格參數(shù)規(guī)格參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)格參數(shù)數(shù)據(jù)公稱直徑/mm900管子尺寸/mmφ192公稱面積S/m2498.3管程流通面積/m20.0414管心距a/mm25管長L/m9管子根數(shù)n/根938管子排列方式正三角形中心排管數(shù)/根35管程數(shù)4實際傳熱面積：4.主體設(shè)備設(shè)計計算及選型4.1校核傳熱系數(shù)4.1.1管程傳熱系數(shù)牛奶的流速：雷諾數(shù)：

普蘭特數(shù)：由上式可知2300<<10000,因此管內(nèi)強制對流為圓直管間過渡流，且液體被冷卻n=0.3。所以4.1.2殼程傳熱系數(shù)換熱器中心附近管排中流體流通截面積為水的流速：由正三角形排列，得雷諾數(shù)：普蘭特數(shù)：因為在范圍內(nèi)，故可用下式計算因液體被加熱，則=1.05，所以 4.1.3污垢熱阻查表可知污垢熱阻：4.1.4傳熱系數(shù)K因牛奶不具有腐蝕性，管子材料可選用碳素鋼，取其導(dǎo)熱系數(shù)℃對數(shù)平均直徑：所以傳熱系數(shù)K如下：[W/(m2℃)]4.1.5計算真實傳熱速率所以,則該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。4.2校核壁溫因為管壁很薄，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?？煽?，取循環(huán)冷卻水進口溫度為20℃，出口溫度為32℃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。傳熱管壁溫：殼體壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度即傳熱管壁溫與殼體壁溫之差為因℃，故不需要設(shè)溫度補償裝置。4.3校核傳熱面積4.3.1傳熱面積S需要的傳熱面積實際傳熱面積該換熱器面積裕度:該換熱器的傳熱面積裕度符合要求。4.4計算壓強降4.4.1管程壓強降的換熱器取1.5已算出:(湍流)因，所以牛奶流動類型為湍流取碳素管的壁粗糙度，則圖2摩擦系數(shù)λ與、的關(guān)系曲線由上圖可得：λ=0.0364.4.2殼程壓強降液體的=1.15折流板數(shù)：從上述計算可知：該換熱器管程與殼程的壓強降均滿足要求，故該換熱器合適5.輔助設(shè)備的計算及選型5.1接管①管程流體進出口接管：取接管內(nèi)牛奶流速=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為：根據(jù)YB231-70無縫鋼管常用規(guī)格，標(biāo)準(zhǔn)管徑為：②殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)冷卻水流速=2.0m/s，則接管內(nèi)徑為：根據(jù)YB231-70無縫鋼管常用規(guī)格，標(biāo)準(zhǔn)管徑為：5.2離心泵5.2.1適于牛奶的離心泵因為接管標(biāo)準(zhǔn)管徑取，所以因，所以牛奶流動類型為湍流。取碳素管的壁粗糙度，則查圖2得，，接管管長取泵出口管路上裝有全開的閘閥，由可知換熱器的安裝高度取，由以上計算可知，選擇IS100-80-125型的離心泵。由【3】查的該泵的性能參數(shù)為：流量；揚程H=20m;軸功率N=7.00Kw;效率η=78%。5.2.2適于冷卻水的離心泵 因為接管標(biāo)準(zhǔn)管徑取因，所以水流動類型為湍流。取碳素管的壁粗糙度，則查圖2得，，接管管長取泵出口管路上裝有全開的閘閥，由可知，由以上計算可知，選擇IS200-150-250型的離心泵。 由【3】查的該泵的性能參數(shù)為:流量；揚程H=20m;軸功率N=26.6Kw;效率η=82%。5.3折流板本次設(shè)計的冷卻器采用圓缺型折流板。折流板數(shù)=4塊圓缺高度板間距B＝1900mm5.4封頭本換熱器采用橢圓型封頭(JB1154—73)兩個，材料采用碳素鋼。5.5管箱，采用封頭管箱5.6管板管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將殼程和管程的流體分隔開來。固定管板采用不可拆連接。兩端管板直接焊在外殼上，并兼做法蘭，拆下頂蓋可檢修脹口或清洗管內(nèi)。5.7放氣孔、排液管換熱器的殼體上常設(shè)有放氣孔、排液管，以排除不凝氣體和冷凝液等。6.經(jīng)濟核算1.選用固定管板式換熱器，其造價低廉，相較于其他的換熱器更為經(jīng)濟。2.管子材料使用碳素鋼，相較于不銹鋼更節(jié)約成本，更為經(jīng)濟。3.管程與殼程的傳熱系數(shù)接近，阻力損失小，更為經(jīng)濟。4.管程數(shù)，相較于6管程阻力損失小，更為經(jīng)濟。5.兩個離心泵的壓頭均較小，阻力損失小，經(jīng)濟。6.折流板數(shù)目較少，減少了費用，更為經(jīng)濟。7.流動方向選擇了逆流，提高了傳熱效率，節(jié)省傳熱面積，節(jié)省冷卻介質(zhì)，更為經(jīng)濟。7.設(shè)計結(jié)果一覽表7.1重要符號一覽表表3字母符號說明符號意義單位B折流板間距mmd管徑mm公稱直徑mmF系數(shù)h圓缺高度mm續(xù)表符號意義單位T熱流體溫度℃t冷流體溫度℃Re雷諾數(shù)Pr普蘭特數(shù)質(zhì)量流量Kg/sQ傳熱量WVs體積流量定壓比熱容kJ/（Kg?℃）L管長mmK總傳熱系數(shù)[W/(m2℃)]u流速m/s折流板數(shù)塊P壓強降Paa管心距mmS傳熱面積m2A流通面積m2R污垢熱阻z高度m當(dāng)量直徑mmhe壓頭m續(xù)表符號意義單位阻力mn管子根數(shù)根中心排管數(shù)根H裕度α對流傳熱系數(shù)Δ有限差值λ導(dǎo)熱系數(shù)μ黏度PaSρ密度校正系數(shù)i管內(nèi)0管外m平均s污垢7.2換熱器計算結(jié)果一覽表表4換熱器計算結(jié)果參數(shù)殼程管程物料水牛奶進口溫度/℃20100續(xù)表參數(shù)殼程管程出口溫度/℃3230物性定性溫度/℃2665密度ρ/(Kg/m2)996.81030定壓比熱容/[kJ/（kg·℃）]4.1793.90熱導(dǎo)率/[W/(m·℃)]0.60970.53粘度/(Pa·s)0.8737×10-31.5×10-3設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式臺數(shù)1公稱直徑/mm900殼程數(shù)1管子尺寸/mmФ19×2管心距a/mm25管長L/mm9000管子排列正三角形管子根數(shù)n/根938折流板數(shù)/個4管程流通面積/m20.0414折流板間距B/mm1900管程數(shù)N4材質(zhì)碳素鋼流量/(kg/s)96．817.8流速u/(m/s)0.240.42雷諾數(shù)Re4654.94326.0普蘭特數(shù)5.9911.04對流傳熱系數(shù)α/[W/(m2·℃)]1708.01122.5污垢熱阻/()續(xù)表參數(shù)殼程管程流體流動阻力P/Pa2105.713408.8平均傳熱溫差/℃30.3校核的平均溫差/℃25.8總傳熱系數(shù)K/[W/(m2·℃)]464.4所需傳熱量Q/W真實傳熱量Q’/W裕度H24%8.設(shè)計評述通過本次的課程設(shè)計，使我對換熱器的結(jié)構(gòu)和工作原理有了進一步的理解。并在設(shè)計過程中掌握了一定的工藝計算方法。同時，也讓我更深刻的了解到全局觀念的重要性。在設(shè)計換熱器時：首先要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的換熱器形式。通過對設(shè)計參數(shù)的核算，固定管板式和浮頭式換熱器能夠滿足本次設(shè)計的基本需求。浮頭式換熱器雖然是從性能各方面看都是本次設(shè)計理想的換熱器，但是對于同樣能滿足需求的兩個換熱器來說，固定管板式換熱器成本相對較低，結(jié)構(gòu)簡單，易于維修和清洗。所以綜合考慮設(shè)計參數(shù)、經(jīng)濟等方面條件后，我最終選擇了固定管板式換熱器。其次，要選擇合適的流體流徑。根據(jù)選擇的主要因素分析，有好多理論相互之間是矛盾的，并不能使條件一一滿足。所以要抓住主要矛盾，依據(jù)傳熱效果好，清洗方便等具體情況分析，最終選擇了水走殼程，牛奶走管程。考慮到牛奶產(chǎn)品的衛(wèi)生要求，為減少牛奶的污染，并且考慮到經(jīng)濟方面，減小開支，換熱器材質(zhì)選用碳素鋼鋼材料。本設(shè)計所有參數(shù)經(jīng)反復(fù)核算，保證各參數(shù)均在設(shè)計要求之內(nèi)，準(zhǔn)確可行。9．參考文獻【1】《化工設(shè)備設(shè)計手冊》編寫組.《材料與零部件（上）》[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.1982.7：123.【2】匡國柱，史啟才．化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：133-135.【3】劉成梅，羅舜菁，張繼鑒.食品工程原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.1：17.【4】劉成梅，羅舜菁，張繼鑒.食品工程原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.1：20.【5】劉成梅，羅舜菁，張繼鑒.食品工程原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.1：126-127.【