食品工程原理課程設(shè)計

食品工程原理課程設(shè)計?摘要：本課程設(shè)計圍繞換熱器展開，闡述了換熱器的選型依據(jù)、設(shè)計計算過程以及相關(guān)參數(shù)的確定。通過對給定熱流體和冷流體的參數(shù)分析，選擇了適宜的換熱器類型，經(jīng)詳細計算得出換熱器的各項尺寸參數(shù)，為實際工程中的換熱器設(shè)計提供了參考。

一、引言換熱器作為化工、食品等眾多行業(yè)中廣泛應(yīng)用的設(shè)備，對于實現(xiàn)熱量傳遞、提高能源利用效率起著至關(guān)重要的作用。本次食品工程原理課程設(shè)計旨在通過對給定工況下?lián)Q熱器的設(shè)計，加深對換熱器工作原理、設(shè)計方法及相關(guān)計算的理解與掌握。

二、設(shè)計任務(wù)及原始數(shù)據(jù)

（一）設(shè)計任務(wù)設(shè)計一臺用于食品工業(yè)的換熱器，實現(xiàn)熱流體與冷流體之間的熱量交換。

（二）原始數(shù)據(jù)1.熱流體：某食品加工過程中的高溫物料，流量為5000kg/h，進口溫度120℃，出口溫度80℃。2.冷流體：冷卻水，流量為6000kg/h，進口溫度20℃。3.允許的壓力降：熱流體和冷流體的壓力降均不超過100kPa。

三、換熱器選型根據(jù)熱流體和冷流體的性質(zhì)以及設(shè)計要求，考慮到食品工業(yè)對衛(wèi)生要求較高，且流量相對適中，選擇管殼式換熱器。管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、適應(yīng)性強等優(yōu)點，能較好地滿足本次設(shè)計任務(wù)。

四、物性參數(shù)計算（一）熱流體物性參數(shù)計算1.確定熱流體的比熱容通過查閱相關(guān)食品物性手冊，根據(jù)熱流體的成分估算其比熱容。假設(shè)熱流體為某種含糖溶液，查得在平均溫度[(120+80)/2]=100℃時，比熱容約為3.8kJ/(kg·K)。2.計算熱流體的雷諾數(shù)熱流體的流量$m_1=5000kg/h=1.39kg/s$，管徑初選$d=25mm$。熱流體的流速$u_1=\frac{m_1}{\rho_1A_1}$，假設(shè)熱流體密度$\rho_1=1050kg/m^3$，管內(nèi)截面積$A_1=\frac{\pi}{4}d^2=\frac{\pi}{4}\times(0.025)^2=4.91\times10^{4}m^2$，則$u_1=\frac{1.39}{1050\times4.91\times10^{4}}=2.7m/s$。熱流體的雷諾數(shù)$Re_1=\frac{du_1\rho_1}{\mu_1}$，查得在100℃時熱流體的粘度$\mu_1=0.0015Pa·s$，則$Re_1=\frac{0.025\times2.7\times1050}{0.0015}=47250$，流體呈湍流狀態(tài)。

（二）冷流體物性參數(shù)計算1.確定冷流體的比熱容查得水在平均溫度[(20+t2)/2]（t2為冷流體出口溫度，未知待求）時的比熱容$c_p2=4.18kJ/(kg·K)$。2.計算冷流體的雷諾數(shù)冷流體的流量$m_2=6000kg/h=1.67kg/s$。假設(shè)管程結(jié)構(gòu)與熱流體相同，管徑$d=25mm$，管內(nèi)截面積$A_2=4.91\times10^{4}m^2$，則冷流體流速$u_2=\frac{m_2}{\rho_2A_2}$，水在20℃時密度$\rho_2=998kg/m^3$，則$u_2=\frac{1.67}{998\times4.91\times10^{4}}=3.4m/s$。冷流體的雷諾數(shù)$Re_2=\frac{du_2\rho_2}{\mu_2}$，查得水在20℃時的粘度$\mu_2=0.001Pa·s$，則$Re_2=\frac{0.025\times3.4\times998}{0.001}=84830$，流體呈湍流狀態(tài)。

五、傳熱計算

（一）熱負荷計算根據(jù)熱流體的流量、比熱容和進出口溫度，計算熱負荷$Q$：$Q=m_1c_p1(T_1T_2)$$=5000\times3.8\times(12080)/3600=211.1kW$

（二）對數(shù)平均溫差計算1.初步假設(shè)冷流體出口溫度$t_2=50℃$。2.計算對數(shù)平均溫差$\DeltaT_m$：熱流體進出口溫度$T_1=120℃$，$T_2=80℃$；冷流體進出口溫度$t_1=20℃$，$t_2=50℃$。$\DeltaT_m=\frac{(T_1t_2)(T_2t_1)}{\ln\frac{T_1t_2}{T_2t_1}}=\frac{(12050)(8020)}{\ln\frac{12050}{8020}}=64.9℃$

（三）傳熱系數(shù)計算1.管內(nèi)對流傳熱系數(shù)$\alpha_1$采用迪圖斯貝爾特公式計算：$\alpha_1=0.023\frac{\lambda_1}kectocyRe_1^{0.8}Pr_1^{0.4}$查得熱流體在100℃時的導熱系數(shù)$\lambda_1=0.3W/(m·K)$，普朗特數(shù)$Pr_1=10$。$\alpha_1=0.023\times\frac{0.3}{0.025}\times47250^{0.8}\times10^{0.4}=3120W/(m^2·K)$2.管外對流傳熱系數(shù)$\alpha_2$水在管外流動，采用相同公式計算，假設(shè)管外傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式中的特征尺寸為管外徑$d$。$\alpha_2=0.023\frac{\lambda_2}mjikwuwRe_2^{0.8}Pr_2^{0.4}$查得水在平均溫度[(20+50)/2]=35℃時的導熱系數(shù)$\lambda_2=0.62W/(m·K)$，普朗特數(shù)$Pr_2=5.4$。$\alpha_2=0.023\times\frac{0.62}{0.025}\times84830^{0.8}\times5.4^{0.4}=5480W/(m^2·K)$3.污垢熱阻查食品工業(yè)換熱器污垢熱阻，管內(nèi)污垢熱阻$R_s1=0.0002m^2·K/W$，管外污垢熱阻$R_s2=0.0001m^2·K/W$。4.管壁熱阻假設(shè)管壁材料為碳鋼，壁厚$\delta=2mm$，導熱系數(shù)$\lambda=45W/(m·K)$。管壁熱阻$R_w=\frac{\delta}{\lambda}=\frac{0.002}{45}=4.44\times10^{5}m^2·K/W$5.傳熱系數(shù)$K$$K=\frac{1}{\frac{1}{\alpha_1}+R_s1+\frac{\delta}{\lambda}+\frac{1}{\alpha_2}+R_s2}$$=\frac{1}{\frac{1}{3120}+0.0002+4.44\times10^{5}+\frac{1}{5480}+0.0001}=1870W/(m^2·K)$

（四）換熱器面積計算根據(jù)傳熱方程式$Q=KA\DeltaT_m$，可得換熱器面積$A$：$A=\frac{Q}{K\DeltaT_m}=\frac{211100}{1870\times64.9}=17.6m^2$

（五）核算冷流體出口溫度根據(jù)熱平衡方程$Q=m_2c_p2(t_2t_1)$，可得：$t_2=t_1+\frac{Q}{m_2c_p2}=20+\frac{211100}{6000\times4.18}=28.4℃$與假設(shè)的50℃相差較大，重新假設(shè)冷流體出口溫度$t_2=28.4℃$，重復上述計算過程。再次計算對數(shù)平均溫差：$\DeltaT_m=\frac{(12028.4)(8020)}{\ln\frac{12028.4}{8020}}=75.4℃$重新計算傳熱系數(shù)$K$：$K=\frac{1}{\frac{1}{\alpha_1}+R_s1+\frac{\delta}{\lambda}+\frac{1}{\alpha_2}+R_s2}=1850W/(m^2·K)$重新計算換熱器面積$A$：$A=\frac{Q}{K\DeltaT_m}=\frac{211100}{1850\times75.4}=15.1m^2$

六、阻力計算

（一）管程阻力計算1.直管阻力管程直管阻力$h_f1=\lambda\frac{l}gxsyagy\frac{u_1^2}{2}$假設(shè)管程長度$l=3m$，摩擦系數(shù)$\lambda$采用柏拉修斯公式計算，對于湍流$Re>4000$，$\lambda=0.3164/Re_1^{0.25}=0.3164/47250^{0.25}=0.02$。$h_f1=0.02\times\frac{3}{0.025}\times\frac{2.7^2}{2}=29.2Pa$2.局部阻力管程進出口等局部阻力系數(shù)$\sum\xi=1.5$，局部阻力$h_f2=\sum\xi\frac{u_1^2}{2}=1.5\times\frac{2.7^2}{2}=5.5Pa$管程總阻力$h_p=h_f1+h_f2=29.2+5.5=34.7Pa<100kPa$

（二）殼程阻力計算1.折流板阻力殼程折流板阻力$h_f3=\frac{3u_2^2}{2}$（經(jīng)驗公式）$h_f3=\frac{3\times3.4^2}{2}=17.3Pa$2.進出口阻力殼程進出口阻力系數(shù)$\sum\xi'=1$，進出口阻力$h_f4=\sum\xi'\frac{u_2^2}{2}=1\times\frac{3.4^2}{2}=5.8Pa$3.管束阻力管束阻力$h_f5=\frac{Nu_2^2}{2}$（N為管子數(shù)目，需根據(jù)換熱器結(jié)構(gòu)確定，假設(shè)N=100）$h_f5=\frac{100\times3.4^2}{2}=5780Pa$殼程總阻力$h_s=h_f3+h_f4+h_f5=17.3+5.8+5780=5803.1Pa<100kPa$

七、換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）管程結(jié)構(gòu)1.管徑選擇：根據(jù)計算及實際情況，選用$\phi25\times2mm$的無縫鋼管。2.管程數(shù)：確定為單管程。3.管子排列方式：采用正三角形排列。

（二）殼程結(jié)構(gòu)1.殼體內(nèi)徑：根據(jù)換熱器面積和管程結(jié)構(gòu)，初步確定殼體內(nèi)徑為500mm。2.折流板：采用弓形折流板，折流板間距為200mm。3.接管尺寸：熱流體進出口接管直徑為50mm，冷流體進出口接管直徑為65mm。

八、結(jié)論通過本次課程設(shè)計，完成了一臺食品工業(yè)用換熱器的