食品工程课程设计--列管式换热器的设计——水冷却牛奶.docx

课程设计设计题目：列管式换热器的设计一水冷却牛奶设计者：班级：食品卓越1401目录一、设计任务和设计条件31、设计题目32、设计条件33、设计任务3二、设计方案的确定41、换热器类型选择42、流体流动空间的确定53、流体流向的选择5三、确定物性数据51、计算两流体的定性温度52、确定物性数据5四、试算和初选换热器规格61、计算热流量和冷却水的流量62、计算有效平均温差63、校核有效平均温差64、选取经验总传热系数75、估算传热面积76、初选换热器规格77、计算实际传热面积8五、核算总传热系数81、管程对流传热系数82、壳程对流传热系数93、总传热系数：105.壁温的核算：11六、核算压强降121、管程122、壳程13七、辅助设备的计算与选型141、管箱：142、封头153、折流板154、接管155、离心泵的选择：16八、设计结果一览表171 .参数数据172 .主要符号说明：19九、经济核算21十、设计评述22H-一、参考文献23十二、附录：参考图纸24、设计任务和设计条件1、设计题目：水冷却牛奶-换热器的设计2、设计条件：(1)牛奶处理量：79吨/小时=21.94kgs进口温度：100；出口温度：30o(2)冷却水进口温度：25；出口温度：35(3)压强降：管程V80kPa;壳程V50kPa0(1)根据设计条件选择合适的换热器型号，并核算换热面积、压力降是否满足要求，并设计管道与壳体的连接，管板与壳体的连接、折流板等；(2)绘制列管式换热器的装配图；(3)编写课程设计说明书。二、设计方案的确定1、换热器类型选择：食品工业中的换热器，主要分为间壁式和混合式两大类，间壁式换热器中的列管式换热器是目前各行业应用最广泛的标准化换热设备。列管式换热器主要有固定管板式、浮头式、U形管式三类，其中固定管板式适用于壳体与管束间温差较小，物料不易结垢的场合，而浮头式则在壳体与管束间温差超过50,并且管束空间需经常清洗的场合使用较多。对于流体流动空间的选择，要综合考虑多方面的因素，但要遵循传热效果好、结构简单、易于检修和清洗的原则，以此来决定何种流体走壳程，何种流体走管程。本设计中，由于冷流体和热流体之间的温差较小，所以选择固定管板式，且出于传热效果和清洗方面的考虑，选择让牛奶走管程，冷却水走壳程。当冷热流体进行逆流操作时，冷流体温升空间可适当增大，以减少冷流体的用量，因此本设计冷流体采用逆流。2、流体流动空间的确定：固定管板式换热器管程易清洗，牛奶的黏度较水大，且容易结垢,并且考虑到牛奶饮用卫生标准方面的因素，所以选择牛奶走管程，水走壳程。3、流体流向的选择：因为当流体进行逆流操作时的平均温差大于顺流，且冷流体温升空间大，能更有效地冷却热流体，所以本设计中流体流动采用逆流。三、确定物性数据1、计算两流体的定性温度：对于一般流体(如牛奶)、水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。牛奶：=100+30=6522冷却水：一心上=25+35=30。C222、确定物性数据：根据牛奶和冷却水的定性温度，查取相关文献，得牛奶和水在各自的定性温度下的物性数据见表1：表1牛奶和水在定性温度下的物性数据密度P黏度U比热容CP传热系数入物料(kgm3)(PaS)(Z(ZgOe)(W(m2oC)牛奶1030.00.00153.9700.5800995.70.00084.1740.6171四、试算和初选换热器规格1、计算热流和冷却水的流:热流量：Q=qmcp=21.94×3.970×IO3×(100-30)=609712W水的用量：W=旦CPbt97126=146.07/,4.174×1000×102、计算有效平均温差:_区一外一W_(100-35)(3025)In竺5=23.39oC3、校核有效平均温差:p=0-,3jr=三=7图1对数平均温差校正系数图查图1得为=0.87,所以两流体的有效平均温差为:Nm=Qm=0.87×23.39=20.35oC4、选取经验总传热系数K：由于牛奶的总传热系数与水接近，故取储=600卬/(s。0。5、估算传热面积:屋Q6097126,、”A=499.36mKr,tm600×20.356、初选换热器规格:根据估算换热面积，选用合适的换热器。此处选用加9切x2加传热管，管心距r=25“,选用的固定管板式换热器的基本参数见表2：表2所选换热器的基本参数参数项目参数数据参数项目参数数据公称直径。nz三71000中心排管数39公称压力4/M&1.6管程流通面积/小0.0524管程N4换热管长度加9000管子根数1186计算换热面积/小630.17、计算实际传热面积：根据选取的换热器计算实际传热面积:A=ndL=1186×3.14×0.019×9=636.81m2五、核算总传热系数由于是根据估计的总传热系数K计算的换热面积，所以选取的换热器是否可用还未知，因此需对K和换热面积A进行校核。1、管程对流传热系数：根据所选换热器得知管程流通面积：Aj=O.0524/管程流体流速:=0.41 mJ s"i=21.94'piAi1030×0.0524雷诺数:_0.015×0.41×1030_0.0015普兰特准数:3.970×1000×0.00150.5800=10.27由于流体被冷却，故n取0.3,且2300<Re<l0000所以管程对流传热系数为:"=。喏(誓严管。23,需x4223<10"3=1422,44/(w2oC)ai=a(-6x1?')=1422.44x(1-6xl)=1168.30W/(n2oC)'Re184223182、壳程对流传热系数:折流板间距取8=850?2，壳程流通面积：4=BDl-f)=0.85×1×(l-)=0.2040,壳程流体流速:W_146.07poAo995.7×0.2040=0.72tn/s管子成正三角形排列,当量直径：<=2-2)4x(×0.0252-×0.0192)=24=0.017m3.14x0.019雷诺数:Re=0.017×0.72×995.70.0008=15234.21普兰特准数：”0.6171c,wo4.174×10,n Ydbd1+ % ×v + T7- + 2 + -×0.0008cz1i=5.41由于Io(Kl5234.21<60000,&取1.05,则壳程对流传热系数:a724("e"(Ro)0.6(C/M/“)()0.14d©入OZAr=1.72×°，612X15234.2106×5.41××1.05°140.0170 dm %=3095.72IV(w2oC)3、总传热系数:查表得牛奶和冷却水的污垢热阻分别为:Rxi=0.00017197W(m2-oC)/?$2=0.00017197W(m2-oC)则总传热系数为:0.0191168.30×0.015+三三197x需+甯X耨+(三H7I97+康=541.60IV(woC)4.面积裕度:实际热流量：Q=KAtm=541.60×636.81X20.35=7018640W实际热流量与理论热流量的比值:Q70186401c=5面积裕度：= 553.58m2s_Q_6097126一KMf-541.23X20.35A-SS_ 636.81 - 553.58553.58×100% =15.0%传热面积裕度合适，故该换热器能完成生产任务。5.壁温的核算:因为管壁很薄，而且壁热阻很小。冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为25,出口温度为35计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期,污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取壳侧污垢热阻为零计算传热管壁温。Q=aA(t-tw)a=3095.72W(w2)t=30A=研=1186x3.14x0.019x9=636.81/= 26.91C27oC2:30-6097126aA3095.72×636.8130°C时，/=0.0008Ptz-5；27W，=0.0009Azs,=o89，与计算壳程对流传热系数所假设的数值接近。w0.0009六、核算压强降1、管程：ZAPi=（夕+%）EMNp式中p1直管中因摩擦阻力引起的压力降；生回弯管中因摩擦阻力引起的压力降（可由经验公式"2=3（.2/2）估算）；NS壳程数，此处为1;NP管程数，此处为4;F1结垢校正系数，无因次，25mm×2.5mm的换热管取1.4:例9如"X2加的换热管取1.5。p1=i=0.047××l03°x°4'=244.32Pa,di20.0152（传热管粗糙度取£=0.1“%由Re,=4223,传热管相对粗糙度.=0.007,查图2得摩擦系数4=0047）0.009o.oot.0002 0001LOOOOS.00001ME潜敢Hr1>e7sH1 S 2 >."30。 d O 1 O Ooooo O O OY券般造所OOOI (XxM 0004卡n名工图2摩擦系数/l与Re、Md的关系曲线P=<i=3×1030x°=259.71P6¾,/2'22管程压力降：EPi=(2441.32+259.71)×1,5×1×4=16206.1SPa<SOkPa,满足管程压力降的要求。2、壳程：po=(p1'+p2)Vv式中p1一一流体横过管束的压力降；p2一一流体流过折流挡板缺口的压力降；fo壳程流体的摩擦系数，=5.0×Re-228(Re>500)F一一管子排列方式对压力降的校正系数：三角形排列F=0.5,正方形直列F=OJ,正方形错列尸=0.4；uo按壳程流通截面积545-加。-巩4)计算的流速，m/soFt结垢校正系数，无因次,对液体=1.15,对气体耳=1.0；勺一一横过管束中心线的管数；NB折流挡板数目。折流挡板数目：Nb=-=-1=10BB0.85fo=5.0×Re228=5.0×15234.21o228=0.56p,'=FfOnC(NB+1)勺=0.5X0.56×39×(l0+1)×=31001.22Pa.z/cu2B、0o“()21八/I2x0.85、995.7×0.722ZlNZlUU“p2=NB(3.5-)=10×(3.5j-)×=4645.54Pa壳程压力降：=+)=1.15×1×(31001.22+4645.54)=40993.77Pa<50kPa,满足壳程压力降的要求。通过对流体流经管程和壳程压力降的计算，得出管程和壳程压力降均未超过本设计所要求的范围，故上述核算表明，本设计中所选换热器满足工艺要求。七、辅助设备的计算与选型：1、管箱：壳径较大的换热器大多采用管箱结构，由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此选取的管箱结构应便于拆装和易于清洗。2、封头:封头有方形和圆形两种，一般方形适用于公称直径较小的换热器,而圆形适用于公称直径较大的换热器。本设计中由于A=IOoOmm,所以选圆形封头。3、折流板：在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束震动和管子弯曲的作用。为了使折流板能牢固地保持在一定位置上，通常还会采用拉杆和定距管。折流板采用缺25%的圆缺型折流板，间距取B=0.85m,则折流板个数为S=工-1=、-1=10（个）。B0.854、接管：（1）管程流体进出口接管：取接管内牛奶流速为=1.5Ms,则接管内径为：4x21.944 × 1.5×1030=0.134 m,取标准管径为°=15O7W2x8z/M的冷拔无缝钢管；（2）壳程流体进出口接管：取接管内循环水流速=IeWs,则接管内径为:4× 146.073.14xl.0 x 995.7=0.432m取标准管径为°=450.X9频的冷拔无缝钢管。5、离心泵的选择：(1)牛奶的流量：匕=还=出=76.70团3/，p1030雷诺数：Re=0134×15×103°=138020i0.0015接管粗糙度取=0.Izwm，则£=电=0.0007di134查取图2得Z=O.0205假设离心泵安装在距离换热器/=3团的位置，则该段距离的阻力损失为:ayIK八八”<31030×1.52.q1oidpf=iT=0.0205X×=531.81Pa扬程：H =-,+> =16206.18 + 531.81 .1.00777 9IO3O×9.81fdi20.1342选择型号/S125-100-200,转速为1450"min,流量为100加3j扬程为125%的离心泵。(2)水的流量：K=-=146,07X3600=528.12ffl3,p995.7雷诺数：Re=心=0432xQ9957=537678o0.0008接管粗糙度取£=0.1板2,则£=史=0.(XX)2di432查取图2得用=0.0155假设离心泵安装在距离换热器，=3z的位置，则该段距离的阻力损失为：.22pf=o-=0.0155××995/7x1=53.59P«fdo20.4322扬程：乩=j4099377+5359=4w,"pg995.7×9.81选择型号为DF600-60*6,流量为60()加/的离心泵。八、设计结果一览表1 .参数数据：所选换热器的各参数数据见表3：表3所选换热器的参数数据参数管程(牛奶)壳程(水)处理量/(Kgh)79000525852进(出)口温度/100(30)25(35)物性定性温度/6530密度/(kgm13)1030995.7定压比热容/kJ/(Kg)3.9704.174黏度/Pas0.00150.0008热导率W(m)0.58000.6171普朗特数10.275.41设备结构参数形式固定管板式壳程数1壳体内径mm1000台数1管径mm19×2管心距n三25管长/nun9000管子排列三角形管数目/根1186折流板数/个10传热面积/k630.1折流板间距mm850管程数4材质碳钢主要涉及结果管程壳程流速/(ms)0.410.72对流传热系数/(W(112)1168.303095.72污垢热阻/(m2C)W)0.000171970.00017197热流量/Kw6097.126传热温差/20.35传热系数/(W(m2)541.60面积裕度15.02 .主要符号说明：本设计中所涉及的主要符号说明见表4：表4主要符号说明符号意义及单位B折流板间距，mmCP定压比热容，kJ(kgCC)压力，Pad管径，阳Re雷诺数Pr普兰特准数Q热流量，WW水流量，kg/s换热器壳体内径，mmA壳程流体摩擦系数K结垢校正系数F管子排列方式对压力的校正系数RS污垢热阻，W(n2)K总传热系数，W(m2.)A传热面积，tn2L管长，mmq,”质量流量%gsNs壳程数NP管程数n管数A流通截面积，62a对流传热系数，W(m2)NB折流板数导热系数，W(m2.)t管心距,nun黏度，PasPHu(PNpz体积流量，/s密度，kgmi压头，m流速，m/s传热温差，温差校正系数离心泵的阻力损失，Pa粗糙度，如九、经济核算为了了解本设计中我们所选的换热器的工艺要求，以及设备能否投入实际生产应用，能否给公司带来利益，我们对本次设计进行了一次粗略的经济核算。具体内容如下：1、所选换热器类型为固定管板式，相对于造价高，结构复杂，金属耗用量大的浮头式换热器来说，固定管板式换热器结构简单，在相同的壳体直径内排管最多，这在设备的选用上就节约了一大笔经济耗费；2、所选换热器管程数为4,相较于6管程的换热器来说，不仅大大降低了流体的阻力损失，冷热流体的传热温差也相对较高。这意味着这台换热器在投入生产时将会减少流体输送器械所带来的额外经济耗费；3、流体的流向采用逆流，因为当流体进行逆流操作时的平均温差大于顺流，且冷流体温升空间大，能更有效地冷却热流体；4、在满足传热面积裕度要求的基础上，安装最少的折流挡板，减少了壳程的阻力损失；5、在满足换热器的工艺要求的基础上，选用换热管和换热器的冷热流体的接管时都选用了碳钢材料，节约了设备的成本。综合以上多种因素，我们认为该换热器经济消耗相对合理，因此可以投入实际生产应用。十、设计评述我们非常重视本次课程设计，因为这是我们的第一份设计。通过图书馆借阅资料，上网搜索文献，查找出正确的物性参数，确保设计结果的准确性。因为设计的儿个重要参数的取值条件是相互矛盾的,所以在取值时要试用，不仅要考虑到计算中是否符合要求，还要考虑实际生产应用中的工艺价值，所以一旦数据不合适便要舍弃重新选取换热器进行新的核算。由于我们是第一次做化工原理的课程设计，经验甚少，所以重复计算了很多遍才选到合适的数据。初稿发下来后，我们又对老师指出的问题进行了纠正，对各个方面进行了严格的检查和认真的改正，并就所做的设计能否投入到实际生产应用中进行了经济核算。通过做课程设计。不仅锻炼了我们计算的能力以及细心的习惯,因为一个数字也许便会导致所有数据不能用。同时让我们对食品工程原理这门课程有了更深刻的认识，也为我们以后学习工程理论与实践知识奠定了基础。十一、参考文献1刘成梅，罗舜菁，张继鉴,食品工程原理M.北京：化学工业出版社，2011.15-18.2刘成梅，罗舜菁，张继鉴.食品工程原理M.北京：化学工业出版社，2011.305.3刘成梅，罗舜菁，张继鉴.食品工程原理M.北京：化学工业出版社，2011.98-115.4马江权，冷一欣.化工原理课程设计（第二版）M.北京：中国石化出版社，2011.50-75.5柴诚敬，李国维，李阿娜.化工原理课程设计M.天津：天津科学技术出版社，2002.8-34.6王卫东,化工原理课程设计M北京：化学工业出版社，2011.138-163.7王卫东,化工原理课程设计M北京：化学工业出版社，2011.180.8李云飞，葛克山.食品工程原理M.北京：中国农业大学出版社，2002.29-31.9陈敏宜丛德滋,方图南,齐鸣斋.化工原理上册M.北京：化学工业出版社，2006.222-231.10陈敏恒,丛德滋,方图南,齐鸣斋.化工原理上册M.北京：化学工业出版社，2006.293-300.十二、附录：参考图纸