食品工程原理課程設(shè)計(jì)---列管式換熱器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　l </p><p><b>　　食品工程原理</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書</b></p><p><b>　　列管式換熱器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　姓名：

2、 </p><p>　　學(xué)號(hào)： </p><p>　　班級(jí)： </p><p>　　2011年12月30日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、設(shè)計(jì)意義

3、---------------------------------------------------------------1</p><p>　　二、主要參數(shù)說(shuō)明---------------------------------------------------------1</p><p>　　三、設(shè)計(jì)過(guò)程

4、3</p><p>　　四、設(shè)計(jì)計(jì)算---------------------------------------------------------------3</p><p>　　1、確定設(shè)計(jì)方案-------------------------------------------------------3</p&g

5、t;<p>　　2、確定物性數(shù)據(jù)-------------------------------------------------------4</p><p>　　3、計(jì)算總傳熱系數(shù)-----------------------------------------------------4</p><p>　　4、計(jì)算傳熱面積-----------------------

6、---------------------------------5</p><p>　　5、工藝結(jié)構(gòu)尺寸--------------------------------------------------------5</p><p>　　6、換熱器核算-----------------------------------------------------------7</p&g

7、t;<p>　　（1）熱量核算---------------------------------------------------------7</p><p>　?。?）換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力-----------------------------------9</p><p>　　（3）換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果總表--------------------10&l

8、t;/p><p>　　五、參考文獻(xiàn)--------------------------------------------------------------11</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)意義</b></p><p>　　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)及航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。換熱器不

9、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。</p><p>　　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。</p><

10、p>　　目前國(guó)內(nèi)外在過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)中所用的換熱器設(shè)備中，管殼式換熱器仍占主導(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。</p><p><b>　　二、主要參數(shù)說(shuō)明</b></p><p>　　T---牛

11、奶的定性溫度，℃</p><p>　　t---冷鹽水的定性溫度，℃</p><p>　　---牛奶的密度，kg/m3</p><p>　　---牛奶的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)</p><p>　　---牛奶的導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m·℃)</p><p>　　---牛奶的粘度，Pa·s&

12、lt;/p><p>　　---冷鹽水的密度，kg/m3</p><p>　　---冷鹽水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)</p><p>　　---冷鹽水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)</p><p>　　---冷鹽水的粘度，Pa·s </p><p>　　----熱流量，kW&

13、lt;/p><p>　　----總傳熱系數(shù)，W/(㎡·℃)</p><p>　　----進(jìn)行換熱的兩流體之間的平均溫度差，℃</p><p>　　----冷卻水用量，kg/s</p><p><b>　　----雷諾準(zhǔn)數(shù)</b></p><p><b>　　---普蘭特準(zhǔn)數(shù)<

14、/b></p><p>　　----管程傳熱系數(shù)，W/（㎡·℃）</p><p>　　----殼程傳熱系數(shù)，W/</p><p>　　----冷鹽水污垢熱阻，㎡·℃/W; </p><p>　　----牛奶污垢熱阻，㎡·℃/W</p><p>　　----管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（

15、㎡·℃）</p><p>　　---傳熱管數(shù)，（根）</p><p>　　---傳熱管長(zhǎng)度，m</p><p><b>　　---換熱器管程數(shù)</b></p><p><b>　　---傳熱管總根數(shù)</b></p><p><b>　　---溫度校正系數(shù)&

16、lt;/b></p><p>　　---橫過(guò)管束中心線的管數(shù)</p><p><b>　　---管心距，mm</b></p><p>　　---殼體內(nèi)徑，mm</p><p>　　---弓形折流板圓缺高度，mm</p><p>　　---折流板間距，mm</p><p&g

17、t;<b>　　---折流板數(shù)</b></p><p>　　---接管內(nèi)徑，mm</p><p><b>　　---當(dāng)量直徑，m</b></p><p>　　---殼程流體流速，m/s</p><p>　　---管程流體流速，m/s</p><p><b>　　--

18、-傳熱面積，</b></p><p>　　---換熱器實(shí)際傳熱面積，</p><p>　　---換熱器面積裕度</p><p>　　---管程壓降，Pa</p><p>　　---管內(nèi)摩擦壓降，Pa</p><p>　　---管程的回彎壓降，Pa</p><p><b>　

19、　---殼程串聯(lián)數(shù)</b></p><p>　　---管程壓降的結(jié)垢修正系數(shù)</p><p>　　---殼程壓降，Pa</p><p>　　---流體流經(jīng)管束的阻力，Pa</p><p>　　---流體流過(guò)折流板缺口的阻力，Pa </p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)過(guò)程</b>&l

20、t;/p><p>　　在滅菌后牛奶的冷卻過(guò)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(guò)程采用濃度很稀的冷鹽水冷卻（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(tái)列管式換熱器完成該生產(chǎn)任務(wù)。</p><p><b>　　四、設(shè)計(jì)計(jì)算</b></p>

21、;<p><b>　　1、確定設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　(1)、選擇換熱器類型</p><p>　　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。</p><p>　　(2)

22、、流動(dòng)空間及流速的確定</p><p>　　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。</p><p><b>　　2、確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。<

23、/p><p>　　管程冷鹽水的定性溫度為</p><p>　　殼程牛奶的定性溫度為</p><p>　　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)。</p><p>　　牛奶在47.5℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： </p><p>　　密度　　 =1030 kg/m3</p><p&

24、gt;　　定壓比熱容 =3.770 kJ/(kg·℃)</p><p>　　導(dǎo)熱系數(shù)　　 =0.61 W/(m·℃)</p><p>　　粘度　　 =0.002128 Pa·s</p><p>　　冷鹽水在15℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　密度 =999

25、.1 kg/m3</p><p>　　定壓比熱容 =4.189kJ/(kg·℃)</p><p>　　導(dǎo)熱系數(shù) =0.5894 W/(m·℃)</p><p>　　粘度 =0.00113376 Pa·s</p><p><b>　　3、計(jì)算總傳熱系數(shù)</b&

26、gt;</p><p><b>　　(1)、熱流量</b></p><p>　　(2)、平均傳熱溫差</p><p>　　(3)、冷卻冷鹽水用量</p><p><b>　　(4)、總傳熱系數(shù)</b></p><p><b>　　管程傳熱系數(shù)</b>&l

27、t;/p><p><b>　　殼程傳熱系數(shù)</b></p><p>　　假設(shè)殼程的傳熱系數(shù) </p><p><b>　　污垢熱阻</b></p><p><b>　　管壁導(dǎo)熱系數(shù)</b></p><p><b>　　4、計(jì)算傳熱面積</b&

28、gt;</p><p>　　考慮20%的面積裕度</p><p><b>　　5、工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>　　(1)、管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　選用 傳熱管（碳鋼）。管內(nèi)流速取 。</p><p>　　(2)、管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p>　　依

29、據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)。</p><p>　　按單程管計(jì)算，所需傳熱管長(zhǎng)度為</p><p>　　按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=6m。則該換熱器管程數(shù)為</p><p><b>　　傳熱管總根數(shù)為</b></p><p>　　(3)、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)</p>

30、<p>　　平均傳熱溫差校正系數(shù)</p><p>　　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。</p><p><b>　　可得：</b></p><p><b>　　平均換熱溫差</b></p><p>　　(4)、傳熱管排列和分程方法</p><p>

31、　　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 </p><p>　　橫過(guò)管束中心線的管數(shù)</p><p><b>　　(5)、殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)。取管板利用率 ，則殼體內(nèi)徑為</p><p><b>　　圓整可取 。</b><

32、/p><p><b>　　(6)、折流板</b></p><p>　　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。</p><p>　　取折流板間距 。故可取B=150mm。</p><p><b>　　折流板數(shù)</b></p>&l

33、t;p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p><b>　　(7)、接管</b></p><p>　　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</p><p><b>　　0.046m</b></p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50mm</p><

34、p>　　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</p><p><b>　　0.109m</b></p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為100mm</p><p><b>　　6、換熱器核算</b></p><p><b>　　(1)、熱量核算</b>

35、;</p><p><b>　　、殼程傳熱系數(shù)</b></p><p>　　對(duì)圓缺形折流板可采用科恩公式</p><p>　　當(dāng)量直徑，由正三角形排列得</p><p><b>　　殼程流通截面積</b></p><p>　　殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為</p>

36、<p><b>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)</b></p><p><b>　　粘度校正</b></p><p><b>　　、管程對(duì)流傳熱系數(shù)</b></p><p><b>　　管程流通截面積</b></p><p><b>　　管程流體流速&

37、lt;/b></p><p><b>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)</b></p><p><b>　　、傳熱系數(shù)K</b></p><p><b>　　782.9 </b></p><p><b>　　、傳熱面積S</b></p><p>

38、;　　該換熱器實(shí)際傳熱面積Sp</p><p><b>　　該換熱器面積裕度為</b></p><p>　　換熱器的面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p>　　(2)、換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力</p><p><b>　　、管程流動(dòng)阻力</b></p><p>

39、;　　Ns=1, Np=2, =1.4</p><p>　　由Re=19128，傳熱管相對(duì)粗糙度為 ，查莫狄圖得</p><p><b>　　，流速 ， </b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　　故管程流速阻力在允許范圍內(nèi)&l

40、t;/p><p><b>　　、殼程阻力</b></p><p><b>　　流體流經(jīng)管束的阻力</b></p><p>　　流體流過(guò)折流板缺口時(shí)的阻力</p><p>　　殼程流體阻力也比較適宜</p><p>　　(3)、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果如下表：</p>

41、;<p><b>　　五、參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　1.賈紹義、柴誠(chéng)敬.化工原理課程設(shè)計(jì).天津：天津出版社，2002</p><p>　　2.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，2003</p><p>　　3.匡國(guó)柱、史啟才.化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002 <

42、/p><p>　　4.涂偉萍等.化工過(guò)程及設(shè)備設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000</p><p>　　5.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書編委會(huì).換熱器設(shè)計(jì).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988</p><p>　　6.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB151-89鋼制管殼式換熱器.國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布，1989</p><p>　　7.錢頌文主編.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè).北京