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1、食品工程原理课程设计说明书设计题目：水冷却牛奶的列管式换热器目录L设计任务书31.1 设计题目31.2 设计条件31.3 设计任务：42 .设计方案简介42.1 换热器设计的基本要求42.2 选择换热器的类型42.3 管程与壳程选取52.4 流向的选取53 .工艺i53.1 确X53.2 计算热负荷63.3 确定冷却水用量63.4 初算逆流时有效平均温差，并校核63.5 计算传热面积73.6 初选换热器规格74 .主体设备设计计算及选型84.1 校核传热系数84.1.1 管程传热系数84.1.2 壳程传热系数84.1.3 污垢热阻94.1.4 传热系数K94.1.5 计算真实传热速率。104.
2、2 校核壁温104.3 校核传热面积114.3.1 传热面积S114.4 计算压强降114.4.1 管程压强降114.4.2 壳程压强降125 .辅助设备的计算及选型135.1 接管135.2 离心泵135.2.1 适于牛奶的离心泵135.2.2 适于冷却水的离心泵145.3 折流板155.4 封头165.5 管箱165.6 管板165.7 放气孔、排液管166 .经济核算167 .设计结果一览表177.1 重要符号一览表177.2 换热器计算结果一览表198 .设计评述219 .参考文献2210 .附录23L设计任务书1.1 设计题目用水冷却牛奶、脱脂牛奶的列管式换热器的设计1.2 设计条件
3、牛奶处理量：64th进口温度：100出口温度：30压强降：管程80kPa壳程V50kPa冷却水进口温度：20出口温度：321.3 设计任务：L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。2 .设计方案简介2.1 换热器设计的基本要求根据换热目的不同，换热器在设计时应满足以下基本要求：（1）满足工艺上规定的换热条件。（2）结构上安全可靠。（3）制造、安装、操作和检修方便。（4）经济上合理。2.2 选择换热器的类型本设计中用水冷却牛奶选用带有折流挡板的固定管板式换
4、热器，因为这种换热器适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的情况。另外，固定管板式换热器具有单位体积传热面积大，结构紧凑、坚固，传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，结构简单，造价低廉，且适用于高温、高压的大型装置中。采用垂直圆缺形折流挡板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率，且垂直圆缺用于含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器。本设计中的固定管板式换热器采用的材料为碳素钢管。2.3 管程与壳程选取因牛奶较易结垢，为了便于清洗，所以我选择牛奶走管程，冷却水走壳程。24流向的选取对于流向的选取我选择逆流，因为逆流相较于其他流动方向而言换热效率
5、高、节省传热面积，节省冷却介质。3 .工艺计算3.1 确定物性参数管程牛奶的定性温度：史Z.=幽网=65C22壳程冷却水的定性温度：*=史必=26C22表1两流体在定性温度下的有关物性参数物料温度t密度P黏度U比热容CP导热系数人/()/(n3)/(Pgs)/kJ/(kgC)l/(wC)牛奶6510301.51033.900.53水26996.80.8737IO34.1790.60973.2 计算热负荷64103Q=n%CpAT=36003.9(1OO-3O)=4853(KW)3.3 确定冷却水用量4853 103CPo4 -4.1791O3(32-20)= 96.8(kgs)34初算逆流时有
6、效平均温差，并校核,r1-r9 _ (100-32)-(30-20) _ 58= -MoO32 =而r230-20= 30.3Cp = = = 015R岩鼻5.8u图1对数平均温差校正系数为同 查上图可知为=0.85,所以MI= %加1 = 0.85 X 30.3 = 25.8 又因;0.850. 8,故可选单壳程的固定管板式换热器。3.5 计算传热面积根据牛奶的物性参数，取K=400W(112.C),则估算传热面积:470.3（川）Q4853x103K-400x25.8-3.6 初选换热器规格表2换热器规格参数规格参数数据规格参数数据公称直径“vmm900管子尺寸mm192公称面积Sm249
7、8.3管程流通面积A/m0.0414管心距a/mm25管长L/m9管子根数n/根938管子排列方式正三角形中心排管数%/根35管程数NP4实际传热面积：SO=nd0L=93S0.019x9=503.9(/)4.主体设备设计计算及选型4.1 校核传热系数4.1.1 管程传热系数牛奶的流速:64103PA360010300.0414= 0.42m s雷诺数：Rej = 4326.0diuipi_0.0150.42X1030i1.5x10-3普兰特数：Prz=3-9131,.3=11.04,i0.53由上式可知2300Re10000,因此管内强制对流为圆直管间过渡流，且液体被冷却n=0.3所以a=0
8、.023包迫)$(4上产=0.023上(Rej)8(Pr,.严4i4di=0.023y(4326.0)8(11.04)3=1354.2w(m2)%=a一誓)=13542(1-J)=112Z5卬/(小)4.1.2 壳程传热系数换热器中心附近管排中流体流通截面积为B=1900(WW)4=BDn(-)=.90.9(1-=0.4104(m2)a0.025水的流速:=0.24(/W / S)77,0_96.8996.80.4104由正三角形排列，得= 0.017(阳)雷诺数：Rf=嘴舒j.9普兰特数：Pr=4.179x10-0,873710-9940.6097因为Re。在IO?6x104范围内，故可用下
9、式计算%因液体被加热，则W=LO5,所以w%=1.72全（必均6（Z（及产=L72（Re0产（Pj（久严4氏4）444=1.72(4654.9)06(5.99)i(1.05)4=1708.0(zh2C)4.13污垢热阻查表可知污垢热阻：Rs0=阳=1.72XIOTm2Cw4.L4传热系数K因牛奶不具有腐蚀性，管子材料可选用碳素钢，取其导热系数4=5.3W(mC)对数平均直径：4”=变喘罂=0.017(MWCWJAInIndi0.015所以传热系数K如下:1-+,+-+0+-4wdm%0.0191122.5x0.015+ 1.721040.019 +0.0150.002 0.01945.3 0.
10、017+ 1.72104 +1708.0=464.4W(m20C)4.1.5计算真实传热速率Q，Q=KS0Atin=464.4503.9X25.8=6037103W=1.24所以1.15QVQ=I.24QL25Q,则该换热器能够完成生产任务。4.2 校核壁温因为管壁很薄，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20,出口温度为32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o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，取两侧污垢热阻为零计算
11、传热管壁温。传热管壁温：(7；F)=26+x(65-26)=51.8C1122.5(-)+1708.00.019壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度乙即传热管壁温与壳体壁温之差为Z=r,l-=51.8-26=25.8因50C,故不需要设温度补偿装置。4.3 校核传热面积4.3.1 传热面积S需要的传热面积S=q=4853x10=4os.。(W)KMm464.425.8实际传热面积So=mdj=938X1X0.019X9=503.9(/)该换热器面积裕度：H=U100%=5039-405.0Xioo%=24%S405.0该换热器的传热面积裕度符合要求。4.4 计算压强降4.4.1 管程压强降ZM
12、=(M+M)EM59mm2mm的换热器取L5已算出：%=0.24m/sRej=4326.0(湍流)因4000Re,所以牛奶流动类型为湍流取碳素管的壁粗糙度=0fnm,则=更=0.00667di150.0010.01500000!0.008,0.0002 MOOol io 00005Jo.OOOOl密训准败打p褪N*图2摩擦系数人与Re、的关系曲线3d由上图可得：=0.036=-丝=0.036，X.103x422=%23Padi20.0152便=3/=3x3包=272.522=1.5M=INp=4ZM=(M+M)GMNP=(1962.3+272.5)1.514=13408.8&vSOkPa4.4
13、.2 壳程压强降ZM=(M*M)EM液体的二1.154=1900。机)折流板数：/V=-1=-1=4BB1.97=5.0XRe0-0228=5.04654.90228=0.7289F=0.5nc=35=FfonC(NB+=0.5X0.728935(4+l)99680.24-=J83J7V=N8(3.5-)=4(3.5-9968x0.24=_829V2BDN20.92.=OPaZm=(W+M,)FtNs=(1831.0+0)1.15l=2105.7RZ50kPa从上述计算可知：该换热器管程与壳程的压强降均满足要求，故该换热器合适5.辅助设备的计算及选型5.1 接管管程流体进出口接管：取接管内牛奶
14、流速产L5s,则接管内径为：叵匚9亚二=o.i2(附ypiuiV,360010301.5根据YB231-70无缝钢管常用规格，标准管径为：0133三4.0三壳程流体进出口接管：取接管内冷却水流速。=2.0ms,则接管内径为：d=,产=J-竽68_=0NWOVTTX996.8X2根据YB231-70无缝钢管常用规格，标准管径为：273mmS.0fwn5.2 离心泵521适于牛奶的离心泵X1f)3叫=64It=MxlNkgIhV=U=62.1(m3),pi1030因为接管标准管径取加33/加X4.0刀，tnSi64103Ref =p36001030- 40J251.4110301.5 W3= 12
15、1025.0133-24?IOOO J=1.41(ms)因4000=7k=017X298=OSm.Z&=%+%=0.17+0.02=0.19m换热器的安装高度取z=1.50优1.412g 2g 29.81=OJOw ,光;13408.8 =L33mPig 10309.81hei = z +% 吸PigWX =1.50 + 1.33 + 0.10+0.19 = 3.12机由以上计算可知，选择IS100-80-125型的离心泵。由【3】查的该泵的性能参数为：流量匕=Ioom3/%；扬程H=20m;轴功率N=7.00Kw;效率=78%。522适于冷却水的离心泵砥O=96.8仅/S=348480依Ih
16、匕O=如=鬻;。=349.6(加/h)因为接管标准管径取。273mm8.0加叫。二 叫。ZVV 竭4=348480CC-O 乃273-2x8、 3600996.8- 4 ( 1000 )= 1.87(/71/5)Re，= M )3No0.257x1.87x996.80.8737 IO-3= 548302.7因4000 Re；,所以水流动类型为湍流。取碳素管的壁粗糙度，则/露3.冈。查图2得，4 = 0.017,接管管长取/ = 10000帆帆-= -17 1,87 =0.12nfi 必 2g0.257 29.8l泵出口管路上装有全开的闸阀，由可知7 = 0.17 h ,- nfQ -1 Qji
17、= 0.17=0.03 m 29.81.Z%o=%0+O=0.12+0.3=0.15n 2 Cit _ Uo1.8722x9.81=0.18?W= 2105.7 3POg 996.8 9.81=z+-+yft=1.5+0.22+0.180.15=2.05/?夕Og2g乙zo由以上计算可知，选择IS200-150-250型的离心泵。由【3】查的该泵的性能参数为:流量匕=400加/力；扬程H=20m;轴功率N=266Kw;效率n=82%。5.3折流板本次设计的冷却器采用圆缺型折流板。折流板数N/4块圆缺高度h=25%。V=225mm板间距B= 1900mm5.4 封头本换热器采用椭圆型封头(JBl
18、154-73)两个，材料采用碳素钢。5.5 管箱DN=90Omm,采用封头管箱5.6 管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将壳程和管程的流体分隔开来。固定管板采用不可拆连接。两端管板直接焊在外壳上，并兼做法兰，拆下顶盖可检修胀口或清洗管内。5.7 放气孔、排液管换热器的壳体上常设有放气孔、排液管，以排除不凝气体和冷凝液等。6.经济核算L选用固定管板式换热器，其造价低廉，相较于其他的换热器更为经济。2 .管子材料使用碳素钢，相较于不锈钢更节约成本，更为经济。3 .,=1122.5%=1708.0管程与壳程的传热系数接近，阻力损失小，更为经济。4 .管程数Np=4,相较于6管程阻力损失小，更为
19、经济。5 .两个离心泵的压头均较小，阻力损失小，经济。6 .折流板数目较少，减少了费用，更为经济。7 .流动方向选择了逆流，提高了传热效率，节省传热面积，节省冷却介质，更为经济。7 .设计结果一览表7.1 重要符号一览表表3字母符号说明符号意义单位B折流板间距mmd管径mmDN公称直径mmF系数h圆缺高度mm续表符号意义单位T热流体温度t冷流体温度Re雷诺数Pr普兰特数fns质量流量Kg/sQ传热量WVs体积流量/M3/SCP定压比热容kJ/(Kg-oC)L管长mmK总传热系数W(m2oC)U流速m/sNB折流板数块P压强降Paa管心距mmS传热面积m2A流通面积m2R污垢热阻(m2C)WZ高
20、度m4当量直径mmhe压头m续表符号意义单位hf阻力mn管子根数根n(中心排管数根H裕度对流传热系数W(w2oC)有限差值导热系数(znoC)黏度Pa-SP密度kg/nv,校正系数i管内O管外m平均S污垢7.2 换热器计算结果一览表表4换热器计算结果参数壳程管程物料水牛奶进口温度/20100续表参数壳程管程出口温度/3230定性温度/2665密度P/(Kg/n?)996.81030定压比热容Ckj(kgC)4.1793.90热导率/W(m)0.60970.53粘度/(Pas)0.8737XlO31.5103形式固定管板式台数1设公称直径小田900壳程数1备管子尺寸mm192管心距a/mm25结
21、管氏L/mm9000管子排列正三角形构管子根数n/根938折流板数N/个4参管程流通面积/in?0.0414折流板间距B/mm1900数管程数N4材质碳素钢流量叫/(kgs)96.817.8流速u/(ms)0.240.42雷诺数Re4654.94326.O普兰特数Pr5.9911.04对流传热系数w(m2C)1708.01122.5污垢热阻Rs(m2JCW)1.7210-41.72104续表参数壳程管程流体流动阻力P/Pa2105.713408.8平均传热温差30.3校核的平均温差加325.8总传热系数KW(m2oC)464.4所需传热量Q/W4853103真实传热量Q/W6037103裕度H
22、24%8 .设计评述通过本次的课程设计，使我对换热器的结构和工作原理有了进一步的理解。并在设计过程中掌握了一定的工艺计算方法。同时，也让我更深刻的了解到全局观念的重要性。在设计换热器时：首先要根据任务要求选择合适的换热器形式。通过对设计参数的核算，固定管板式和浮头式换热器能够满足本次设计的基本需求。浮头式换热器虽然是从性能各方面看都是本次设计理想的换热器，但是对于同样能满足需求的两个换热器来说，固定管板式换热器成本相对较低，结构简单，易于维修和清洗。所以综合考虑设计参数、经济等方面条件后，我最终选择了固定管板式换热器。其次，要选择合适的流体流径。根据选择的主要因素分析，有好多理论相互之间是矛盾
23、的，并不能使条件一一满足。所以要抓住主要矛盾，依据传热效果好，清洗方便等具体情况分析，最终选择了水走壳程，牛奶走管程。考虑到牛奶产品的卫生要求，为减少牛奶的污染，并且考虑到经济方面，减小开支，换热器材质选用碳素钢钢材料。本设计所有参数经反复核算，保证各参数均在设计要求之内，准确可行。9 .参考文献【1】化工设备设计手册编写组.材料与零部件（上）M.上海科学技术出版社.1982.7：123.【2】匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计ML北京:化学工业出版社，2002：133-135.【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，2011.1：17.【4】刘成梅，罗舜菁
24、，张继鉴.食品工程原理M.北京：化学工业出版社，2011.1：20.【5】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，2011.1：126-127.【6】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，2011.1：323-325.【7】刘敏恒，丛德滋.化工原理第三版M北京：化学工业出版社，2006.5：298-299.【8】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，2011.1：56-67.9王卫东.化工原理课程设计M.北京：化学工业出版社,2011.9：152-153.【10】李久耀，徐尧润.牛奶加热的传热系数J.中国乳品工业.第14卷.第4期.1986.8:98-108.10.附录列管式换热器的装配图
