食品工程原理——列管式換熱器課程設(shè)計(jì)實(shí)例 - 副本

1、學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 課課 程程 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 題題 目目 年處理年處理 ？萬(wàn)噸牛奶換熱器設(shè)計(jì)萬(wàn)噸牛奶換熱器設(shè)計(jì) 學(xué)學(xué) 院院 環(huán)境與資源學(xué)院 專專 業(yè)業(yè) 食品科學(xué)與工程 班班 級(jí)級(jí) 2013 食品？班 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 常海軍 周文斌 2015 年12 月31日 重慶工商大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 學(xué)院： 環(huán)資學(xué)院 班級(jí)： 2013 食品？班 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 優(yōu)秀 (100 x90) 良好 (90 x80) 中等 (80 x70) 及格 (70 x60) 不及格(x1.00.8-1.8 0.5-1.55-30 殼程流速，m/s 0.5-1.50.5-1.50.2-1.50.50.4-

2、1.0 0.3-0.82-15 1.5 材質(zhì)的選擇 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 1.5.1 碳鋼 價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對(duì)堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無(wú)耐腐蝕 性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。如一般換熱器用的普通無(wú)縫鋼管，其常用的材料為 10 號(hào) 和 20 號(hào)碳鋼。 1.5.2 不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以 1Crl8Ni9Ti 為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的 18-8 奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧 氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。 1.6 管程結(jié)構(gòu) 介質(zhì)流經(jīng)傳熱管內(nèi)的通道部分稱為管程。 1.6.1 換熱管布置和排列問距 常用換熱管規(guī)格有 192 mm、252 mm、252.5 m

3、m。 標(biāo)準(zhǔn)管子的長(zhǎng)度常用的有 1500mm，2000mm，3000mm，6000mm 等。當(dāng)選用其他尺寸的 管長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)管長(zhǎng)的規(guī)格，合理裁用，避免材料的浪費(fèi)。 換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同 心圓排列，如下圖所示。 (a) 正方形直列 （b）正方形錯(cuò)列 (c) 三角形直列 （d）三角形錯(cuò)列 （e）同心圓排列 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器， 外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國(guó)換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列； 浮頭式則以正方形錯(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。 對(duì)于多管程換熱器，常采用組合排列方式。

4、每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之 間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 1.6.2 管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來(lái)。 管板與管子的連接可脹接或焊接。 1.7 殼程結(jié)構(gòu) 介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道部分稱為殼程。 殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。 由于各種換熱器的工藝性能、使用的場(chǎng)合不同，殼程內(nèi)對(duì)各種元件的設(shè)置形式亦不同，以 此來(lái)滿足設(shè)計(jì)的要求。各元件在殼程的設(shè)置，按其不同的作用可分為兩類：一類是為了殼 側(cè)介質(zhì)對(duì)傳熱管最有效的流動(dòng)，來(lái)提高換熱設(shè)備的傳熱效果而設(shè)置的各種擋板，如折流板、 縱向擋板。旁路擋板等；另一類

5、是為了管束的安裝及保護(hù)列管而設(shè)置的支承板、管束的導(dǎo) 軌以及緩沖板等。 1.7.1 殼體 殼體是一個(gè)圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)人和排出之用。直徑小于 400mm 的殼體通常用鋼管制成，大于 400mrn 的可用鋼板卷焊而成。殼體材料根據(jù)工作溫度 選擇，有防腐要求時(shí)，大多考慮使用復(fù)合金屬板。 介質(zhì)在殼程的流動(dòng)方式有多種型式，單殼程型式應(yīng)用最為普遍。如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn) 小于管側(cè)，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。用兩個(gè)換熱器串聯(lián)也可得到同樣的效果。 為降低殼程壓降，可采用分流或錯(cuò)流等型式。 殼體內(nèi)徑D取決于傳熱管數(shù)N、排列方式和管心距t。計(jì)算式如下： 單管程 0 )32() 1(dnt

6、D c 式中 t管心距，mm； d0換熱管外徑，mm； nc橫過管束中心線的管數(shù)，該值與管子排列方式有關(guān)。 正三角形排列： 正方形排列： 多管程 式中 N排列管子數(shù)目； 管板利用率。 正角形排列：2 管程 =0.70.85 4 管程 =0.60.8 正方形排列：2 管程 =0.550.7 4 管程 =0.450.65 殼體內(nèi)徑D的計(jì)算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 1.7.2 折流板 在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過管束，增加流體速度， 以增強(qiáng)傳熱；同時(shí)起支撐管束、防止管束振動(dòng)和管子彎曲的作用。 折流板的型式有圓缺型、環(huán)盤型和孔流型等。 圓缺形折流板又稱弓形折流板，是常用的折流

7、板，有水平圓缺和垂直圓缺兩種。切缺 率(切掉圓弧的高度與殼內(nèi)徑之比)通常為 2050。垂直圓缺用于水平冷凝器、水平再 沸器和含有懸浮固體粒子流體用的水平熱交換器等。垂直圓缺時(shí)，不凝氣不能在折流板頂 部積存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部積存。弓形折流板有單弓形和雙弓形， 雙弓形折流板多用于大直徑的換熱器中。 折流板的間隔，在允許的壓力損失范圍內(nèi)希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值 為殼內(nèi)徑的 1/5 或者不小于 50 mm，最大值決定于支持管所必要的最大間隔。 1.7.3 殼程接管 殼程流體進(jìn)出口的設(shè)計(jì)直接影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。當(dāng)加熱蒸汽或高 速流體流入殼程時(shí)，對(duì)換熱管會(huì)

8、造成很大的沖刷，所以常將殼程接管在入口處加以擴(kuò)大， 即將接管做成喇叭形，以起緩沖的作用；或者在換熱器進(jìn)口處設(shè)置擋板。 2 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 2.1 選擇換熱器的類型 因?yàn)槲覀円訜岬牟牧鲜枪?，流體壓力不大，管程與殼層溫度差較大，并考慮易清 洗性，所以初步確定選用固定管板式換熱器。 2.2 流體流動(dòng)空間及流速的確定 因?yàn)楸敬嗡幚淼墓c冷卻水的進(jìn)出口溫差都大于 50C，所以需要焊接膨脹節(jié)。 由于果汁較水有腐蝕性，而管子及管箱用耐腐蝕材料造價(jià)低,故應(yīng)使果汁走管程，冷 卻水走殼程。 考慮到要進(jìn)行加熱的是果汁，所以選用不銹鋼材質(zhì)的管。 綜上所述，選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，選用 25*2.0 的

9、不銹鋼管，管內(nèi)流 速取 u=0.5m/s. （二）工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算（二）工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算 1 確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值 殼程水的定性溫度為： 11 2 616 T 管程果汁的定性溫度為： t =50 2 2080 根據(jù)定性溫度，查得： 果汁在 50下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 = 1050 kg/ i 3 m 定壓比熱容 =3.98 kJ/(kgK) ci p, 導(dǎo)熱系數(shù) =W/(mK) i 61 . 0 黏度 =0.00215Pas i 冷卻水在 11下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 =999.7 kg/ o 3 m 定壓比熱容 =4.191 kJ/(kg) co p

10、, 導(dǎo)熱系數(shù) = 0.5741 W/(m) o 黏度 =0.001271Pas o 2 計(jì)算總傳熱系數(shù) 2.1 熱流量 =20003.98(80-20)=477600 kJ/h=132.7(kW) i ip ii tmQ c, 2.2 平均傳熱溫差 =（） m t90.32 6-20 16-80 ln 6)-(20-16)-(80 ln t- 2 1 21 t t t 2.3 冷卻水用量 kg/h11396 )616(191 . 4 477600 , oop i tC Q Wo 2.4 總傳熱系數(shù) K 管程傳熱系數(shù) 2300Re10000過渡流5128 00215 . 0 10505 . 00

11、2 . 0 i iii e ud R Pr=160Pr7 . 003.14 61 . 0 00215 . 0 1098 . 3 3 i i pc i 流體被冷卻n=0.3 3 . 08 . 0 PrRe023 . 0 i i i d = 3 . 08 . 0 03.145128 021. 0 61. 0 023. 0 =2415W/() 2 m 8 . 1 5128 600000 1 ） 2 /(1198874 . 0 1371mW i 殼程傳熱系數(shù) 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù) W/()1600 0 2 m 污垢熱阻 () / W0005 . 0 si R 2 m () / W000172 . 0 s

12、o R 2 m 管壁的導(dǎo)熱系數(shù) .4 W/(m)，17 故 0 0 000 1 1 s mi si ii R d bd d d R d d K = 1600 1 000172 . 0 023 . 0 4 . 17 025 . 0 002 . 0 021 . 0 025 . 0 0005 . 0 021 . 0 1198 025 . 0 1 = 398 W/() 2 m 3 傳熱面積的計(jì)算 S= （）13.10 90.32398 10 7 . 132 3 m i tK Q 2 m 考慮 15%的面積裕度，S=1.15S=1.1510.13=11.65（） 2 m 4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 4.1 管徑和

13、管內(nèi)流速 選用 25mm2.0mm 的不銹鋼管，管內(nèi)流速取 ui=0.5m/s。 4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) =3.05 根4 根 s n ii ud V 2 4 5 . 0021 . 0 785 . 0 )10503600/(2000 2 按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為： L=49.4m s nd S 0 3025 . 0 65.11 按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng) =6m，則該換熱器的管程l 數(shù)為: N =9(管程) p 2 . 8 6 4 . 49 l L 傳熱管總根數(shù)為：N=3)(279根 4.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)

14、 平均傳熱溫差校正系數(shù) R =6 616 2080 冷流體的溫升 熱流體的溫降 P =0.135 6-80 616 兩流體的最初溫升 冷流體的溫升 按單殼程，三管程結(jié)構(gòu)，溫度校正系數(shù) 查表得： =0.93 t 平均傳熱溫差 = m t 6 . 30 9 . 3293 . 0 mt t 4.4 傳熱管排列和分程方法 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 t=1.25（焊接法） ，則 t=1.25 25=31.25 mm 32 （mm） 0 d 橫過管束中心線的管數(shù) 618 . 6 2719 . 1 19 . 1 Nnc)(根 4.5 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)

15、，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑為： D=1.05t/N=1.05 32=208.7（mm）7 . 0/27 圓整可取 D=273mm。 4.6 折流板數(shù) 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： h=0.25 273=68.25（mm） ， 故可取 h=65mm 。 取折流板間距 B=0.3D,則 B=0.3 273=81.9（mm） ，可取 B 為 150mm 。 折流板數(shù) N =-1=-1=39（塊） B 折流板間距 傳熱管長(zhǎng) 150 6000 折流板圓缺面水平裝配。 4.7 接管 殼程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)流速為 u=1.0 m/s,則接管內(nèi)徑為

16、： =0.0635（m） 4V d= u 0 . 114 . 3 ) 7 . 9993600()113964( 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 60 mm 。 管程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)流速為 u=1.5 m/s,則接管內(nèi)徑為： 0.0212（m） 5 . 114 . 3 )10503600/(20004 d 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 20 mm 5 換熱器核算 5.1 熱量核算 （1）殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)圓缺形折流板,可采用克恩公式： =0.36 0 14 . 0 0 3 1 55 . 0 0 0 )(PrRe we d 當(dāng)量直徑，由正三角形排列得 d =0.020（m） e o o d dt ) 42 3 (4 2

17、2 025 . 0 14 . 3 )025 . 0 785 . 0 032 . 0 2 3 (4 22 殼程流通截面積： =BD(1-)=0.150.273 (1-)=0.00896（m ） 0 S t d0 032 . 0 025 . 0 2 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 =0.353（m/s） 0 u 00896 . 0 ) 7 . 9993600/(11396 2000Re10000058307 0001271 . 0 7 . 999353 . 0 021 . 0 Re o oi o ud Pr=28 . 9 5741 . 0 001271 . 0 4191 Pr , o oop C 黏

18、度校正（）=0.95 w 14 . 0 =0.36W/() 0 862395 . 0 28 . 9 58307 02 . 0 5741 . 0 3/155 . 0 2 m （2）管程對(duì)流傳熱系數(shù) =0.00104（m ） i S p i N N d 2 4 4 9 27 021 . 0 2 2 =（m/s） i u51 . 0 00104 . 0 )10503600/(2000 (2300Re10000)5230 00215 . 0 105051 . 0 021 . 0 Re 14 61 . 0 00215 . 0 1098 . 3 Pr 3 P C 878 . 0 5230 600000 1

19、 8 . 1 ) W/(m1222 (Pr)(023 . 0 2 i 4 . 08 . 0 i e i i i R d （3）傳熱系數(shù) K 0 0 000 1 1 s mi si ii R d bd d d R d d K = 8623 1 000172 . 0 023 . 0 4 . 17 025 . 0 002 . 0 021 . 0 025 . 0 0005 . 0 021 . 0 1222 025 . 0 1 =504.5 W/() 2 m （4）傳熱面積 S S=（m ）6 . 8 6 . 30 5 . 504 10 7 . 132 3 m tK Q 2 該換熱器的實(shí)際傳熱面積 p

20、S （m ）8 . 9)627()06 . 0 6(025 . 0 14 . 3 )( 0 cp nNLdS 2 該換熱器的面積裕度為 H=%14%100 6 . 8 6 . 88 . 9 %100 S SSp 該換熱器的面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。 5.2 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 （1）管程流動(dòng)阻力 psti NNFPPP)( 21 4 . 1 9 1 t p s F N N 由 Re=5230，傳熱管相對(duì)粗糙度，查摩擦因數(shù)圖得，0048 . 0 21 1 . 0 i d C042 . 0 mW i 流速=0.51（m/s） ， kg/，所以 i u1050 i 3 m =Pa

21、1 P 2 2 i i i u d l 63.1638 2 51 . 0 1050 021 . 0 6 042 . 0 2 = Pa 2 2 2 i u P 7 . 409 2 51 . 0 1050 3 2 故 Pa 100 KPa25808914 . 1) 7 . 40963.1638( i P 管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。 （2）殼程阻力 stN FPPP)( 210 15 . 1 1 t s F N 流體流經(jīng)管束的阻力 2 ) 1( 2 0 01 u NnFfP Bc F=0.4（正方形錯(cuò)列） 4096 . 0 583070 . 5Re0 . 5 228 . 0 228 . 0 00

22、f )/(353 . 0 39 )(6 0 smu N n B c 正方形排列 Pa2449 2 353 . 0 7 . 999 ) 139(64096 . 0 4 . 0 2 1 P 流體流過折流板缺口的阻力 2 ) 2 5 . 3( 2 00 2 u D B NP B B=0.15m ，D=0.273 m Pa 6 . 5832 2 353 . 0 7 . 999 ) 273 . 0 15 . 0 2 5 . 3(39 2 2 P 總阻力 Pa 10 KPa 殼程流動(dòng) stN FPPP)( 210 9524115 . 1 ) 6 . 58322449( 阻力也比較適宜。 （三）輔助設(shè)備的計(jì)

23、算及選型（三）輔助設(shè)備的計(jì)算及選型 1 封頭 殼體內(nèi)徑較小，故采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺 紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 2 分程隔板 分程隔板可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。同時(shí)應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄漏，以防止流體的短 路。 （四）設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表（四）設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表 換熱器型式：帶膨脹節(jié)的固定管板式管口表 換熱面積（m2）：9.80符號(hào)尺寸用途連接型式 工藝參數(shù)： a 20 n D果汁入口平面 名稱殼程管程 b 20 n D果汁入口平面 物料名稱冷卻水果汁 c 60 n D冷卻水入口凹凸面 操作溫度， 6/1680/20d 60 n D冷卻水入口凹凸面 流量，k

24、g/h 113962000e 20 n D排氣口凹凸面 流體密度，kg/m9997 1050f 20 n D放靜口凹凸面 流速，m/s 0.3530.51 傳熱量，kW 132.7 總傳熱系數(shù)，W/m2 504.5 對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m2 86231837 污垢系數(shù)，m2/W 0.0001720.0005 阻力降，Pa 952479912 程數(shù) 19 推薦使用材料不銹鋼不銹鋼 管子規(guī)格 252.0 管數(shù) 27管長(zhǎng)，mm 6000 管間距，mm 32 排列方式正三角形 折流板型式弓形上下間距，mm 150 切口高度 25% 殼體內(nèi)徑， mm 273 保溫層厚度，mm (五）設(shè)計(jì)評(píng)述五）設(shè)計(jì)評(píng)述 該換熱器是專為冷卻果汁設(shè)計(jì)的，嚴(yán)格按照國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。 這是我第一次做該類設(shè)計(jì)，雖然努力依照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)但許多地方仍不太明確，且沒有任 何實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，漏洞在所難免。 通過此次設(shè)計(jì)課程，我學(xué)到了許多理論課中所學(xué)不到的知識(shí)。開始時(shí)一團(tuán)霧水的我， 經(jīng)過一周的資料搜集和研讀才開始設(shè)計(jì)工作，中途對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)次