化工原理課程設(shè)計換熱器的設(shè)計—水冷卻純牛奶

1、設(shè)計題目： 換熱器的設(shè)計水冷卻純牛奶設(shè) 計 者：班級 食品1002班 姓名 學號 20103286、20103284 指導(dǎo)教師： 李 鳳 設(shè)計成績：進度 說明書 圖紙 總分 日 期： 2012年11月21日 生命科學與工程學院目錄1、 引言.3 1、設(shè)計題目的目的和意義.3 2、設(shè)計總體要求.3二、設(shè)計方案的確定.3 1、換熱器類型的選擇.4 2、流程的選擇.4 3、流體進出口溫度的選擇.4 4、流體流速的選擇.4 5、流體流向的確定.5三、設(shè)計任務(wù)和設(shè)計條件.5 1、設(shè)計題目.5 2、原始數(shù)據(jù)和設(shè)計條件.5 3、設(shè)計任務(wù).6四、確定物性數(shù)據(jù).6五、試算和初選換熱器的規(guī)格.6 1、計算熱負荷和

2、冷卻水流量.7 2、計算兩流體的平均溫度差.7 3、初選換熱器規(guī)格.8六、核算總傳熱系數(shù).9 1、管程的給熱系數(shù).9 2、殼程的給熱系數(shù).10 3、污垢熱阻.11 4、計算總傳熱系數(shù) K .12 5、傳熱面積裕度.12 6、壁溫核算.12七、核算壓強降.14 1、管程壓強降.13 2、殼程壓強降.14八、輔助設(shè)備的計算及選型.15 1、管箱與封頭.15 2、折流板.16 3、接管.16 4、導(dǎo)流筒.17 5、放氣孔、排氣孔.17 6、管板.17九、設(shè)計評述.18十、設(shè)計結(jié)果一覽表.19十一、本設(shè)計中符號說明表.20參考文獻.21附錄：參考圖紙.221、 引言1、設(shè)計題目的目的和意義通過化工原理

3、的課程設(shè)計，進一步鞏固了食品工程原理理論教學中所學到的知識，學習運用書本知識，學會工程器件的設(shè)計的基本方法和基本技能，學習各種食品工程圖表的使用方法，從而提高分析問題和解決工程設(shè)計問題的基本能力；通過對文件、數(shù)據(jù)的整理提高了文檔的綜合處理能力。為畢業(yè)設(shè)計和以后的工作奠定了一定的基礎(chǔ)。2、設(shè)計總體要求（1）、學習工程常用工具書的使用方法，正確使用工程數(shù)據(jù)和圖 表；（2）、掌握工程設(shè)計基本知識、基本方法；（3）、熟練掌握物料衡算、熱量衡算的方法，提高工藝計算實際 工作能力；（4）、加強圖紙表達能力、文檔能力；（5）、提高分析問題和解決問題的能力。2、 設(shè)計方案的確定確定設(shè)計方案的原則是要保證達到工

4、藝的傳熱指標，操作上要安全可靠，結(jié)構(gòu)上要簡單，便于維修，盡可能節(jié)省操作費用和設(shè)備投資。確定設(shè)計方案主要考慮如下幾個問題。1、換熱器類型的選擇換熱器的種類繁多，選擇時應(yīng)根據(jù)操作溫度、操作壓力、換熱器的熱負荷、管程與殼程的溫度差、換熱器的腐蝕性及其他特性、檢修與清洗的要求等因素進行綜合考慮。綜上由于殼體和管束間溫差較大，其溫差遠遠超過50，且物料較易形成沉積物，所以選擇浮頭式換熱器。2、流程的選擇 在列管式換熱器設(shè)計中，哪種流體走管程，哪種流體走殼程，需要進行合理安排。選擇原則：傳熱效果好、結(jié)構(gòu)簡單、檢修與清洗方便。根據(jù)選擇原則，在用水冷卻純牛奶的換熱器中采用： 純牛奶通過管程、水通過殼程。3、流

5、體進出口溫度的選擇 在換熱器的設(shè)計中，被處理物料的進出口溫度為工藝要求所規(guī)定；冷卻劑的進口溫度一般由氣候條件決定，出口溫度與被冷卻物料應(yīng)該有535的溫度差，同時水作為冷卻劑一般出口溫度不超過4050、進出口溫度差不應(yīng)低于5。當兩流體溫差超過50時，溫度應(yīng)力會造成管子變形或使焊縫破裂。根據(jù)以上原則，冷卻劑水的進口溫度為20、出口溫度為35。4、流體流速的選擇提高流體在換熱器中的流速，將增大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上的沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增加，所需傳熱面積減小，設(shè)備費用降低。但是流速增加，流體阻力將相應(yīng)加大，操作費用增加。因此，選擇適宜的流速是十分重要的，適宜的流速

6、應(yīng)通過經(jīng)濟核算來確定。5、流體流向的確定 當冷、熱流體的進出口溫度相同時，逆流操作的平均推動力大于并流，因而傳遞同樣的熱流體，所需的傳熱面積較小。逆流操作時，冷卻介質(zhì)溫升可選擇得較大因而冷卻介質(zhì)用量可以較小。顯然在一般情況下，逆流操作總是優(yōu)于并流。 綜上可確定冷卻劑水應(yīng)該用逆流較好。3、 設(shè)計任務(wù)和設(shè)計條件1、 設(shè)計題目 換熱器的設(shè)計水冷卻純牛奶2、原始數(shù)據(jù)和設(shè)計條件（1） 純牛奶表1，對純牛奶的要求參數(shù)項目數(shù)量項目數(shù)量處理量（噸/小時）60進口溫度（）100壓強降（kPa）80出口溫度（）30 （2）冷卻水表2，對冷卻水的要求參數(shù)項目數(shù)量項目數(shù)量進口溫度（）20壓強降（50kPa）50出口溫

7、度（）35 3、設(shè)計任務(wù) （1）根據(jù)設(shè)計要求選擇合適的換熱器型號，并核算換熱面積、壓力降是否滿足要求，并設(shè)計管道與殼體的連接，管板與殼體的連接、折流板等。 （2）繪制列管式換熱器的裝配圖。 （3）編寫課程設(shè)計說明書。4、 確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般流體（如純牛奶）、水等低黏度流體，其 定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。管程： 純牛奶 10030殼程： 水 3520 T =65 t = =27.5定性溫度下流體的物性，見表4：表4，定性溫度下流體的物性流體物性溫 度 密 度 kgm3黏度 Pas比 熱 容 CpKJ(kg熱 導(dǎo) 率 W()純牛奶6510300.00153.9700.5800

8、水27.5996.50.00089494.1790.60785、 試算和初選換熱器的規(guī)格 1、計算熱負荷和冷卻水流量熱負荷量： Q=WcCp(T1-T2)=600003.970（10030） =16674000KJh =4631666.67(W)冷卻水的量：W2= =265997Kgh2、 計算兩流體的平均溫度差(暫按單殼程、多管程進行計算)tm1= = =29.38EA=0.1875RA= =4.33查表溫差校正系數(shù)表5可得：=0.85表5，對數(shù)平均溫差校正系數(shù) 所以： tm=tm1=29.300.85=24.97 3、初選換熱器規(guī)格為求得傳熱面積A，需先求出總傳熱系數(shù)K,而K值又和對流傳熱

9、系數(shù)、污垢熱阻等因素有關(guān)。在換熱器的直徑、流速等參數(shù)未確定時，對流傳熱系數(shù)也無法計算，所以只能進行試算。結(jié)合表6可設(shè)k1=460W表6，列管式換熱器中的總傳熱系數(shù)K冷流體熱流體總傳熱系數(shù)K冷流體熱流體總傳熱系數(shù)K水水8501700水輕油340910水氣體17280水重油60280水有機溶劑280850有機溶劑有機溶劑115340 總傳熱系數(shù)K的單位：W A4=4631666.6746024.97 =403.24()根據(jù)換熱器的換熱面積選定換熱器，有關(guān)參數(shù)見表7 表7，換熱器的相關(guān)參數(shù)換熱管長度L（mm）6000管數(shù)n1120公稱壓強PN(MPa)2.50公稱直徑DN(mm)1100管程數(shù)N6管

10、子排列方法正方形旋轉(zhuǎn)45管程流通面積（）0.0329中心排管數(shù)nc24管子尺寸d（mm）192計算換熱面積389.6根據(jù)表5-3中換熱器的相關(guān)參數(shù)可得實際傳熱面積：A1=ndL=11203.140.0196 =400.92()6、 核算總傳熱系數(shù)已選定的換熱器型號是否適用，還要核算K值和傳熱面積A才能夠確定1、 管程的給熱系數(shù) 根據(jù)所選換熱器可知管程流通面積： A1=0.0329() 管內(nèi)純牛奶的流速：u1= =0.4918ms因為：0.4ms0.4918ms3ms，所以管程中純牛奶的流速符合要求雷諾數(shù)： Re1= =5066.57 Pr= =10.27因為23005066.5710000且純

11、牛奶是被冷卻，所以n=0.3則：1=0.023(1-) =0.023 =1433.71（W()）2、 殼程的給熱系數(shù)折流擋板間距：h=200mm 殼程流通面積：A2=Dn-ncd0h =1.1-240.0190.2 =0.1288 殼程內(nèi)水流速：u2= =0.5754ms因為：0.4ms0.5754ms1.5ms，所以殼程中冷卻水的流速符合要求管心距：t=44mm管子成正方形形排列：de= =0.1108(mm)雷諾數(shù)： Re2= =71020.99 Pr2= =6.15u =1.052 =0.36 = =1722.14（W()）3、 污垢熱阻查污垢熱阻表8可得：表8，流體的污垢熱阻R1=0.

12、000172W() R2=0.000172W()4、計算總傳熱系數(shù) K總熱阻(以外表面為基準)： = 所以，K=532.46(W) 5、傳熱面積裕度所需傳熱面積：A= =348.36裕度:100=100=15.09核算結(jié)果表明，換熱器的傳熱面積有15.09的裕度，故可用6、 壁溫核算（1） 、管程的壁溫核算 Q=1A1(T0-Tw) 1=1433.71 A1= 3.140.01511206=316.51T0= =65TW=T0-=65-=54.79通過查表可得：牛奶在65下的黏度0=0.001500牛奶在54.79下的黏度w=0.002064所以，=0.9563（2） 、殼程的壁溫核算 Q=2

13、A2(tw-t0) 2=1722.14 A2= 3.140.01911206=400.92T0= =27.5tW=t0-=65-=35.56通過查表可得：水在27.5下的黏度0=0.0008949水在35.56下的黏度w=0.0006815所以，=1.0389綜上可知：在計算管程、殼程中所假設(shè)的的值是正確7、 核算阻力損失1、管程阻力損失 P1=(P3P4)FtNsN當Re1=5066.57時，查表9可得摩擦系數(shù)1=0.043表9，摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)e R 及相對粗糙度/d 的關(guān)系 P3= P4=P3P4=0.0433 =2516.14 Pa 對于 192 mm 的管子 Ft=1.5 P1=25

14、16.141.561=22645.30 Pa80 kPa 2、殼程阻力損失 P2=(P5P6)FsNs P5=Ff2ncNB1因為， Re2=71020.99500，故 f2=5.0=5.0 =0.3916管子排列為正方形45錯列，故取F=0.4則擋板數(shù)為：NB=1=1=29則P5=0.40.391624996.9291 =18612.15 Pa P6=NB3.5 =29996.93.5=15010.17 Pa 取污垢校正系數(shù)Fs=1.15 （液體） P2=15010.1718612.151.151 =38665.668 Pa50 kPa 流經(jīng)管程和殼程流體的壓力降均未超出設(shè)計所要求的壓強，故

15、以上核算結(jié)果表明，前面所選用的換熱器能夠符合工藝要求。8、 輔助設(shè)備的計算及選型1、管箱與封頭選用側(cè)向有接管的管箱，在清洗、檢修時可不必拆下外部管道就可將管卸下。對于封頭，有方形和圓形兩種，方形用于直徑?。ㄒ话阈∮?00mm）的殼體；圓形用于較大直徑的殼體。因為DN=1100mm400mm，所以其封頭采用圓形封頭。2、折流板 折流板具有提高殼程內(nèi)流體的流速，加強湍流程度，提高傳熱效率和支承換熱管的作用。折流板采用缺25%的圓缺型折流板：取折流擋板間距h=0.2 m折流板數(shù)目NB=1129綜上所述，折流板需要29塊3、接管（1）、管程流體進出管口的接管：取接管內(nèi)純牛奶的流速：u3=1ms內(nèi)徑：d

16、3 =0.1436(m) 結(jié)合無縫鋼管常用規(guī)格，圓整后接管可選取外直徑為159mm、管壁厚3.5mm的無縫鋼管（2） 、殼程流體進出管口的接管：取接程內(nèi)冷卻水的流速：u2=2ms內(nèi)徑：d4= =0.2172(m) 結(jié)合無縫鋼管常用規(guī)格，圓整后接管可選取外直徑為245mm、管壁厚8mm的無縫鋼管4、 導(dǎo)流筒殼程流體的進出口和管板間必須存在有一段流體不能流動的空間（死角），為了提高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒，使流體進出殼程時必然經(jīng)過這個空間。5、 放氣孔、排氣孔換熱器的殼體上常設(shè)有放氣孔、排氣孔，以排除不凝氣體和冷凝液等。6、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。

17、對于浮頭式換熱器，由于管束要從殼體中抽出，故采用可拆連接方式，即把管板夾于殼體法蘭與頂蓋法蘭之間，用螺栓緊固，必要時卸下頂蓋就可把管板連同管束從殼體中抽出。9、 設(shè)計評述 在本次設(shè)計中，我們通過合作參考了大量的數(shù)據(jù)資料，查詢了定性溫度下的純牛奶和水的物性參數(shù)以及相關(guān)的數(shù)據(jù)。我們一起討論、解決計算和核算的中遇到的問題。當我們確定要選擇哪一類型的換熱器時，不僅僅要考慮到計算中的符合情況，還要考慮在生產(chǎn)應(yīng)用中的實際情況，所以在選擇時綜合考慮各個因素。其實，在給定處理物料對換熱器的選擇就是一個反復(fù)試算的過程，需要核算傳熱系數(shù)和壓強降等相關(guān)是否符合設(shè)計要求，只要不符合條件，都要重新進行換熱器規(guī)格的計算，

18、再核算，直至符合規(guī)定的條件。這樣，所選的換熱器才能更好地投入實際的生產(chǎn)中。10、 設(shè)計結(jié)果一覽表 表10，設(shè)計參數(shù)總表相關(guān)參數(shù)管程殼程流率W/(kg/h)60000265997進/出口溫度（）100/3020/35壓力/（kPa）8050 物性定性溫度/6527.5密度 /(kgm3)1030996.5定壓比熱容3.9704.179黏度(Pas)0.00150.0008949熱導(dǎo)率()0.58000.6078換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)換熱器形式浮頭式換熱器殼程數(shù)1公稱直徑/（mm）1100臺數(shù)1管長/(mm)6000管心距/（mm）44管子尺寸/(mm)192折流板個數(shù)29傳熱面積/()389.6折流板間距（mm）200管程數(shù)6材質(zhì)不銹鋼管數(shù)1120主要計算結(jié)果管程殼程殼程流速/(m/s)0.49180.5754表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/K1433.711722.14污垢熱阻/(k/W)0.0001720.000172阻力/(Pa)22645.3038665.67接管外徑/(mm)1593.52458熱流量/(W)4631666.67傳熱溫差/()24.97傳熱系數(shù)/(W)532.46裕度15.0911、 本設(shè)計中符號說明表表11，符號說明表英文字母實際意義英文字母實際意義T純牛奶溫度L換熱器管長t冷卻水溫度PN公稱壓強密度N管程數(shù)黏度d管子