化工原理课程设计换热器的设计水冷却纯牛奶

西南科技大学化工原理课程设计说明书 设计题目： 换热器的设计水冷却纯牛奶设 计 者：班级 食品1002班 姓名 学号 20103286、20103284 指导教师： 李 凤 设计成绩：进度 说明书 图纸 总分 日 期： 2012年11月21日 生命科学与工程学院目录1、 引言.3 1、设计题目的目的和意义.3 2、设计总体要求.3二、设计方案的确定.3 1、换热器类型的选择.4 2、流程的选择.4 3、流体进出口温度的选择.4 4、流体流速的选择.4 5、流体流向的确定.5三、设计任务和设计条件.5 1、设计题目.5 2、原始数据和设计条件.5 3、设计任务.6四、确定物性数据.6五、试算和初选换热器的规格.6 1、计算热负荷和冷却水流量.7 2、计算两流体的平均温度差.7 3、初选换热器规格.8六、核算总传热系数.9 1、管程的给热系数.9 2、壳程的给热系数.10 3、污垢热阻.11 4、计算总传热系数 K .12 5、传热面积裕度.12 6、壁温核算.12七、核算压强降.14 1、管程压强降.13 2、壳程压强降.14八、辅助设备的计算及选型.15 1、管箱与封头.15 2、折流板.16 3、接管.16 4、导流筒.17 5、放气孔、排气孔.17 6、管板.17九、设计评述.18十、设计结果一览表.19十一、本设计中符号说明表.20参考文献.21附录：参考图纸.221、 引言1、设计题目的目的和意义通过化工原理的课程设计，进一步巩固了食品工程原理理论教学中所学到的知识，学习运用书本知识，学会工程器件的设计的基本方法和基本技能，学习各种食品工程图表的使用方法，从而提高分析问题和解决工程设计问题的基本能力；通过对文件、数据的整理提高了文档的综合处理能力。为毕业设计和以后的工作奠定了一定的基础。2、设计总体要求（1）、学习工程常用工具书的使用方法，正确使用工程数据和图 表；（2）、掌握工程设计基本知识、基本方法；（3）、熟练掌握物料衡算、热量衡算的方法，提高工艺计算实际 工作能力；（4）、加强图纸表达能力、文档能力；（5）、提高分析问题和解决问题的能力。2、 设计方案的确定确定设计方案的原则是要保证达到工艺的传热指标，操作上要安全可靠，结构上要简单，便于维修，尽可能节省操作费用和设备投资。确定设计方案主要考虑如下几个问题。1、换热器类型的选择换热器的种类繁多，选择时应根据操作温度、操作压力、换热器的热负荷、管程与壳程的温度差、换热器的腐蚀性及其他特性、检修与清洗的要求等因素进行综合考虑。综上由于壳体和管束间温差较大，其温差远远超过50，且物料较易形成沉积物，所以选择浮头式换热器。2、流程的选择 在列管式换热器设计中，哪种流体走管程，哪种流体走壳程，需要进行合理安排。选择原则：传热效果好、结构简单、检修与清洗方便。根据选择原则，在用水冷却纯牛奶的换热器中采用： 纯牛奶通过管程、水通过壳程。3、流体进出口温度的选择 在换热器的设计中，被处理物料的进出口温度为工艺要求所规定；冷却剂的进口温度一般由气候条件决定，出口温度与被冷却物料应该有535的温度差，同时水作为冷却剂一般出口温度不超过4050、进出口温度差不应低于5。当两流体温差超过50时，温度应力会造成管子变形或使焊缝破裂。根据以上原则，冷却剂水的进口温度为20、出口温度为35。4、流体流速的选择提高流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上的沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增加，所需传热面积减小，设备费用降低。但是流速增加，流体阻力将相应加大，操作费用增加。因此，选择适宜的流速是十分重要的，适宜的流速应通过经济核算来确定。5、流体流向的确定 当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，所需的传热面积较小。逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流。 综上可确定冷却剂水应该用逆流较好。3、 设计任务和设计条件1、 设计题目 换热器的设计水冷却纯牛奶2、原始数据和设计条件（1） 纯牛奶表1，对纯牛奶的要求参数项目数量项目数量处理量（吨/小时）60进口温度（）100压强降（kPa）80出口温度（）30 （2）冷却水表2，对冷却水的要求参数项目数量项目数量进口温度（）20压强降（50kPa）50出口温度（）35 3、设计任务 （1）根据设计要求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。4、 确定物性数据定性温度：对于一般流体（如纯牛奶）、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。管程： 纯牛奶 10030壳程： 水 3520 T =65 t = =27.5定性温度下流体的物性，见表4：表4，定性温度下流体的物性流体物性温 度 密 度 kgm3黏度 Pas比 热 容 CpKJ(kg热 导 率 W()纯牛奶6510300.00153.9700.5800水27.5996.50.00089494.1790.60785、 试算和初选换热器的规格 1、计算热负荷和冷却水流量热负荷量： Q=WcCp(T1-T2)=600003.970（10030） =16674000KJh =4631666.67(W)冷却水的量：W2= =265997Kgh2、 计算两流体的平均温度差(暂按单壳程、多管程进行计算)tm1= = =29.38EA=0.1875RA= =4.33查表温差校正系数表5可得：=0.85表5，对数平均温差校正系数 所以： tm=tm1=29.300.85=24.97 3、初选换热器规格为求得传热面积A，需先求出总传热系数K,而K值又和对流传热系数、污垢热阻等因素有关。在换热器的直径、流速等参数未确定时，对流传热系数也无法计算，所以只能进行试算。结合表6可设k1=460W表6，列管式换热器中的总传热系数K冷流体热流体总传热系数K冷流体热流体总传热系数K水水8501700水轻油340910水气体17280水重油60280水有机溶剂280850有机溶剂有机溶剂115340 总传热系数K的单位：W A4=4631666.6746024.97 =403.24()根据换热器的换热面积选定换热器，有关参数见表7 表7，换热器的相关参数换热管长度L（mm）6000管数n1120公称压强PN(MPa)2.50公称直径DN(mm)1100管程数N6管子排列方法正方形旋转45管程流通面积（）0.0329中心排管数nc24管子尺寸d（mm）192计算换热面积389.6根据表5-3中换热器的相关参数可得实际传热面积：A1=ndL=11203.140.0196 =400.92()6、 核算总传热系数已选定的换热器型号是否适用，还要核算K值和传热面积A才能够确定1、 管程的给热系数 根据所选换热器可知管程流通面积： A1=0.0329() 管内纯牛奶的流速：u1= =0.4918ms因为：0.4ms0.4918ms3ms，所以管程中纯牛奶的流速符合要求雷诺数： Re1= =5066.57 Pr= =10.27因为23005066.5710000且纯牛奶是被冷却，所以n=0.3则：1=0.023(1-) =0.023 =1433.71（W()）2、 壳程的给热系数折流挡板间距：h=200mm 壳程流通面积：A2=Dn-ncd0h =1.1-240.0190.2 =0.1288 壳程内水流速：u2= =0.5754ms因为：0.4ms0.5754ms1.5ms，所以壳程中冷却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)雷诺数： Re2= =71020.99 Pr2= =6.15u =1.052 =0.36 = =1722.14（W()）3、 污垢热阻查污垢热阻表8可得：表8，流体的污垢热阻R1=0.000172W() R2=0.000172W()4、计算总传热系数 K总热阻(以外表面为基准)： = 所以，K=532.46(W) 5、传热面积裕度所需传热面积：A= =348.36裕度:100=100=15.09核算结果表明，换热器的传热面积有15.09的裕度，故可用6、 壁温核算（1） 、管程的壁温核算 Q=1A1(T0-Tw) 1=1433.71 A1= 3.140.01511206=316.51T0= =65TW=T0-=65-=54.79通过查表可得：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） 、壳程的壁温核算 Q=2A2(tw-t0) 2=1722.14 A2= 3.140.01911206=400.92T0= =27.5tW=t0-=65-=35.56通过查表可得：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综上可知：在计算管程、壳程中所假设的的值是正确7、 核算阻力损失1、管程阻力损失 P1=(P3P4)FtNsN当Re1=5066.57时，查表9可得摩擦系数1=0.043表9，摩擦系数与雷诺数e R 及相对粗糙度/d 的关系 P3= P4=P3P4=0.0433 =2516.14 Pa 对于 192 mm 的管子 Ft=1.5 P1=2516.141.561=22645.30 Pa80 kPa 2、壳程阻力损失 P2=(P5P6)FsNs P5=Ff2ncNB1因为， Re2=71020.99500，故 f2=5.0=5.0 =0.3916管子排列为正方形45错列，故取F=0.4则挡板数为：NB=1=1=29则P5=0.40.391624996.9291 =18612.15 Pa P6=NB3.5 =29996.93.5=15010.17 Pa 取污垢校正系数Fs=1.15 （液体） P2=15010.1718612.151.151 =38665.668 Pa50 kPa 流经管程和壳程流体的压力降均未超出设计所要求的压强，故以上核算结果表明，前面所选用的换热器能够符合工艺要求。 8、 辅助设备的计算及选型1、管箱与封头选用侧向有接管的管箱，在清洗、检修时可不必拆下外部管道就可将管卸下。对于封头，有方形和圆形两种，方形用于直径小（一般小于400mm）的壳体；圆形用于较大直径的壳体。因为DN=1100mm400mm，所以其封头采用圆形封头。2、折流板 折流板具有提高壳程内流体的流速，加强湍流程度，提高传热效率和支承换热管的作用。折流板采用缺25%的圆缺型折流板：取折流挡板间距h=0.2 m折流板数目NB=1129综上所述，折流板需要29块3、接管（1）、管程流体进出管口的接管：取接管内纯牛奶的流速：u3=1ms内径：d3 =0.1436(m) 结合无缝钢管常用规格，圆整后接管可选取外直径为159mm、管壁厚3.5mm的无缝钢管（2） 、壳程流体进出管口的接管：取接程内冷却水的流速：u2=2ms内径：d4= =0.2172(m) 结合无缝钢管常用规格，圆整后接管可选取外直径为245mm、管壁厚8mm的无缝钢管4、 导流筒壳程流体的进出口和管板间必须存在有一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进出壳程时必然经过这个空间。5、 放气孔、排气孔换热器的壳体上常设有放气孔、排气孔，以排除不凝气体和冷凝液等。6、管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。对于浮头式换热器，由于管束要从壳体中抽出，故采用可拆连接方式，即把管板夹于壳体法兰与顶盖法兰之间，用螺栓紧固，必要时卸下顶盖就可把管板连同管束从壳体中抽出。9、 设计评述 在本次设计中，我们通过合作参考了大量的数据资料，查询了定性温度下的纯牛奶和水的物性参数以及相关的数据。我们一起讨论、解决计算和核算的中遇到的问题。当我们确定要选择哪一类型的换热器时，不仅仅要考虑到计算中的符合情况，还要考虑在生产应用中的实际情况，所以在选择时综合考虑各个因素。其实，在给定处理物料对换热器的选择就是一个反复试算的过程，需要核算传热系数和压强降等相关是否符合设计要求，只要不符合条件，都要重新进行换热器规格的计算，再核算，直至符合规定的条件。这样，所选的换热器才能更好地投入实际的生产中。10、 设计结果一览表 表10，设计参数总表相关参数管程壳程流率W/(kg/h)60000265997进/出口温度（）100/3020/35压力/（kPa）8050 物性定性温度/6527.5密度 /(kgm3)1030996.5定压比热容3.9704.179黏度(Pas)0.00150.0008949热导率()0.58000.6078换热器结构参数换热器形式浮头式换热器壳程数1公称直径/（mm）1100台数1管长/(mm)6000管心距/（mm）44管子尺寸/(mm)192折流板个数29传热面积/()389.6折流板间距（mm）200管程数6材质不锈钢管数1120主要计算结果管程壳程壳程流速/(m/s)0.49180.5754表面传热系数W/K1433.711722.14污垢热阻/(k/W)0.0001720.000172阻力/(Pa)22645.3038665.67接管外径/(mm)1593.52458热流量/(W)4631666.67传热温差/()24.97传热系数/(W)532.46裕度15.0911、 本设计中符号说明表 表11，符号说明表英文字母实际意义英文字母实际意义T纯牛奶温度L换热器管长t冷却水温度PN公称压强密度N管程数黏度d管子尺寸Cp定压比热容F压强降校正系数热导率h挡板间距Q热负荷量Pr普朗特数Wc纯牛奶处理量Re雷诺数W2冷却水的量t管心距温差校正系数n管数tm平均温差DN工称直径k总传热系数b厚度A传热面积传热系数参考文献1 王卫东.化工原理课程设计M.北京:化学工业出版社,20062 刘成梅、罗舜菁.食品工程原理M.北京：化学工业出版社，20113 张兰威.乳与乳制品工艺学.北京：中国农业出版社，20064 钱颂文.换热器设计手册M.北京:化学工业出版社,20025 李里特.食品物性学.北京：中国农业出版社，20106 贾绍义.化工原理课程设计.北京：天津大学出版社，2002附录1：浮头式换热器参考图纸- 22 -