食品工程課程設(shè)計(jì)

1、 食品工程原理課程設(shè)計(jì)年處理量11.3萬(wàn)噸煤油冷卻器的設(shè)計(jì) 院 系 食品科學(xué)與工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 食品科學(xué)與工程 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 姓 名 聯(lián) 系 方 式 #$%&*& 指 導(dǎo) 教 師 、 2012 年 12 月食品工程原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 設(shè)計(jì)題目：年處理量11.3萬(wàn)噸煤油冷卻器的設(shè)計(jì)一、操作條件1. 煤油：入口溫度137 出口溫度40 2. 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水入口28，出口溫度403. 允許壓力降：不大于30kPa4. 年開(kāi)工天數(shù)：330天；每天24h連續(xù)生產(chǎn)5. 定性溫度下煤油的物性數(shù)據(jù)：密度=825kg/m3，黏度=7.15×10-4Pa·s，比熱=

2、2.22kJ/（kg·），熱導(dǎo)率=0.14W（m·）二、設(shè)計(jì)任務(wù)1. 處 理 量：113×103t/年 2. 設(shè)備形式：列管式換熱器3. 選擇事宜的列管換熱器并進(jìn)行核算4. 繪制工藝流程圖和設(shè)備結(jié)構(gòu)圖5. 輸送機(jī)械的設(shè)計(jì)： 輸送煤油的泵三、設(shè)計(jì)要求使用統(tǒng)一課程設(shè)計(jì)格式。主要項(xiàng)目及編排順序?yàn)椋?設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)封面 (使用統(tǒng)一模板)；任務(wù)書(shū)；摘要；目錄；設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介；工藝過(guò)程計(jì)算及設(shè)備工藝尺寸的計(jì)算；輔助設(shè)備的計(jì)算及選型；附錄：工藝流程圖及設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)評(píng)述；指導(dǎo)教師： 完成日期：2012年12月17日12月 28 日摘 要換熱器是許多工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)的通用工藝設(shè)備

3、。該設(shè)計(jì)的換熱器用作冷卻器，設(shè)計(jì)中通過(guò)考慮操作條件及介質(zhì)的特性，選用浮頭式換熱器。該設(shè)備適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應(yīng)用較為普遍。設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)的分析，并參考各類(lèi)資料進(jìn)行工藝計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算，最后檢測(cè)該換熱器是否符合工藝要求。關(guān)鍵詞：換熱器；浮頭式換熱器；工藝計(jì)算；強(qiáng)度計(jì)算目 錄1引言12試算并初選換熱器類(lèi)型22.1確定流體通入的空間22.1.1煤油通入空間22.1.2水通入空間22.2計(jì)算傳熱熱負(fù)荷Q22.2.1傳熱熱負(fù)荷22.2.2水的質(zhì)量流量W22.3確定定性溫度，選擇列管換熱器的型式33確定流體的物性數(shù)據(jù)34初選換熱器規(guī)格44.1計(jì)算平均傳熱溫差44.2選K值，估算

4、傳熱面積44.3初選換熱器型號(hào)45換熱器核算55.1核算流速及雷諾數(shù)55.1.1管程流速及雷諾數(shù)55.1.2殼程流速及雷諾數(shù)55.2核算傳熱系數(shù)65.2.1管程的對(duì)流傳熱系數(shù)65.2.2殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)65.2.3污垢熱阻75.2.4總傳熱系數(shù)75.3計(jì)算所需傳熱面積75.3.1傳熱面積75.3.2面積裕度75.4計(jì)算阻力損失75.4.1管程阻力損失75.4.2殼程阻力損失86輸送煤油的泵的計(jì)算和選擇97設(shè)計(jì)結(jié)果概要10參考文獻(xiàn)12附錄13設(shè)計(jì)評(píng)述1414 年處理量為11.3萬(wàn)噸煤油冷卻器的設(shè)計(jì)1引言換熱器是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備，尤其是在石油、化工生產(chǎn)中應(yīng)用更為

5、廣泛。換熱器的類(lèi)型很多，每種型式都有特定的應(yīng)用范圍，但是不同的場(chǎng)合需要的換熱器類(lèi)型也不一樣，所以要根據(jù)具體情況具體分析換熱器的選用。選擇換熱器的主要因素有：1)熱負(fù)荷及流量大小2)流體的性質(zhì)3)溫度、壓力及允許壓強(qiáng)降的范圍4)對(duì)清洗、維修的要求5)設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、重量6)價(jià)格、使用安全性和壽命等。另外，針對(duì)不同的工藝條件及操作工況，我們有時(shí)使用特殊型式的換熱器或特殊的換熱管，以實(shí)現(xiàn)降低成本的目的。因此，應(yīng)綜合考慮工藝條件和機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，正確選擇合適的換熱器型式來(lái)有效地減少工藝工程的能量消耗。換熱器在化工生產(chǎn)中通常可用作加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。換熱器的類(lèi)型多樣，性能各異

6、，從早期發(fā)展起來(lái)的列管式換熱器到近年來(lái)不斷出現(xiàn)的新型、高效換熱設(shè)備，都各具特色。而早期的列管式換熱器是目前化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種換熱器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固，制造容易，材料廣泛，處理能力可以很大，適應(yīng)性強(qiáng)，尤其在高溫高壓下較其他型式換熱器更為適用。雖然，在傳熱效率、設(shè)備的緊湊型、單位面積的金屬消耗量等方面，還稍遜于各種板式換熱器，但目前仍為化工廠中主要的換熱設(shè)備。浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種，浮頭是其一端管板不與外殼連接并且可以沿官長(zhǎng)方向浮動(dòng)。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會(huì)因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力，它的優(yōu)點(diǎn)還在于方便拆卸，清洗方便，對(duì)于管子和殼體間溫差大、

7、殼程介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)垢的情況很能適應(yīng)。其缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、填塞式滑動(dòng)面處在高壓時(shí)易泄露，這使其應(yīng)用受到限制，適用壓力為：1.0MPa6.4MPa。不過(guò)，因其使用于殼體不管束溫差較大及殼程流體容易結(jié)垢的場(chǎng)合的優(yōu)良性能，工業(yè)中廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中，先對(duì)任務(wù)進(jìn)行仔細(xì)分析，了解設(shè)計(jì)任務(wù)，然后開(kāi)始著手進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)兩流體的特性決定流體進(jìn)入的空間，計(jì)算換熱器的傳熱熱負(fù)荷并確定兩流體的定性溫度，通過(guò)定性溫度的差值以及綜合最終確定換熱器的類(lèi)型。其次，根據(jù)水的物理數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)差法算出水的物性數(shù)據(jù)，給出兩流體的物性數(shù)據(jù)表。第三，我們計(jì)算兩流體的平均溫差，通過(guò)查表得出溫差校正系數(shù)于0.8相比較，當(dāng)大于0.8的時(shí)

8、候即可確定流體的平均溫差。第四，選定K值，然后根據(jù)平均溫差估算出傳熱面積，根據(jù)估算的傳熱面積和FB系列標(biāo)準(zhǔn)，初選換熱器規(guī)格，確定主要參數(shù)。最后，根據(jù)選定換熱器的各參數(shù)分別核算管、殼程的流速、雷諾數(shù)、總傳熱系數(shù)、所需傳熱面積及面積裕度、壓力降等確定所選換熱器能否達(dá)到生產(chǎn)要求和工藝要求。如果和算出來(lái)的結(jié)果不符合要求，再次從選定K值開(kāi)始，一步步計(jì)算，直到達(dá)到要求為止。換熱器選好后選煤油泵。對(duì)于泵的選擇，要注意幾點(diǎn)：1)流量Q 流量是指工藝裝置生產(chǎn)中，要求泵輸送的介質(zhì)量。選泵時(shí)，要求額定流量不小于裝置的最大流量，或取正常流量的1.11.15倍。2)揚(yáng)程H 指工藝裝置所需的揚(yáng)程值，也稱(chēng)計(jì)算揚(yáng)程。一般要求

9、泵的額定揚(yáng)程為裝置所需揚(yáng)程的1.051.1倍。3)效率 效率也是選泵時(shí)的一個(gè)重要對(duì)比條件。通過(guò)對(duì)泵效率的對(duì)比，從中選取效率最優(yōu)的型號(hào)泵，可以很大程度上改善經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計(jì)中為了減少工作量，減輕了泵的設(shè)計(jì)量，設(shè)定泵的進(jìn)出口有油泵并且都處為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后根據(jù)伯努利方程和煤油的體積流量計(jì)算出壓頭損失，然后設(shè)定兩液面差，計(jì)算出揚(yáng)程，從而確定泵的型號(hào)。本人的認(rèn)識(shí)不夠全面，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可能還存在許多問(wèn)題，望老師們給予批評(píng)和指正。2試算并初選換熱器類(lèi)型2.1確定流體通入的空間2.1.1煤油通入空間煤油是被冷卻流體且黏度較大，選擇走殼程，可以增加冷卻效果，并且殼程內(nèi)裝有折流板，煤油走殼程可以在較低的雷諾數(shù)下

10、達(dá)到湍流，有利于提高殼程一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)。2.1.2水通入空間水是易結(jié)垢流體，因此應(yīng)走易于清洗的管程。2.2計(jì)算傳熱熱負(fù)荷Q2.2.1傳熱熱負(fù)荷在忽略換熱器熱損失的前提下，有Q=Wh cph（Th1Th2）=Wc cpc（Tc2Tc1）煤油的處理量、定壓比熱容已給出Wh=113×103 t/年= =3.963 kg·s-1cpc=2.22 kJ·（kg·）-1=2220 J·（kg·）-1 傳熱熱負(fù)荷Q=Wh cpc（Th1Th2）= =8.534×105 W2.2.2水的質(zhì)量流量W 水的定壓比熱容cpc=4.17 kJ&

11、#183;（kg·）-1=4170 J·（kg·）-1 水的質(zhì)量流量為 Wc=17.05 kg·s-12.3確定定性溫度，選擇列管換熱器的型式被冷卻流體為煤油：Th1=137 Th2=40 冷卻介質(zhì)流體水：Tc1=28 Tc2=40 取兩流體的定性溫度為各自的平均溫度，則有煤油的定性溫度：=88.5水的定性溫度： =34=88.5-34 =54.5 > 50 選用浮頭式換熱器3確定流體的物性數(shù)據(jù)根據(jù)水的物理性質(zhì)表1由內(nèi)差法計(jì)算水的物理數(shù)據(jù)如下：c =0.62 W·（m·）-1 kg·m-3 7.42 Pa·s

12、兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如表一所示。表一 兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)物性數(shù)據(jù)溫度T/密度/（kg·m-3）黏度/（Pa·s）熱導(dǎo)率/ W·（m·）-1比熱容Cp/kJ·（kg·）-1煤油88.58257.15×10-40.142220水34994.37.42×10-40.6241704初選換熱器規(guī)格4.1計(jì)算平均傳熱溫差暫定換熱器內(nèi)流向?yàn)槟媪鳎?jì)算逆流平均溫差煤油 137 40水 40 28 溫差 97 12暫按單殼程、偶數(shù)管數(shù)考慮，則有：在對(duì)數(shù)平均溫度校正系數(shù)圖2中，由R和P查得0.94>0.8故單殼

13、程、偶數(shù)管數(shù)可行。兩流體的平均溫差為 4.2選K值，估算傳熱面積為求得傳熱面積A，需先求出總傳熱系數(shù)K值，而K值又和對(duì)流傳熱系數(shù)、污垢熱阻等因素有關(guān)。在換熱器的直徑、流速、傳熱系數(shù)等參數(shù)未確定時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)也無(wú)法計(jì)算，所以這能進(jìn)行試算。參照管殼式換熱器中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值3，選取K=300 W·（m2·）-1，則估算面積為： =74.41 m24.3初選換熱器型號(hào)由于兩流體溫差較大以及便于清洗殼程污垢，并參考以上數(shù)據(jù)，初選F600-1.6-95型號(hào)浮頭式列管換熱器，參數(shù)如表二所示。表二 F600-1.6-95浮頭式列管換熱器的主要參數(shù)2項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)外殼直徑/mm6

14、00管子長(zhǎng)度/mm25×2.5公稱(chēng)壓強(qiáng)/MPa1.6管長(zhǎng)L/m6公稱(chēng)面積/m295管數(shù)N208管程數(shù)/Np2管中心距t/mm32管子排列方式正方形錯(cuò)列管程流通截面積/m20.03265殼程流通截面積/m20.044折流板間距/mm2005換熱器核算5.1核算流速及雷諾數(shù)5.1.1管程流速及雷諾數(shù)流通截面積： Ai=0.03265m2 管內(nèi)水的流速： =0.53 m·s-1雷諾數(shù)：5.1.2殼程流速及雷諾數(shù)流通截面積： 殼內(nèi)煤油流速：m·s-1當(dāng)量直徑：（公式1）m雷諾數(shù)： 由以上核算看出，采用F600-1.6-95型換熱器，管程、殼程的流速和雷諾數(shù)是合適的。5.2

15、核算傳熱系數(shù)5.2.1管程的對(duì)流傳熱系數(shù)管程雷諾數(shù)：普朗特準(zhǔn)數(shù)為：對(duì)流傳熱系數(shù)為：（公式2） =2846.83W·（m2·）-15.2.2殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)殼程雷諾數(shù)： Re0 = 3426.92普朗特準(zhǔn)數(shù)為：Pr因?yàn)闅こ汤锏拿河蜁r(shí)被冷卻流體，所以取，則對(duì)流傳熱系數(shù)為： Re0.55Pr1/32 =347.54 W·（m2·）-15.2.3污垢熱阻4取自來(lái)水污垢熱阻 Rsi=3.44 m2··W-1 煤油污垢熱阻 Rso=1.72 m2··W-15.2.4總傳熱系數(shù)管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =48 m2·

16、3;W-1 3 =251 W·（m2·）-15.3計(jì)算所需傳熱面積5.3.1傳熱面積由以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算出所需傳熱面積 所選換熱器的實(shí)際傳熱面積5.3.2面積裕度面積裕度 （公式3）核算結(jié)果表明，換熱器的傳熱面積有10的裕度 ，故該換熱器能換成生產(chǎn)任務(wù)。5.4計(jì)算阻力損失5.4.1管程阻力損失 3其中，式中 直管阻力損失，Pa； 回彎的阻力損失，Pa； Ft 結(jié)垢校正系數(shù)，對(duì)于25mm×2.5mm的管子Ft=1.4； Ns 串聯(lián)的殼程數(shù)由可以計(jì)算摩擦系數(shù)得 將數(shù)據(jù)帶入得 =1674.6Pa =1674.6×1.4×4=9377.8Pa <0

17、.3MPa5.4.2殼程阻力損失 3其中，式中 流體橫過(guò)管束的壓力降，Pa； 流體通過(guò)折流擋板缺口的壓力降，Pa； F 管子排列方式對(duì)壓強(qiáng)降得校正系數(shù)，正方形45排列，F(xiàn)=0.4 殼程流體摩擦系數(shù)，當(dāng)Re>500時(shí)， Ft 殼程壓力降的垢層校正系數(shù)，對(duì)液體Ft=1.15； NB折流擋板數(shù)； nc 水平管束在垂直列上的管數(shù)，管子按正方形排列時(shí)，有 Re0 = 3426.92>500， ，取Pa<0.3MPa流經(jīng)管程和殼程流體的壓力降均未超過(guò)0.3MPa。以上核算結(jié)果表明，選用F600-1.6-95型換熱器能符合工藝要求。6輸送煤油的泵的計(jì)算和選擇煤油流量 W =3.963kg&

18、#183;s kg·m-3 據(jù)伯努利方程 泵的入口與出口處的壓強(qiáng)都為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，泵入口與出口處設(shè)有油槽，即 設(shè)定兩液面差為 水頭損失 揚(yáng)程 據(jù)泵的選用手冊(cè)，選擇泵的型號(hào)為IH-80-50-200A。57設(shè)計(jì)結(jié)果概要表三 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果參數(shù)管程殼程流體冷卻水煤油進(jìn)/出口溫度/28/40137/40物性定性溫度/3488.5密度/( kg·m-3)994.3825定壓比熱容/kJ·（kg·）-14.172.22粘度/Pa·s7.42×10-47.15×10-4熱導(dǎo)率/W· (m2·)-10.62

19、0.14設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式列管式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm600臺(tái)數(shù)1管徑25×20管心距/mm32管長(zhǎng)6000管子排列正方形45°斜列管數(shù)目/根208折流板數(shù)/個(gè)29傳熱面積m297.97折流板間距/mm200管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/ W·（m2·）-12486.833426.92污垢熱阻/ m2··W-10.0003440.000172壓力損失/ Pa9377.8893.16傳熱系數(shù)/W·（m2）-1251裕度/%10%表四 IH-80-50-200A型號(hào)泵的主要尺寸流量揚(yáng)程m轉(zhuǎn)速r·min-1功率/kW效率必需汽蝕余量/m泵質(zhì)量kgm3·h-1L·s-1軸功率電動(dòng)機(jī)功率22.76