日產(chǎn)50T冷卻牛奶換熱器設(shè)計

1、設(shè)計題目： 日產(chǎn)50t冷卻牛奶換熱器設(shè)計 英文題目：Nissan 50t cooling milk Heat Exchanger Design 學(xué)生姓名： 班 級： 學(xué) 號： 專 業(yè)：食品科學(xué)與工程2 0 1 2- 9 - 30 目 錄一、設(shè)計任務(wù)書 3二、概述與設(shè)計方案簡介 5三、設(shè)計條件及主要物性參數(shù)表 7四、工藝設(shè)計計算 9五、輔助設(shè)備的計算及選型 22六、設(shè)計結(jié)果匯總表 23七、設(shè)計評述 24八、參考資料 25九、主要符號說明 25一、 設(shè)計任務(wù)書 1.1 課程設(shè)計題目：日產(chǎn)50t冷卻牛奶換熱器設(shè)計1.2 設(shè)計任務(wù)與操作要求1.2.1 處理能力牛奶產(chǎn)量：50t/d1.2.2 設(shè)備形式列

2、管式換熱器1.2.3 操作條件1) 牛奶：入口溫度 76 出口溫度 202) 冷卻介質(zhì)：稀鹽水 入口溫度 10 出口溫度 173) 牛奶定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：物性密度o（kg/m3）比熱容Cpo(kJ/(kg·K)粘度o(Pa·s)導(dǎo)熱系數(shù)o(W/(m2·K)牛奶10353.7650.00210.691.3 設(shè)計規(guī)范與要求試設(shè)計一臺適宜的列管式換熱器完成該生產(chǎn)任務(wù)1.4 工作計劃1、設(shè)計方案的選定 ，下達(dá)設(shè)計任務(wù)書 （2天） 流程生產(chǎn)條件、設(shè)備型式的選定和論述說明，繪制示意工藝流程圖。 2、工藝設(shè)計和計算 （3天） 根據(jù)選定的方案和規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行物料衡算，熱量衡算

3、，主體設(shè)備工藝尺寸計算，附屬設(shè)備的選型計算和簡單的機(jī)械設(shè)計計算，匯總工藝計算結(jié)果。 3、輔助設(shè)備的選型（1天） 典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計算，設(shè)備的規(guī)格、型號的選定。4、工藝流程圖（1天） 以單線圖的形式繪制，主體設(shè)備與輔助設(shè)備的物料方向、物流量、能流量，主要測量點。5、主要設(shè)備的工藝條件圖（1天） 圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表。6、設(shè)計說明書的編制 （1天） 設(shè)計任務(wù)書，目錄、前言、設(shè)計方案的選擇和論述，工藝設(shè)計和計算，工藝流程示意圖，電算程序及符號說明，設(shè)計結(jié)果匯總，設(shè)計結(jié)果的自我總結(jié)評價和參考資料等。 7、繪制主體設(shè)備的簡裝圖或帶控制點的流程圖（1天）1.5 設(shè)計成

4、果要求1.5.1 通過查閱資料、設(shè)計計算等最終提供課程設(shè)計說明書（論文）電子稿及打印稿1份，并附簡單的設(shè)備草圖1.5.2課程設(shè)計結(jié)束時，將按以下順序裝訂的設(shè)計成果材料裝訂后交給指導(dǎo)教師：（1）封面（2）目錄（3）課程設(shè)計任務(wù)書（4）課程設(shè)計說明書（論文）（5）參考文獻(xiàn)（6）課程設(shè)計圖紙（兩張）二、 概述與設(shè)計方案簡介 2.1 概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器,簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體,一種流體溫度較高,放出熱量;另一種流體則溫度較低,吸收熱量。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設(shè)備,并占有十分重要的地位。混

5、合式換熱氣主要用于氣體的冷凝，并且是在允許冷熱流體混合的條件下才能使用，不能用于牛奶冷卻，蓄熱式換熱器利用固體填充物來蓄積或釋放能量達(dá)到換熱目的，體積龐大，不能完全避免兩種流體的混合。因此，在本次設(shè)計中，殺菌后牛奶的冷卻采用列管換熱器，它的優(yōu)點有：單位體積所具備的傳熱面積較大，傳熱效果較好，結(jié)構(gòu)較簡單，制造用的材料廣泛、易于獲得。列管式換熱器有以下幾種：1、固定管板式 兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個補(bǔ)償圈。殼體和管束熱膨脹不同時，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)

6、垢的物料。2、U形管式 每根管子均彎成U形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。3、浮頭式兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。 特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，便于清洗和檢修，消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。4、填料函式換熱器管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比

7、浮頭式的低。清洗，維修方便。但密封性能差，對于易燃、易爆、有毒和貴重的介質(zhì)不適用，殼程流體壓力不宜過高2.2 工藝流程簡述稀鹽水易結(jié)垢，為便于清洗，應(yīng)該走管程，牛奶為粘度較大的流體走殼程。冷卻稀鹽水與牛奶在設(shè)計的換熱器中進(jìn)行熱交換，牛奶由初溫140降溫至76，再由76冷卻到20。冷卻稀鹽水由初溫10升溫至17。2.3 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（1）JB1145-73列管式固定管板熱交換器；（2）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB151-89鋼制管殼式換熱器.國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布，1989；（3）JBT4715-1992固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)（4）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) GB16749-1997 壓力容器波形膨

8、脹節(jié)（5）HGT20701.8-2000容器、換熱器專業(yè)設(shè)備簡圖設(shè)計規(guī)定三、 設(shè)計條件及主要物性參數(shù)表 3.1 確定設(shè)計方案3.1.1 選擇換熱器類型牛奶冷卻用很稀的鹽水，牛奶由140冷卻到76，再由76冷卻到20。管子和殼體會產(chǎn)生很大的溫差壓力，所以應(yīng)選擇具有溫差補(bǔ)償?shù)膿Q熱器，最常用的是浮頭式和U型管式。由于U型換熱器，管子有彎曲半徑，管間距增大，管板利用率較低，并且殼程內(nèi)流體流動不均勻，影響傳熱，拆洗更換不容易，所以選用浮頭式換熱器。3.1.2 材質(zhì)選擇及流速的確定循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，循環(huán)冷卻鹽水的推薦流速大于牛奶的推薦流速，故選擇循環(huán)冷卻鹽水為管程流體，牛奶為殼程流體。根據(jù)流體在直管內(nèi)常見

9、適宜流速（表1），管內(nèi)循環(huán)冷卻水的流速初選為u=1.0m/s,管子選用25×2.5mm的碳鋼換熱管（換熱管標(biāo)準(zhǔn)：GB8163）。循環(huán)水新鮮水一般液體易結(jié)垢液體氣體管程流速（m/s）1.02.00.81.50.53>1.0530殼程流速（m/s）0.51.50.51.50.21.5>0.521.5表13.1.3 流向的選擇 當(dāng)冷、熱流體的進(jìn)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。3.2 確定物性參數(shù)定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的

10、平均值殼程牛奶定性溫度：管程稀鹽水定性溫度：根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。牛奶在48定性溫度下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:物性密度o（kg/m3）比熱容Cpo(kJ/(kg·K)粘度o(Pa·s)傳熱系數(shù)o(W/(m2·K)牛奶10353.7650.00210.69稀鹽水在13.5定性溫度下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：物性密度i（kg/m3）比熱容Cpi(kJ/(kg·K)粘度i(Pa·s)傳熱系數(shù)i(W/(m2·K)稀鹽水999.44.1890.00120.579四、 工藝設(shè)計計算 4.1 估算傳熱面積4.1.1 計算熱流量考

11、慮到員工的輪班與休息，一天實際工作12個小時。牛奶流量： 4.1.2 平均傳熱溫差按單殼程多管程進(jìn)行計算，對逆流傳熱溫度差進(jìn)行校正根據(jù)化工原理1（上） P213，公式（4-45）得逆流傳熱溫差為76=168.8K20=68K17=62.6K10=50K4.1.3 稀鹽水用量稀鹽水流量：4.1.4 傳熱面積A的確定由<<化工原理>>查得稀鹽水與牛奶之間的傳熱系數(shù)在233582W/(m2.K)，初步設(shè)定K=250W/(m2.K)。4.2 主要工藝尺寸的確定4.2.1 管徑和管內(nèi)流速我國列管式換熱器常采用無縫鋼管，規(guī)格為外徑×壁厚，常用的換熱管的規(guī)格：19×

12、;2 mm、25×2 mm、25×2.5 mm。選用25×2.5傳熱管(碳鋼管)，管內(nèi)徑di=0.025-0.0025×2=0.02mm，取管內(nèi)流速= 1m/s4.2.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 根據(jù)化工原理課程設(shè)計7P62，公式3-9可依據(jù)傳熱內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) 按單管程計算，所需的傳熱管長度為 L按單程計算的管子長度，m；d0管子外徑m；管子的選擇要考慮清洗工作的方便及合理使用管材，同時還應(yīng)考慮管長與管徑的配合。國內(nèi)管材生產(chǎn)規(guī)格，長度一般為：1.5，2，2.5，3，4.5，5，6，7.5，9，12等。換熱器的換熱管長度與殼徑之比一般在610。按單管程

13、設(shè)計，傳熱管過長，現(xiàn)取傳熱管長l=6，則該換熱器管程數(shù)為 熱管總根數(shù) 4.2.3傳熱管的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。其中，每程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點為管板強(qiáng)度高，流體走短路的機(jī)會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。由化工過程及設(shè)備課程設(shè)計圖3-13取管心距t=1.25d（為管子外徑），則t=1.25×25=31.2532(mm)。由化工原理2（上）P282，公式（4-119），得橫過管束中心線的管數(shù)為 由化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P67頁，公式（3-16），隔板中心到離其最近一排中心距離，取

14、各程相鄰管的管心距為44mm。其前后箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按化工過程及設(shè)備課程設(shè)計圖3-14選取。4.2.4殼體內(nèi)徑采用2管程結(jié)構(gòu)，由化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計可查管板利用率，取管板利用率 =0.8，得殼體內(nèi)徑為：的取值范圍如下：正三角形排列 ，2管程，=0.70.85 ，4管程以上，=0.60.8 。計算的到的殼體直徑應(yīng)按換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。殼體直徑經(jīng)常用的標(biāo)準(zhǔn)有159mm、273mm、400mm、500mm、600mm、800mm等。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)可取D=400mm。4.2.5 折流板列管式換熱器的殼程流體流通面積比管程流通截面積大，在殼程流體屬對流傳熱條件時，為增大殼程流體的流

15、速，加強(qiáng)其湍動程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需設(shè)置折流板。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折流板間距，在阻力允許的條件下盡可能小，允許的折流板最小間距為殼體內(nèi)徑的20%或50mm（取兩者中的較大值）。因此取折流板間距 B=0.4D，則B=0.4×400=160mm 取板間距B=200mm折流板數(shù) 4.2.6 接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)牛奶流速為 u1.0 m/s，則接管內(nèi)徑為 d=0.038m經(jīng)圓整采用45mm×3.5mm 熱軋無縫鋼管(GB8163-87)，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為45mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u1.0

16、 m/s，則接管內(nèi)徑為d=0.103m 經(jīng)圓整采用121mm×9mm 熱軋無縫鋼管(GB8163-87)，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為121mm。4.3 換熱器主要傳熱參數(shù)核算4.3.1 熱流量核算4.3.1.1 殼程對流傳熱系數(shù)雷諾系數(shù)計算得： 由化工原理課程設(shè)計參考資料P68，公式（2-27）得： 其中：取殼程流通截面積A0，由化工原理（上）P253，公式（4-80），得： 殼程流體流速為： 普蘭特準(zhǔn)數(shù)： 4.3.1.2 管程對流傳熱系數(shù)由化工原理（上）P248，公式（4-70a），水在管程中是被加熱，所以公式中的n=0.4，得 其中：管程流通截面積 管程流體流速以及其雷諾數(shù)分別為 普朗特準(zhǔn)數(shù)

17、故管程對流換熱系數(shù) 4.3.1.3 污垢熱阻和管壁熱阻查閱化工原理（上）P354，附錄20，得牛奶側(cè)的熱阻 Rso=0.000172m2o C/w循環(huán)水側(cè)的熱阻 Rsi=0.00058 m2oC/w鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為 =45 W/(m·K)=219.5 W/（m·）4.3.1.4 傳熱系數(shù)K根據(jù)化工原理2（上）P227，公式（4-41） 解得K=425.7 W/(m2.OC)傳熱面積所選用的換熱器的實際傳熱面積 m24.3.1.5 傳熱面積裕度換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。4.3.2 壁溫核算 因為管壁很薄，而且壁熱阻很小。冬季操作時，循環(huán)水的

18、進(jìn)口溫度將會降低。為確?？煽?，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為10，出口溫度為17計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應(yīng)該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是有:，式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計算為:0.4×17+0.6×10=12.80.5×（76+20）=486454.4844.8 傳熱管平均壁溫為殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=48。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 50。該溫差正好.4.3.

19、3 換熱器內(nèi)流體的流動阻力（壓強(qiáng)降）4.3.3.1 管程流動阻力根據(jù)化工原理3（上）P284，公式（4-121）得 pi（p1+p2）Ft Ns Np其中：Pi管程總壓力降, Pa；P1 、P2 分別為單程直管阻力與局部阻力, Pa；Ft污垢校正系數(shù),對于25mm×2.5mm 管子,取Ft = 1.4；對于 19mm×2mm 管子, 取Ft = 1.5；這里取Ft = 1.4；Ns殼程數(shù)，Ns=1；Np 管程數(shù)， Np=2其中流體流過直管段由于摩擦所引起的壓力降可由下式計算: 流體流過回彎管(進(jìn)、出口阻力忽略不計)因摩擦所引起的壓力降可由下式計算: 式中：摩擦阻力系數(shù); l

20、傳熱管長度, m;di 傳熱管內(nèi)徑, m;ui 管內(nèi)流速, m/s;流體密度, kg m3 。由=32647.1<105，設(shè)管壁粗糙度=0.1mm，則相對粗糙度/di=0.005，查莫狄圖得i=0.03W/m·，流速ui=1.0m/s，=999.4 總壓強(qiáng)降： 2.5.3.2殼程流動阻力（壓強(qiáng)降）其中：殼程總壓力降, Pa ; 流體流過管束的壓力降, Pa; 流體流過折流板缺口的壓力降, Pa; 結(jié)垢校正系數(shù), 對于液體, Fs = 1.15；對于氣體或可凝蒸汽，F(xiàn)s = 1.0；這里取Fs = 1.15； 殼程數(shù)，Ns=1。其中, 流體流過管束的壓力降流體通過折流板缺口的壓力

21、降式中N每一殼程的管子數(shù)目; NB折流板數(shù)目;B折流板間距, m;D殼體內(nèi)徑, m;F管子排列方式對壓力降的校正因數(shù), 對于正三角形排列, F =0.5; 對于正方形斜轉(zhuǎn)45°, F = 0.4;f0殼程流體的摩擦系數(shù),當(dāng)Re> 500 時, f0 = 5.0 ;其中, Re= ( deu)/ 。nc橫過管束中心線的管數(shù),管子按正三角形排列: nc = 1.1;管子按正方形排列: nc = 1.19 ;u0 殼程流體橫過管束的最小流速, m /s , Vs殼程流體的體積流量, m3 s。根據(jù)管子排列方法（這里是正三角形），取F=0.5Reo=673.24 f0=5.0Re0=1

22、.13 B=200mm D=400mm =1035kg/m3 u0=0.0683m/s總壓強(qiáng)降： 符合設(shè)計要求。五、 輔助設(shè)備的計算及選型 序號名 稱型 號數(shù)量主 要 性 能 參 數(shù)外形尺寸長*寬*高mm 1儲存罐Comprocess公司CNC型1儲罐容量：1000L50000L所需功率：2KW 3000×3000×40002清洗槽Q-1021超聲波清洗46×595×2953巴氏殺菌機(jī)上海銳元機(jī)械設(shè)備有限公司RY-BS1占地面積：23 m2殺菌溫度：65-99設(shè)備材質(zhì)：罐體為優(yōu)質(zhì)SUS304/316L 2B1700×1200×1900

23、4高壓均質(zhì)機(jī)ER2000/101輸出轉(zhuǎn)速：4200rmp標(biāo)準(zhǔn)線速度：23m/s馬達(dá)功率：15KW進(jìn)出口尺寸：DN50 / DN505紅外線電腦超高溫瞬時殺菌機(jī)DHLX-HCSM1生產(chǎn)能力：1000Kg/h滅菌溫度：100150滅菌時間：35s出液溫度：30503400×1050×18506脫氣機(jī)CRT1功率：8KW電壓：220V/380V190×140×567包裝機(jī)天津星火灌裝機(jī)械有限公司1生產(chǎn)效率：35004000袋/h電壓：220V功率：1.5KW灌裝容量：100500ml/袋750×750×1750六、 設(shè)計結(jié)果匯總表 換熱器主

24、要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表：換熱器型式：浮頭式列式換熱器換熱器面積（）：19.18工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱稀鹽水牛奶操作溫度，10/1776/20流量，kg/s8.321.16流體密度，kg/999.41035流速，m/s1.00.0683傳熱量，kw244.03總傳熱系數(shù)，w/·425.7對流傳熱系數(shù)，w/·6454.4844.8污垢系數(shù)，·k/w0.000580.000176阻力降，Pa16789.92665.045程數(shù)21使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格.5管數(shù) 54管長，mm6000管間距，mm32排列方式正三角形折流擋板型式上下間距，mm200切口高度225

25、mm殼體內(nèi)徑，mm400保溫層厚度，mm殼程流體進(jìn)出口接管45mm3.5mm管程流體進(jìn)出口接管接管121mm9mm傳熱面積25.434m2面積富裕度22.51%七、 設(shè)計評述 食工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)個人綜合運用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練，也起著培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力的重要作用。這次化工原理課程設(shè)計是以小組為單位，然后組員各自進(jìn)行相應(yīng)的確定實驗方案、選擇流程、查取資料、進(jìn)行過程和設(shè)備的計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計。 在換熱器的設(shè)計過程中,我感覺我的理論運用于實際的能力得到了提升，主要有以下幾點： 在計算方面，這是設(shè)計第一階段的主要任務(wù)，數(shù)據(jù)計算的準(zhǔn)確性直接影響到后面的各階段，這就需要我們具有極大的耐心。從拿到原始設(shè)計數(shù)據(jù)到確定最終參數(shù)，持續(xù)了將近一周，確定需要求的參數(shù)，查質(zhì)料找公式，標(biāo)準(zhǔn)值等，一步一步計算。 在查找資料方面，通過