化工原理課程設(shè)計(jì)--換熱器的設(shè)計(jì)—水冷卻純牛奶

1、 設(shè)計(jì)題目： 換熱器的設(shè)計(jì)水冷卻純牛奶設(shè) 計(jì) 者：班級(jí) 食品1002班 姓名 學(xué)號(hào) 20213286、20213284 指導(dǎo)教師： 李 鳳 設(shè)計(jì)成績(jī)：進(jìn)度 說(shuō)明書(shū) 圖紙 總分 日 期： 2021年11月21日 生命科學(xué)與工程學(xué)院目錄引言.3 1、設(shè)計(jì)題目的目的和意義.3 2、設(shè)計(jì)總體要求.3二、設(shè)計(jì)方案確實(shí)定.3 1、換熱器類(lèi)型的選擇.4 2、流程的選擇.4 3、流體進(jìn)出口溫度的選擇.4 4、流體流速的選擇.4 5、流體流向確實(shí)定.5三、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件.5 1、設(shè)計(jì)題目.5 2、原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)條件.5 3、設(shè)計(jì)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(jì)算熱負(fù)荷和冷卻

2、水流量.7 2、計(jì)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(jì)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(qiáng)降.14 1、管程壓強(qiáng)降.13 2、殼程壓強(qiáng)降.14八、輔助設(shè)備的計(jì)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(jì)評(píng)述.18十、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表.19十一、本設(shè)計(jì)中符號(hào)說(shuō)明表.20參考文獻(xiàn).21附錄：參考圖紙.22引言1、設(shè)計(jì)題目的目的和意義通過(guò)化工原理的課程設(shè)計(jì)

3、，進(jìn)一步穩(wěn)固了食品工程原理理論教學(xué)中所學(xué)到的知識(shí)，學(xué)習(xí)運(yùn)用書(shū)本知識(shí)，學(xué)會(huì)工程器件的設(shè)計(jì)的根本方法和根本技能，學(xué)習(xí)各種食品工程圖表的使用方法，從而提高分析問(wèn)題和解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的根本能力；通過(guò)對(duì)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(jì)和以后的工作奠定了一定的根底。2、設(shè)計(jì)總體要求1、學(xué)習(xí)工程常用工具書(shū)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(jì)根本知識(shí)、根本方法；3、熟練掌握物料衡算、熱量衡算的方法，提高工藝計(jì)算實(shí)際 工作能力；4、加強(qiáng)圖紙表達(dá)能力、文檔能力；5、提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。設(shè)計(jì)方案確實(shí)定確定設(shè)計(jì)方案的原那么是要保證到達(dá)工藝的傳熱指標(biāo)，操作上要平安可靠，結(jié)

4、構(gòu)上要簡(jiǎn)單，便于維修，盡可能節(jié)省操作費(fèi)用和設(shè)備投資。確定設(shè)計(jì)方案主要考慮如下幾個(gè)問(wèn)題。1、換熱器類(lèi)型的選擇換熱器的種類(lèi)繁多，選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)操作溫度、操作壓力、換熱器的熱負(fù)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(jìn)行綜合考慮。綜上由于殼體和管束間溫差較大，其溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(jì)中，哪種流體走管程，哪種流體走殼程，需要進(jìn)行合理安排。選擇原那么：傳熱效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢修與清洗方便。根據(jù)選擇原那么，在用水冷卻純牛奶的換熱器中采用： 純牛奶通過(guò)管程、水通過(guò)殼程。3、流體進(jìn)出口溫度的選擇 在換熱器的

5、設(shè)計(jì)中，被處理物料的進(jìn)出口溫度為工藝要求所規(guī)定；冷卻劑的進(jìn)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(shí)水作為冷卻劑一般出口溫度不超過(guò)4050、進(jìn)出口溫度差不應(yīng)低于5。當(dāng)兩流體溫差超過(guò)50時(shí)，溫度應(yīng)力會(huì)造成管子變形或使焊縫破裂。根據(jù)以上原那么，冷卻劑水的進(jìn)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(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子外表上的沉積的可能性，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(fèi)用降低。但是流速增加，流體阻力將相應(yīng)加大，操作費(fèi)用增加。因此，選擇適宜的流速是十分重要的，適宜的流速應(yīng)通過(guò)經(jīng)濟(jì)核算來(lái)確定。5、流

6、體流向確實(shí)定 當(dāng)冷、熱流體的進(jìn)出口溫度相同時(shí)，逆流操作的平均推動(dòng)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(shí)，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。設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)題目 換熱器的設(shè)計(jì)水冷卻純牛奶2、原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)條件純牛奶表1，對(duì)純牛奶的要求參數(shù)工程數(shù)量工程數(shù)量處理量噸/小時(shí)60進(jìn)口溫度100壓強(qiáng)降kPa80出口溫度30 2冷卻水表2，對(duì)冷卻水的要求參數(shù)工程數(shù)量工程數(shù)量進(jìn)口溫度20壓強(qiáng)降50kPa50出口溫度35 3、設(shè)計(jì)任務(wù) 1根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇適宜的換熱器型號(hào)，并核算換熱面積、壓

7、力降是否滿足要求，并設(shè)計(jì)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(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對(duì)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(jìn)出口溫度的平均值。管程： 純牛奶 10030殼程： 水 3520 T =65 t = 定性溫度下流體的物性，見(jiàn)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651030水試算和初選換熱器的規(guī)格 1、計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量熱負(fù)荷量： Q=WcCp(T1-T2)=6000010030 =16674000KJh =46

8、31666.67(W)冷卻水的量：W2= =265997Kgh計(jì)算兩流體的平均溫度差(暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算)tm1= =EA=RA=查表溫差校正系數(shù)表5可得：表5，對(duì)數(shù)平均溫差校正系數(shù) 所以： tm=tm1 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(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，所以只能進(jìn)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(jī)溶劑280850有機(jī)溶劑

9、有機(jī)溶劑115340 總傳熱系數(shù)K的單位：W A4=460 =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(jiàn)表7 表7，換熱器的相關(guān)參數(shù)換熱管長(zhǎng)度Lmm6000管數(shù)n1120公稱(chēng)壓強(qiáng)PN(MPa)公稱(chēng)直徑DN(mm)1100管程數(shù)N6管子排列方法正方形旋轉(zhuǎn)45管程流通面積中心排管數(shù)nc24管子尺寸dmm192計(jì)算換熱面積根據(jù)表5-3中換熱器的相關(guān)參數(shù)可得實(shí)際傳熱面積：A1=ndL=11206 =400.92()核算總傳熱系數(shù)已選定的換熱器型號(hào)是否適用，還要核算K值和傳熱面積A才能夠確定管程的給熱系數(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=

10、ms因?yàn)椋?.4ms0.4918ms3ms，所以管程中純牛奶的流速符合要求雷諾數(shù)： Re1= Pr=因?yàn)?3005066.5710000且純牛奶是被冷卻，那么：1(1-) =1433.71W()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 = =0.1288 殼程內(nèi)水流速：u2=ms因?yàn)椋?.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= Pr2=u =2 =0.36 = =1722.14W()污垢熱阻查污垢熱阻表8可得：表8，流體的污垢熱阻R1=0.0

11、00172W() R2=0.000172W()4、計(jì)算總傳熱系數(shù) K總熱阻(以外外表為基準(zhǔn))： = 所以，K=532.46(W) 5、傳熱面積裕度所需傳熱面積：A=裕度:100=100=15.09核算結(jié)果說(shuō)明，換熱器的傳熱面積有15.09的裕度，故可用壁溫核算、管程的壁溫核算 Q=1A1(T0-Tw) 1=1433.71 A11120T0= =65TW=T0-=65-通過(guò)查表可得：牛奶在65下的黏度0下的黏度w所以，=、殼程的壁溫核算 Q=2A2(tw-t0) 2=1722.14 A21120T0= =tW=t0-=65-通過(guò)查表可得：下的黏度0下的黏度w所以，=綜上可知：在計(jì)算管程、殼程中所

12、假設(shè)的的值是正確核算阻力損失1、管程阻力損失 P1=(P3P4)FtNsN當(dāng)Re1=5066.57時(shí)，查表9可得摩擦系數(shù)1表9，摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)e R 及相對(duì)粗糙度/d 的關(guān)系 P3= P4=P3P4=3 =2516.14 Pa 對(duì)于 192 mm 的管子 Ft=1.5 P161=22645.30 Pa80 kPa 2、殼程阻力損失 P2=(P5P6)FsNs P5=Ff2ncNB1因?yàn)椋?Re2=71020.99500，故 f2管子排列為正方形45那么擋板數(shù)為：NB=1=1=29那么P524291 =18612.15 Pa P6=NB3.5 =293.5=15010.17 Pa 取污垢校正系

13、數(shù)Fs=1.15 液體 P2=1 =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(jì)所要求的壓強(qiáng)，故以上核算結(jié)果說(shuō)明，前面所選用的換熱器能夠符合工藝要求。 輔助設(shè)備的計(jì)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(shí)可不必拆下外部管道就可將管卸下。對(duì)于封頭，有方形和圓形兩種，方形用于直徑小一般小于400mm的殼體；圓形用于較大直徑的殼體。因?yàn)镈N=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(qiáng)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N

14、B=1129綜上所述，折流板需要29塊3、接管1、管程流體進(jìn)出管口的接管：取接管內(nèi)純牛奶的流速：u3=1ms內(nèi)徑：d3 =0.1436(m)、殼程流體進(jìn)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(wú)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(wú)縫鋼管導(dǎo)流筒殼程流體的進(jìn)出口和管板間必須存在有一段流體不能流動(dòng)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(jìn)出殼程時(shí)必然經(jīng)過(guò)這個(gè)空間。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

15、開(kāi)來(lái)。對(duì)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(shí)卸下頂蓋就可把管板連同管束從殼體中抽出。設(shè)計(jì)評(píng)述 在本次設(shè)計(jì)中，我們通過(guò)合作參考了大量的數(shù)據(jù)資料，查詢(xún)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(jì)算和核算的中遇到的問(wèn)題。當(dāng)我們確定要選擇哪一類(lèi)型的換熱器時(shí)，不僅僅要考慮到計(jì)算中的符合情況，還要考慮在生產(chǎn)應(yīng)用中的實(shí)際情況，所以在選擇時(shí)綜合考慮各個(gè)因素。其實(shí)，在給定處理物料對(duì)換熱器的選擇就是一個(gè)反復(fù)試算的過(guò)程，需要核算傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降等相關(guān)是否符合設(shè)計(jì)要求，只要不符合條件，都要重新進(jìn)行換熱器規(guī)格的計(jì)算，

16、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(shí)際的生產(chǎn)中。設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 表10，設(shè)計(jì)參數(shù)總表相關(guān)參數(shù)管程殼程流率W/(kg/h)60000265997進(jìn)/出口溫度100/3020/35壓力/kPa8050 物性定性溫度/65密度 /(kgm3)1030定壓比熱容黏度(Pas)熱導(dǎo)率()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(chēng)直徑/mm1100臺(tái)數(shù)1管長(zhǎng)/(mm)6000管心距/mm44管子尺寸/(mm)192折流板個(gè)數(shù)29傳熱面積/()折流板間距mm200管程數(shù)6材質(zhì)不銹鋼管數(shù)1120主要計(jì)算結(jié)果管程殼程殼程流速/(m/s)外表傳熱系數(shù)W/K污垢熱阻/(k/W)阻力/(Pa)接管外徑/(mm)1592458熱流量/(W)傳熱溫差/()傳熱系數(shù)/(W)裕度15.09本設(shè)計(jì)中符號(hào)說(shuō)明表 表11，符號(hào)說(shuō)明表英文字母實(shí)際意義英文字母實(shí)際意義T純牛奶溫度L換熱器管長(zhǎng)t冷卻水溫度PN公稱(chēng)壓強(qiáng)密度N管程數(shù)黏度d管子尺寸Cp定壓比熱容F壓強(qiáng)降校正系數(shù)熱導(dǎo)率h擋板間距Q熱負(fù)荷量Pr普朗特?cái)?shù)Wc