食品工程原理课程设计--列管式换热器的设计——水冷却牛奶.docx
课程设计设计题目：列管式换热器的设计水冷却牛奶目录一、设计任务和设计条件31、设计题目32、设计条件33、设计任务3二、设计方案的确定41、换热器类型选择42、流体流动空间的确定53、流体流向的选择5三、确定物性数据51、计算两流体的定性温度5四、试算和初选换热器规格61、计算热流量和冷却水的流量62、计算有效平均温差63、校核有效平均温差64、选取经验总传热系数75、估算传热面积76、初选换热器规格77、计算实际传热面积8五、核算总传热系数81、管程对流传热系数82、壳程对流传热系数93、总传热系数：105.壁温的核算：11六、核算压强降121、管程122、壳程13七、辅助设备的计算与选型141、管箱：142、封头153、折流板154、接管155、离心泵的选择：16八、设计结果一览表171 .参数数据172 .主要符号说明：19九、经济核算21十、设计评述22H-一、参考文献23十二、附录：参考图纸24一、设计任务和设计条件1、设计题目：水冷却牛奶-换热器的设计2、设计条件：(1)牛奶处理量：79吨/小时=2L94kgs进口温度：100C；出口温度：30o(2)冷却水进口温度：25；出口温度：35(3)压强降：管程V80kPa；壳程V50kPa03、设计任务:(1)根据设计条件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。二、设计方案的确定1、换热器类型选择：食品工业中的换热器，主要分为间壁式和混合式两大类，间壁式换热器中的列管式换热器是目前各行业应用最广泛的标准化换热设备。列管式换热器主要有固定管板式、浮头式、U形管式三类，其中固定管板式适用于壳体与管束间温差较小，物料不易结垢的场合，而浮头式则在壳体与管束间温差超过50,并且管束空间需经常清洗的场合使用较多。对于流体流动空间的选择，要综合考虑多方面的因素，但要遵循传热效果好、结构简单、易于检修和清洗的原则，以此来决定何种流体走壳程，何种流体走管程。本设计中，由于冷流体和热流体之间的温差较小，所以选择固定管板式，且出于传热效果和清洗方面的考虑，选择让牛奶走管程，冷却水走壳程。当冷热流体进行逆流操作时，冷流体温升空间可适当增大，以减少冷流体的用量，因此本设计冷流体采用逆流。2、流体流动空间的确定：固定管板式换热器管程易清洗，牛奶的黏度较水大，且容易结垢,并且考虑到牛奶饮用卫生标准方面的因素，所以选择牛奶走管程，水走壳程。3、流体流向的选择：因为当流体进行逆流操作时的平均温差大于顺流，且冷流体温升空间大，能更有效地冷却热流体，所以本设计中流体流动采用逆流。三、确定物性数据1、计算两流体的定性温度：对于一般流体(如牛奶)、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。牛奶：r=2=100+30=65。22冷却水：,=£LtJi=至！乏=30。C222、确定物性数据：根据牛奶和冷却水的定性温度，查取相关文献，得牛奶和水在各自的定性温度下的物性数据见表1：表1牛奶和水在定性温度下的物性数据密度P黏度U比热容CP传热系数入物料(kgm3)(Ps)(U(oC)(W(m2)O. 58000.6171O.0015O.0008四、试算和初选换热器规格1、计算热流和冷却水的流:热流量：Q=q,ncp=21.94×3.970×103×(100-30)=6097126¥水的用量：W =6097126CPAr 4.174×1000 ×10= 146SkglS2、计算有效平均温差：,二区一G)一一G二(IoO35)(3025)“'Inj'Tn-653、校核有效平均温差：P="二L=Z=O.13,R=TlzIl=J图1对数平均温差校正系数图查图1得%,=().87,所以两流体的有效平均温差为:Nm=ZZm=0.87×23.39=20.35oC4、选取经验总传热系数K：由于牛奶的总传热系数与水接近，故取凡=600卬/(力。)05、估算传热面积:屋Q6097126、”A=-=499.36mKoMm600×20.356、初选换热器规格:根据估算换热面积，选用合适的换热器。此处选用加9初x2四传热管，管心距”25帆叫选用的固定管板式换热器的基本参数见表2：表2所选换热器的基本参数参数项目参数数据参数项目参数数据公称直径4/加1000中心排管数39公称压力&/M41.6管程流通面积/0.0524管程N4换热管长度加9000管子根数1186计算换热面积/630.17、计算实际传热面积：根据选取的换热器计算实际传热面积：A=ndL=1186×3.14×0.019×9=636.8Iw2五、核算总传热系数由于是根据估计的总传热系数K计算的换热面积，所以选取的换热器是否可用还未知，因此需对K和换热面积A进行校核。1、管程对流传热系数：根据所选换热器得知管程流通面积：A=O.0524/管程流体流速一L券=°岫雷诺数:0.015×0.41×10300.0015= 4223普兰特准数:3.970× 1000×0.00150.5800= 10.27由于流体被冷却，故n取0.3,且2300<Re<10000所以管程对流传热系数为：生=0.0234(必2产(汕勺=0.023x空陋x4223°8l.27°3'diiAi0.015=1422,44W/(w2oC)%=Qf(l-115)=1422.44×(1一设，.)=1168.30W/(n2oC)2、壳程对流传热系数:折流板间距取B=850wn，壳程流通面积：4=v(l-=0.85×l×(1-)=02三壳程流体流速=或146.07995.7×0.2040=0.72研管子成正三角形排列,4(r2-2)4×(-×0.0252-×0.0192)当量直径:4=24=24=0.017meda3.14×0.019雷诺数:Re二0.017×0.72×995.70.0008= 15234 .21普兰特准数：prO =c,mo 4.174×103×0.0008 一 = 3.410.6171由于 IO(Kl 5234.21 < 60000,上取1.05, 4则壳程对流传热系数:a 72(d<M<>Po)0.6(C.4,)0.14d<, AOAh= 1.72×0.61710.0170 * 4X15234.2106 ×5.41××l.O5o,43095.72jV(n2oC)3、总传热系数:查表得牛奶和冷却水的污垢热阻分别为:=0.00017197W(m2oC)凡？=0.00017197W(m2)K = -7- dO则总传热系数为:0.0191168.30x0.015+_嘿+甯X罂+(三H7I97+13095.72=541.60W(moC)4 .面积裕度:实际热流量：Q=KAtn=541.60×636.81×20.35=7018640W实际热流量与理论热流量的比值:Q70186401c=5面积裕度：6097126541.23 ×20.35= 553.58/H=&罡=636.81-553.58X1(X)%=150%S553.58传热面积裕度合适，故该换热器能完成生产任务。5 .壁温的核算：因为管壁很薄，而且壁热阻很小。冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为25,出口温度为35计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期,污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取壳侧污垢热阻为零计算传热管壁温。Q=(xA(t-tw)a=3095.72W(z)t=30A=成/L=1186x3.14x0.019x9=636.8b112QaA= 26.9,C27oC360971263095.72x636.8130时，4=0.0008¼s27C时，=0.0009Pes,=三=089,与计算壳程对流传热系数所假设的数值接近。w0.0009六、核算压强降1、管程：EGPl+屈2）FNSNP式中p1直管中因摩擦阻力引起的压力降；AR回弯管中因摩擦阻力引起的压力降（可由经验公式即2=3（-2/2）估算）；NS壳程数，此处为1；NP管程数，此处为4；Ft结垢校正系数，无因次，025zw2.5加加的换热管取1.4；例9wmx2加的换热管取1.5oAp=4L=0.047××103°x°412=132p,di20.0152（传热管粗糙度取£=0.皿旭，由RCj=4223,传热管相对粗糙度*=0.007,查图2得摩擦系数4=0.047）»8»IS«ES312X2aaaaHBMB iSIHIBI 29HI瑞诺布数Kr0.00»0.0011 冷417 Y SMlX S 2 >."30。 d O 2 O Ooooo O O OY券般造所皿0显;：W案罂需MIIIa、器!PI亘湍端:0.03 0.040.010.02 O.OlS06O 00»O 00«O 00<O.OOZ 0.001IO OOOl O (XxM O 00040.0002O OOOl 0.0000%Ji JJo.ooooi贯HH图2摩擦系数/1与Re、d的关系曲线Ap=3×1030X°'4=259.71Pa,1222管程压力降:ZM=(2441.32+259.71)×1.5×1×4=16206.1SPa<SOkPa,满足管程压力降的要求。2、壳程:Z绅。=(M+如2)”乂式中p1一一流体横过管束的压力降;“；一一流体流过折流挡板缺口的压力降;壳程流体的摩擦系数，=5.0×Re228(Re>500)F管子排列方式对压力降的校正系数：三角形排列F=0.5,正方形直歹Jb=0.3,正方形错歹IJF=O.4；一一按壳程流通截面积S/S=力(。-&)计算的流速，msoF1结垢校正系数,无因次,对液体£=1.15,对气体£=1.0；几一一横过管束中心线的管数；NB一一折流挡板数目。折流挡板数目：Ns=T=2-1=10B0.85于O=5.0×Re/228=5.0l5234.210228=0.56p,'=FfOnC
