食品工程原理课程设计---列管式换热器的设计.doc

l 食品工程原理课程设计说明书列管式换热器的设计姓名： 学号： 班级： 2011年12月30日目 录一、设计意义-1二、主要参数说明-1三、设计过程3四、设计计算-31、确定设计方案-32、确定物性数据-43、计算总传热系数-44、计算传热面积-55、工艺结构尺寸-56、换热器核算-7（1）热量核算-7（2）换热器内流体的流动阻力-9（3）换热器主要结构尺寸和计算结果总表-10五、参考文献-11一、设计意义换热器是各种工业部门最常见的通用热工设备，广泛应用于化工，能源，机械，交通，制冷，空调及航空航天等各个领域。换热器不仅是保证某些工艺流程和条件而广泛使用的设备，也是开发利用工业二次能源，实现余热回收和节能的主要设备。在食品工业中的加热，冷却，蒸发和干燥等的单元操作中，经常见到食品物料与加热或冷却介质间的热交换。各种换热器的作用，工作原理，结构以及其中工作的流体类型，数量等差别很大，而换热器的工作性能的优劣直接影响着整个装置或系统综合性能的好坏，因此换热器的合理设计极其重要。目前国内外在过程工业生产中所用的换热器设备中，管壳式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率，结构紧凑性和金属材料消耗等方面，不如其他新型换热设备，但她具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，可靠性高，选用范围广，处理能力大，能承受高温和高压等特点，所以在工程中仍得到广泛应用。二、主要参数说明 t-牛奶的定性温度， t-冷盐水的定性温度， 0-牛奶的密度，kg/m3 cp0-牛奶的定压比热容，kj/(kg) 0-牛奶的导热系数， w/(m) 0-牛奶的粘度，pas i-冷盐水的密度，kg/m3 cpi-冷盐水的定压比热容，kj/(kg) i-冷盐水的导热系数，w/(m) i-冷盐水的粘度，pas -热流量，kw -总传热系数，w/() -进行换热的两流体之间的平均温度差， -冷却水用量，kg/s -雷诺准数 -普兰特准数 -管程传热系数，w/（） -壳程传热系数，w/ -冷盐水污垢热阻，/w; -牛奶污垢热阻，/w -管壁的导热系数，w/（） -传热管数，（根） -传热管长度，m -换热器管程数 -传热管总根数 -温度校正系数 -横过管束中心线的管数 -管心距，mm -壳体内径，mm -弓形折流板圆缺高度，mm -折流板间距，mm -折流板数 -接管内径，mm -当量直径，m -壳程流体流速，m/s -管程流体流速，m/s -传热面积， -换热器实际传热面积， -换热器面积裕度 -管程压降，pa -管内摩擦压降，pa -管程的回弯压降，pa -壳程串联数 -管程压降的结垢修正系数 -壳程压降，pa -流体流经管束的阻力，pa -流体流过折流板缺口的阻力，pa 三、设计过程在灭菌后牛奶的冷却过程中，牛奶由 70 降至25 ，牛奶流量为 12480 kg/ h ，压力为 0.7 mpa 。该过程采用浓度很稀的冷盐水冷却（因此冷盐水的相关物性数据可参考水的物性数据）。冷盐水入口温度为 10 ，出口温度 20 。试设计一台列管式换热器完成该生产任务。四、设计计算1、确定设计方案(1)、选择换热器类型两流体温度变化情况：热流体进口温度70，出口温度25；冷流体(冷盐水)进口温度10，出口温度20。考虑到该换热器的管壁温和壳体壁温相差较大，因此初步确定选用带膨胀节固定的管板式换热器。(2)、流动空间及流速的确定由于冷盐水较易结垢，为便于清洗，另外，粘度大的流体（牛奶）宜于通入管间空间，所以应使冷盐水走管程，牛奶走壳程。选用252.5mm的碳钢管。管内流速取u1=1.1m/s。2、确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值。管程冷盐水的定性温度为t=10+202=15()壳程牛奶的定性温度为t=70+252=47.5()根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。牛奶在47.5下的有关物性数据如下： 密度 0=1030 kg/m3定压比热容 cp0=3.770 kj/(kg)导热系数 0=0.61 w/(m)粘度 0=0.002128 pas冷盐水在15下的有关物性数据如下：密度 i=999.1 kg/m3定压比热容 cpi=4.189kj/(kg)导热系数 i=0.5894 w/(m)粘度 i=0.00113376 pas3、计算总传热系数(1)、热流量q0=m0cp0t0=124803.7770-25=2.117106kj/h=588.1kw(2)、平均传热温差tm=t1-t2t1t2=70-20-25-1070-2025-10=29.1(3)、冷却冷盐水用量wi=q0 cpiti=2.1171064.18920-10=50537kg/h(4)、总传热系数 管程传热系数re=diuii i=0.021.1999.10.0011376=19322i=0.023 idire0.8 cpi i i0.4i=0.0230.589370.02193220.841890.00113760.58940.4=4197.8w/m2k 壳程传热系数 假设壳程的传热系数0=1600w/m2k 污垢热阻 rsi=0.000172m2/w rs0=0.000176m2/w 管壁导热系数 =45w/mk=1d0idi+rsid0di+bd0dm+rs0+10 =10.0254197.80.02+0.0001720.0250.02+0.00250.025450.0225+0.000176+11600 =727.0w/m24、计算传热面积s=q0ktm=588.110372729.1=27.8m2 考虑20%的面积裕度s=1.20s=1.2027.8=33.36m25、工艺结构尺寸(1)、管径和管内流速 选用252.5mm传热管（碳钢）。管内流速取ui=1.1m/s。(2)、管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数。ns=v4di2u=50537/3600999.10.7850.0221.1=40.741根 按单程管计算，所需传热管长度为l=sd0ns=33.363.140.02545=10.4m 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长l=6m。则该换热器管程数为np=ll=10.462管程 传热管总根数为n=412=82根(3)、平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数r=t0-t1t1-t0=70-2520-10=4.5p=t1-t0t0-t0=20-1070-10=0.167 按单壳程、两管程结构，温差校正系数应查有关图表。 可得：t=0.91 平均换热温差tm=tmt=29.10.9126.5(4)、传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25d0=1.2525=31.2532mm 横过管束中心线的管数nc=1.19n=1.1982=10.811根(5)、壳体内径 采用多管程结构。取管板利用率=0.7，则壳体内径为d=1.05tn/=1.053282/0.7=363.7mm 圆整可取d=400mm。(6)、折流板 采用弓形折流板。取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%。则切去的圆缺高度为h=0.25400=100mm，故可取h=100mm。 取折流板间距b=0.3d=0.3400=120mm。故可取b=150mm。 折流板数nb=传热管长折流板间距-1=6000150-1=39块 折流板圆缺面水平装配。(7)、接管壳程流体进出口接管:取接管内牛奶流速为2.0m/s,则接管内径为d=4vu=412480（36001030）3.142.0=0.046m取标准管径为50mm管程流体进出口接管:取接管内冷盐水流速为1.5m/s,则接管内径为d=4vu=450537（3600999.1）3.141.5=0.109m取标准管径为100mm6、换热器核算(1)、热量核算、壳程传热系数 对圆缺形折流板可采用科恩公式0=0.360.14 当量直径，由正三角形排列得de=432t2-4d02d0=4320.0322-0.7850.02523.140.025=0.020m 壳程流通截面积s0=bd1-d0t=0.150.401-0.0250.032=0.01313m 壳程流体流速及雷诺数分别为u0=12480360010300.01313=0.256m/sre0=d0u000=0.0200.25610300.002128=2478普兰特准数pr=cp000=37700.0021280.61=13.15粘度校正w0.1410=0.360.610.0224780.5513.1513=1907w/(m2)、管程对流传热系数i=0.023idire0.8pr0.4 管程流通截面积si=0.7850.022822=0.0129m2 管程流体流速ui=50614/3600999.090.0129=1.089m/srei=diuiii=0.021.09999.090.0011376=19128 普兰特准数pr=cpiii=418860.00113760.58937=8.085i=0.0230.58940.02191280.88.0850.4=4164、传热系数k k=1d0idi+rsid0di+bd0dm+rs0+10 =10.02541640.02+0.0001720.0250.02+0.00250.025450.0225+0.000176+11907 =782.9 w/m2、传热面积ss=qktm=588.1103782.926.5=28.35m2 该换热器实际传热面积spsp=d0ln-nc=3.140.0256-0.0682-11=33.11m2 该换热器面积裕度为h=sp-ss100%=33.11-28.3528.35=16.8% 换热器的面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。(2)、换热器内流体的流动阻力、管程流动阻力pi=p1+p2ftnsnp ns=1, np=2, ft=1.4p1=ildu22p2=u22 由re=19128，传热管相对粗糙度为0.220=0.01，查莫狄图得 i=0.044w/m，流速ui=1.089m/s，=999.1kg/m3所以 p1=0.04460.02999.11.08922=7820pap2=u22=3999.11.08922=1780.5papi=7820+1780.51.41.0892=26881.4pa3.5104pa 故管程流速阻力在允许范围内、壳程阻力p0=p1+p2ftns ft=1.15, ns=1 流体流经管束的阻力p1=ff0ncnb+1u022f=0.5f0=5re0-0.228=52478-0.228=0.8416nc=11， nb=39， u0=0.256m/sp1=0.50.84161139+110300.25622=6249.1pa 流体流过折流板缺口时的阻力p2=nb3.5-2bdu022b=0.15m， d=0.40mp2=393.5-20.150.4010300.25622=3619.8pap0=(6249.1+3619.8)1.151=11349.2pa3.5104pa 壳程流体阻力也比较适宜(3)、换热器主要结构尺寸和计算结果如下表：换热管型氏：固定管板式换热面积：33.11工艺参数名称管程壳程物料名称冷盐水牛奶操作压力，mpa0.70.7操作温度，10/2070/25流量，kg/h5053712480流体密度，kg/999.11030流速，m/s1.0890.256传热量，kw588.1总传热系数，w/782.9对流传热系数，w/41641907污垢系数， /w0.0001720.000176阻力降，mpa0.026880.01135程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格mm管数，mm82管长，mm6000管间距，mm32排列方式正三角形折流板形式上下折流板间距，mm150折流板切口高度25%壳体内径，mm400面积裕度16.8%五、参考文献：1.贾绍义、柴诚敬.化工原理课程设计.天津：天津出版社，20022.李功样等.常用化学单元设备设计.广州：华南理工