食品工程原理课程设计(换热器设计)

1、食品工程原理课程设计说明书米糠油冷却用列管式换热器的设计姓名： 马坦学号： 201111010704班级： 食工11072013年12月13日一、设计依据及指导思想 3二、主要参数说明 3三、设计计算 51、确定设计方案 52、确定物性数据 53、计算总传热系数64、计算传热面积 75、工艺结构尺寸 76、换热器核算 91）热量核算 92）换热器内流体的流动阻力 113） 换热器主要结构尺寸和计算结果总表137、离心泵的选择13四、设计结果16五、参考文献169一、设计依据及指导思想换热器广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业。在食品工业中的加热、冷却、蒸发和干燥的单元操

2、作中，我们也经常见到换热器应用于食品物料的加热或冷却。在众多类型的换热器结构中，管壳式换热器应用最为广泛，因此要根据特定的工艺要求设计合理 的换热器，以满足不通场所的需求。断冲慢 性断涔头,掖图1浮头式换热器选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洁，符合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。在众多类型的换热器中，浮头式换热器应用较为广泛。 它的结构简单，其优点有介质间温差不受限制，可在高温，高压下工作,可用于结垢比较严重的场合，可用于管程易腐蚀场合，尤其是其

3、内管束可以抽出，以方便清洗管及壳程，管束在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差压力，所以，首选浮头式换热器。二、主要参数说明b折流板间距，m；c系数，无量纲；d 管径，m;d一换热器外壳内径，mf 摩擦系数；f系数；h圆缺高度，m；k总传热系数， w/(m2 )；l 管长，m；m程数；n指数；n管数；nb-折流板数；nu 怒赛尔特准数；p压力,pa;pr普兰特准数q热通量，w/m2;q 传热速率， w;r半径，m;r-热阻，m2 c/w;re-雷诺数；s传热面积，m2;t 冷流体温度，c；t热流体温度，c；u流速，m/s;w质量流量，kg/s;a对流传热系数，w/ (m2l；c)a

4、 有限差值；入一一导热系数， w/(m?c);心 粘度,pa.s ；p 密度，kg/m3;。一一校正系数；下标c冷流体；h热流体；i管内；m 平均o管外；s?亏垢.三、设计计算1 .确定设计方案工艺要求：某油厂用井水将从反应器出来的米糠油从135 c冷却到45c,井水进、出口温度分别为10 c和30c,米糠油的流量为【学生学号最后两位数x100+3400】 kg/h,若要求换热器的管程和壳程压强降均不大于30kpa,试选择合适型号的列管式换热器。(1)选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度135c,出口温度45 c,冷流体(循环水)进口温度10c,出口温度30 co浮头式换热器的一

5、端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体，这样为检修，清洗提供了方便。(2)流动空间及流速的确定由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用625x2.5的碳钢管，管内流速取 ui =0.8m/ s 。2 .确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程米糠油的定性温度为管程冷却水的定性温度为135 452=90(c)10 302=20(c)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。米糠油在90 c下的有

6、关物性数据如下:密度 0 =952 kg/m 3定压比热容cp0 =2.261kj/(kg c)-导热系数 =0.176w/(m c)粘度口0 =0.744 pa s -循环冷却水在20 c下的物性数据：密度 丹=998.2kg/m3 定压比热容 cpi =4.183 kj/(kg k) 导热系数九i =0.5985w/(m k)粘度口 i =0.0010042 pas -3 .计算总传热系数(1)热流量qo=wocpo ato=3800/36002(261 (135-45) = 214.80(kw)(2)平均传热温差. .：tm 士 (135-30) -(45 -10)lt2ln045 -1

7、0= 63.72 ( c(3)冷却水用量wiqo214.80 3600cp %4.183 (30-10)9243.13(kg/h)(4)总传热系数k管程传热系数re =diui：i0.02 0.8 998.2i i i =15904.40.0010042i:i =0.023k diuih0.8cp.ipi.4= 0.023 0.59850.020.815904.4一一 一 3 一一 一 一4.183 10 0.00100420.5985=3447.25 w/(m 2 ：c)壳程传热系数假设壳程的传热系数。0 =400 w/(m2 ；c)；污垢热阻22 rs =0.000172m -c/w ,

8、rs =0.000516m c/w管壁的导热系数在45.4 w/( m c)k = do- idir包也吃 di dm- 00.0253447.25 0.0200.0250.0001720.0200.0025 0.025 +45.4 0.02250.0005161400= 273.61w/(m2 c)4 .计算传热面积sqktm214.80 103273.61 63.72= 12.32(m2)考虑 15%的面积裕度.s=1.15xs =1.1522=16.17(m2)。5 .工艺结构尺寸（1）管径和管内流速选用625x2.5传热管（碳钢），取管内流速 ui=0.8m/s表凯管亮式换热器中不同黏

9、度液体的靠大流通旅体拓度在打最大施谓（皿/9！液率料1度同-1髭夫流述（叫甸a1.5一 ”j1一审gecrlq .口*学马400=120 (mm)则可取 b为150折流板数nb=传热管长/折流板间距-1=6000/150-1=39(块)折流板圆缺面水平装配。(7)接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为 u=1.5 m/s,则接管内径为= 0.031(m)3.14 1.5d _ 4v _ 4 3800/(3600 952)取标准管径为50 mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.1m/s,则接管内径为4 9243.13/(3600 998.2)3.14 1.1-0.055(m)1

10、06.换热器核算(1)热量核算壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用公式0.140 =0.36r0.507 p1/3 上0e rdew jde二 d0当量直径，由正三角形排列得32 :二24 0.032 - 0.025= 0.020(m)243.14 0.025壳程流通截面积cd00.0252so =bd(1-0) =0.15 0.40 (1 )=0.013(m)t0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为re。=3800/(3600 952)0.013= 0.08529(m/s)do uor0.02 0.08529 9520.000744= 2182.69普兰特准数ccpo j0 2261 0.

11、000744pr = = 9.5600.1760.14粘度校正,上1lw /：0 =0.360.1762182.690.0200.5071/32 9.56 = 331.49w / m c管程对流传热系数i 0.80.4：i =0.023 re prdi管程流通截面积si -ji2_2_ 2d0n/np =0.785 0.0248/4 = 0.003768(m )管程流体流速ui10669.623600 998.2 0.003768= 0.78799(m/s)普兰特准数传热系数kreipr:i =0.023d00.02 0.78799 998.2 二15665.640.0010042cpii4.

12、183 103 0.0010042 =7.02,i0.59850.598508042 15665.64 .7.02 . -3406.08w / m k0.02rsi %-bddidm0.0253036.6 0.0200.025 0.0025 0.02510.000172 0.000516 0.02045.4 0.0225331.49_2 一= 236.94w/(m c)传热面积s214.8 103k tm 236.94 51.04= 17.76(m2)该换热器的实际传热面积 sp23sp hd0ln =3.14 0.025 6 48 = 22.6m2)该换热器的面积裕度为h =sp-s 100

13、% = 22.61 -17.76 100% =27.31%s17.76传热面积裕度合适，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汇 zpi=( zp+ap2)ftnsnpns=1, np=4, ft=1.4l ：u2 . ：u2l p| 一 1,1p2 = d 22由re= 15665.64，传热管相对粗糙度 0.01/20=0.005,查莫狄图得 仁0.032,流速 u1 = 0.78799m/s,- 998.2kg/m3,所以6998.2 0.78793毋=0.032=2975.1(pa)0.022u2998.2 0.787992p2 = =3 = 929.7(p

14、a)、 田=(2975.1 929.7) 1.4 4 = 21866.88pa)二 30kpa管程流动阻力在允许范围之内。壳程阻力汇乎o=( zp1+ap2)ftnsns= l, ft=l.152p =ff。 nb +1 2f =0.5f0 =5 2182.69 228 = 0.866nc =8,nb =39,uo =0.08529 952 0.085292p =0.5父0.866父8m(39+1 尸=479.78( pa )2流体流过折流板缺口的阻力2 2b)pu2pp2 =nb 3.5 f 0i d 2 2952 0.085292= 371.36 pab =0.15m, d =0.4m2

15、0.15p2 =39 ： i 3.5 0.4总阻力 p0 =(479.78 371.36) 1.15 1 =978.81 pa ： 10kpa壳程流动阻力也比较适宜。(3)换热器主要结构尺寸和计算结果表1换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果,热管形式：浮头式换热面积：22.61 m2卜艺参数名称管程壳程物料名称冷却水米糠油麋作压力mpa0.40.3卜作温度c3590流量，kg/h9243.133800流体密度kg/m3998.2952流速m/s0.682630.08529传热量kw214.80总传热系数 w/(m2?c)236.94对流传热系数w/(m2?c)3036.60

16、331.49污垢系数m2? c /w0.0001720.000516阻力降mpa0.0 21866880.000 97881程数41卜荐使用材料碳素钢碳素钢管子规格 25x 2.5mm1数48管长mm6000管间距mm44排列方式每程内均按正三角形排列，隔板两侧米用止方形排列折流板形式上下折流板间距mm150卜流板切口局度20%壳体内径mm400结构设计(1)圆筒厚度查gb151-99p21表8得圆筒厚度为：8 mm(2)椭圆形封头dn查jb/t4737-95,椭圆形封头与圆筒厚度相等，即 8mm公称直径dn (mm)曲面高度几(mm)直边高度h2(mm)碳钢厚度6(mm)内表面积a(m2)容

17、积v( m2)质量m (kg)6001502580. 43740. 035327. 47查gb151-99p20,管箱短节厚度与圆筒厚度相等，即 (4)压力容器法兰(甲型)d-pinint un7 比!-ww-8mm90-15o户i型密封面(3)管箱短节厚度dndd1d36d螺柱 规格数量6007306906454023m202428.62(5)膨胀节因为tm =72.715匕tm =379tm -tm =72.715c -37c =35.715七50-c,所以不需设置膨胀节(6)管板口 4.d45查(化工单元设备设计p25-27)得固定管板式换热器的管板的主要尺寸:公称 直径dd3d4bcd

18、螺栓孔 数kg6007306905986453610232877(7)分程隔板公称直径dn/mm隔板最小厚度6 /mm碳素钢6008(8)分程隔板两侧相邻管中心距t =25mm,d0 =19mm,d0 1.25 = 23.75mm ：二 25mm换热管中心距宜不小于 1.25倍的换热管外径，所设计的换热器不用机械方式清洗，采用正三角形排列换热器外径d/mm19换热器中心距 s/mm25分程隔板槽两侧相邻管中心距sn /mm38(9)布管限定圆换热器型式di /mmb3 /mm布管限定圆直径dl /mm固定管板式6008584(10)拉杆的直径、数量和尺寸拉杆公称直径dn/mm数 量基本尺寸拉杆

19、直径d/mmla /mmlb/mmb /mm12419152.0(11)拉杆孔dn1. 1 源5dn =12mm,l2 =1.5dn =1.5 12=18mm(12)换热管与管板的连接换热管规格外径m壁厚/mm换热管最小伸出长度最小坡口深度l3/mm11 /mm19x21.52di4 3800 10003600 48 952 3.14 2=121.3mm(13)折流板的厚度和外径公称直径dn/mm换热管无支跨距l w300mm(折流板或支撑板的最小厚度 )折流板名义外直径/mm折流板外直径允许偏差6004595.50-0.8(14)接管米糠油进出口接管的直径计算4 3800 1000采用宓33 m 4.0mm热轧无缝钢管，实际米糠油进出口管内流速为=1.31m / s3 二248 3600 952 3.14 0.15冷却水进出口接管d2，取u2 =2m/s,则d229.153 9