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： 0704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 算总传热系数-64、计算 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134、 设计结果-165、 参考文献-16一、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。断冲梗 档崛浮工管场图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。、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 C )；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2q热通重，W/m；Q传热速率，Wr 半径，m；R-热阻，m2 C/W;Re-雷诺数；s传热面积，R；t 冷流体温度，；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/ (m2 goC)

4、 有限差值；入一一导热系数，w/(mg°C)； 粘度，； 密度，kg/m3; 校正系数；下标c 冷流体；h热流体；i 管内；m平均；o管外；s 污垢.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30 C,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。选用巾25X的碳钢管，管内流速取 ui=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 T= 135 45 =90( )2管程冷却水的定性温度为 t = 10 30 =20( )2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

6、有关物性数据如下：密度 0 =952 kg/m 3定压比热容00 =(kg - )导热系数0 = (m - C)粘度 0 = Pa - s循环冷却水在20 c下的物性数据:密度3i =m定压比热容Cpi = kJ/(kg - k)导热系数i =(m k)粘度i = Pa - s3 .计算总传热系数(1)热流量(2)平均传热温差tmtiln卜 tTt2(135 30) (45 10) (C,135 30 ln45 10(3)冷却水用量Wi214.80 3600Cp ti4.183 (30 10)9243.13(kg/h)(4)总传热系数K管程传热系数di Ui iRe0.02 0.8 998.2

7、0.001004215904.40.023dudi i0.8 iCPii0.40.59850.023 0.020.815904.420.44.183 1 03 0.00100420.59853447.25W/( m2 - C)壳程传热系数假设壳程的传热系数0 =400 W/(m2，C )；Q=WCpoAto=3800/3600 XX( 135-45) =(kW)污垢热阻RssiC /W , R =0.000516m2 . C /W管壁的导热系数入=W/( m - C )d°d°bd°1RsiRs0idi didmo0.025 3447.25 0.020 273.6

8、W/(m2 C)0.025 0.0025 0.0250.000172 0.02045.4 0.02251 0.000516 - 4004 .计算传热面积s''-Q3214.80 10K tm 273.61 63.7212.32(m2)考虑15 %的面积裕度.S=XS，=x =(m 2)。5 .工艺结构尺寸（1）管径和管内流速选用巾25X传热管（碳钢），取管内流速Ui=s里中叁，膏0.0热诲水、河一水等疆结 品此液体>5 5NL区7r 内 心得1皆同 （m八）聂器13管叁式族愁制中不同黏度沿体的羲大流通淞体症度tr* ,奥部大施逸（叫/!0演以福堂展fu就跳旧2> *

9、.5 口 西- -"一工.心L冒口不 一- 11CO-QOL2.4。白弧死他去u.oas。- 工J _j表9-土崖 管光式帙艇甑常常凭流速家六强 骨壳式换想弱易燃，易燃液体今洋的安全溢建油体名际工1甲醉、乙脚、汽油Jc（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924313/(998.2 3600)4di2u i20.785 0.022 0.812(根)按单程管计算，所需的传热管长度为Sd。%16.173.14 0.025 1217.17(m)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=6日则该换热器管程数为Np17.17=2.86取管程为4 传热管总根

10、数 N =12 X 4=48(根)(3)平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数30.24135 4540 1040 10135 10按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表，可得平均传热温差 Atm=()AtA' tm=X=(C)由于平均传热温差校正系数大于，同时壳程流量较大，故取单壳程合适。(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=d0,则t= x 25=32(mm)各程相邻管的管心距为 44m横过管束中心线的管数1.诉1.1瓦8 (根)(5)壳体内径采用多管程结构，取管板利用率 刀=,则壳体内径为D 1.05

11、t N 厂 1.05 3248/ 0.71 276.27(mm)圆整可取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=80(mm),故可取 h= 80 ms取折流板间距 B=,则B= X400= 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)20%,则切去的圆缺高度为 h=X400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d ,4V3800/(3600952)0.03, u 3.14 1.5取标准管径为50 mm3管程流体进出口接管：取接管内循环水流

12、速u = 1.1m/s ,则接管内径为Wi /4 9243.13/(3600 998.2)6.换热器核算(1)热量核算3.14 1.10.055(m)壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用公式0.140.36 R0.507 Pr1/3de当量直径，由正三角形排列得de3 224 -t d0244 T 0.0322_ 20.025d03.14 0.0250.020(m)壳程流通截面积S0d0BD(1 ；)0.0250.15 0.40 (1)0.032_20.013(m )壳程流体流速及其雷诺数分别为普兰特准数qm / 0U0S03800/(3600 952)0.0130.08529(m/s)Re

13、。d0U00.02 0.08529 952 2182.690.00074412261 0.000744 9.56 0.1760.14粘度校正0.36震 2182.6严 9.561/3 331.49W/m2oC管程对流传热系数i 0.80.4i 0.023 Re Pr di管程流通截面积Si2d0N / N4_2_ 2p 0.785 0.0248/4 0.003768(m )管程流体流速UiWi/-S10669.623600 998.2 0.0037680.78799(m/s)普兰特准数传热系数KReidiU0.02 0.78799 998.2 15665.64PrCpi i0.0230.598

14、50.020.00100424.183 103 0.0010042 7 020.598515665.640.8 7.020.4 3406.08W/m2 K1d° D d° bd°RsiRs0idididm0.0253036.6 0.0202 -236.94W/(m C)0.025 0.0025 0.0250.000172 0.020 45.4 0.02250.000516331.49传热面积SQKm214.8 103236.94 51.0417.76(m2)该换热器的实际传热面积 Sp2Spd0lN 3.14 0.025 6 48 22.61(m2)该换热器的面积

15、裕度为H S-S 100% 22.61 17.76 ©% 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 A p=( A P+A P2) FtNSNpNS=1, Np=4, Ft=Pilu21, F21 d 22由Re= 15665.64,传热管相对粗糙度20=,查莫狄图得流速 u = 0.78799m/sPi60.032 998.2 0.787992P2 3 2Pi(2975.10.022998.2 0.7879922975.1(Pa)929.7(Pa)929.7) 1.4 4 21866.88(Pa) 30kPa管

16、程流动阻力在允许范围之内。壳程阻力EA Po=( A P' 1+AP' 2)RNNS = lFt =' 一PFf°nc Nb 12U02F 0.5 f0 5 2182.690.228 0.866nc 8,Nb 39,u0 0.08529952 0.085292P 0.5 0.866 8 39 1 2479.78 Pa流体流过折流板缺口的阻力P2Nb 3.52B2U02B 0.15m, D 0.4mP2 393.52 0.150.4_ _2952 0.085292371.36 Pa978.81 Pa 10kPa总阻力P0 (479.78 371.36) 1.15

17、 1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，料名称冷却水米糠油麋作压力Mpa卜作温度C3590流量，kg/h9243.133800流体密度kg/m3952流速m/s0.682630.08529传热量kw2息传热系数 W/(m? C)236.942对流传热系数 W/(m? )3036.60331.49污垢系数m2? C/W阻力降Mpa218668897881隹数41鹿荐使用材料碳素钢碳素钢管子规格 25X 2.5mm管数48管长mm6000管间距mm44

18、阵列方式每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用止方形排列所流板形式上下折流板间距mm150肝流板切口舒度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)椭圆形封头查JB/T4737-95 ,椭圆形封头与圆筒厚度相等，即 8mm公称直径DN (mrm曲面高度h|(mrm直边高度h2(mrm碳钢厚度6(mrm内表面积A/2(m)容积V( m2)质量M (kg)6001502580. 43740. 035327. 47(3)管箱短节厚度查GB151-99P20,管箱短节厚度与圆筒厚度相等，即 8mm(4)压力容器法兰(甲型)户工型若封面DNDD1D

19、3d螺柱规格数量6007306906454023M2024(5)膨胀节因为Tm 72.715gCtm 37gCTm tm 72.715gC 37gC 35.715gC 50gC,所以不需设置膨胀节(6)管板L4d45"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DDiD3D4bcd螺栓孔数kg6007306905986453610232877(7)分程隔板公称直径隔板最小厚度/mmDN/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 25mm换热管中心距宜不小于倍的换热管外径，所设计的

20、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数量基本尺寸拉杆直径d/mmLa/mmLb/mmb /mm1241915(11)拉杆孔dndn 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壁厚/mm换热管最小伸出长度最小坡口深度I3/mm11 /mm19 22(13)折流板的厚度和外径公称直径DN/mm换热管无支跨距1 300mm(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600400.8(14)接管米糠油进出口接管的直径计算121.3mmd4Vs4 3800 10001 u 3600 48 952 3.14 2采用133 4.0