食品工程原理课程设计

食品工程原理课程设计说明书姓名： 学号： 班级： 目年月录日TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、设计任务和设计条件 3\o"CurrentDocument"1、设计题目 3\o"CurrentDocument"2、设计条件 33、设计任务 5\o"CurrentDocument"二、设计意义 6\o"CurrentDocument"三、主要参数说明 6\o"CurrentDocument"四、设计方案简介 9\o"CurrentDocument"1、选择换热器的类型 9\o"CurrentDocument"2、管程安排 9\o"CurrentDocument"3、流向的选择 9\o"CurrentDocument"4、确定物性系数据 10\o"CurrentDocument"五、 试算和初选换热器的规格 10\o"CurrentDocument"1、热流量 10\o"CurrentDocument"2、冷却水量 11\o"CurrentDocument"3、计算两流体的平均温度差 11\o"CurrentDocument"4、总传热系数 11\o"CurrentDocument"六、 工艺结构设计 12\o"CurrentDocument"1、计算传热面积 12\o"CurrentDocument"2、管径和管内流速 12\o"CurrentDocument"3、管程数和传热管数 12\o"CurrentDocument"4、平均传热温差校正及壳程数 13\o"CurrentDocument"5、传热管排列和分程方法 13\o"CurrentDocument"6、壳体内径 14\o"CurrentDocument"7、折流板 14\o"CurrentDocument"8、接管 149、热量核算 1510、 换热器主要结构尺寸和计算结果如下表： 19\o"CurrentDocument"七、参考文献 21\o"CurrentDocument"八、浮头式换热器装配图 21 - --=W°RD格式--可编辑--专业资料,一、设计任务和设计条件1、设计题目列管式换热器设计2、设计条件①设计内容设计内容某生产过程中，需将6400kg/h的牛奶从140°C冷却至50°C,冷却介质采用循环水，循环水入口温度40C。允许压降不大于105Pa。试设计行核算。牛奶定性温度下的物性数据：密度1040kgm-3；黏度1.103*10-4P2.11kJ/(kg°C)；热导率0.14W/(m°C)20C，出口温度为•台列管式换热器并进as；定压比热容完成年月日日期②设计要求序号设计内容要求1工艺计算热量衡算，确定物性数据，计算换热面积2结构尺寸设管径、流速、管程数、传热管数、壳径、壳程数、计折流板数等3核算热量核算、流动阻力计算4编写设计说明书目录，设计任务书，设计计算及结果，参考资料等5其他设计的评述及有关问题的分析和讨论6图纸A2主视图（设备的主要结构形状及主要零部件间的装配连接关系）尺寸（表示设备的总体大小规格装配安装等尺寸）主要零部件编号及明细栏管口符号及管口表等

3、设计任务用循环水将牛奶冷却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。绘制列管式换热器的装配图。编写课程设计说明书。二、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。三、主要参数说明T热流体的初始温度，。C1T―-热流体的最终温度，C2t冷流体的初始温度，C1 t冷流体的最终温度，C2 p 牛奶的密度，kg/m3oc牛奶的定压比热容，kJ/(kg•C)po九一-牛奶的导热系数，W/(m•C)o卩牛奶的粘度，Pa•sop冷盐水的密度，kg/m3ic冷盐水的定压比热容，kJ/(kg・C)pi九一-冷盐水的导热系数，W/(m•C)i卩一-冷盐水的粘度，Pa・siQ 热流量，kWK 总传热系数，W/(m?・°C)Atm――进行换热的两流体之间的平均温度差，CWi——冷却水用量，kg/sRe 雷诺准数Pr---普兰特准数ai――管程传热系数，W/W・C)ao壳程传热系数，W/(m?・C)Rsi――冷盐水污垢热阻，F・C/W;Ro――牛奶污垢热阻，F・C/W九——管壁的导热系数，W/(m?・C)ns---传热管数，(根)L 传热管长度，mNP---换热器管程数N---传热管总根数---温度校正系数nc---横过管束中心线的管数t管心距，mmD壳体内径，mmh弓形折流板圆缺高度，mmB折流板间距，mmNB---折流板数d 接管内径，mmde---当量直径，m"o壳程流体流速，m/sui管程流体流速，m/sS---传热面积，m2Sp---换热器实际传热面积，m2H---换热器面积裕度工Ap---管程压降，PaApi-—管内摩擦压降，PaAp2-—管程的回弯压降，PaNs---壳程串联数FFt---管程压降的结垢修正系数工汽―-壳程压降，PaAP1―-流体流经管束的阻力，PaAp2---流体流过折流板缺口的阻力，Pa

Ill四、设计方案简介Ill四、设计方案简介换热器是化工、石油、动力、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。1、选择换热器的类型两流体温度变化情况:①热流体（牛奶）140°C出口温度50°C；②冷流体（水）进口温度20C，出口温度40C，由两流体的温差来看，由于两流体温差（140+50）/2-（20+40）/2=55°C〈60°C，估计换热器的管壁温度和壳体壁温度不会很大，但冬季操作时，进口温度会发生变化，考虑到该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差增大，同时便于污垢清洗。因此初步确定选用浮头式换热器。2、管程安排从两物流的操作压力看，应使牛奶走管程，循环冷却水走壳程。所设计换热器用于冷却牛奶，牛奶粘度较大，易结垢，易腐蚀管道，所以选用浮头式换热器，浮头便于拆卸、清洗。综上所述，换热器选择浮头式，牛奶走壳程，循环冷却水走管程。3、流向的选择当冷，热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，所需要的传热面积较小。逆流操作时，

冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流。4、确定物性系数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。管层牛奶的定性温度为：T=(140+50)/2=95°C壳程冷却水的定性温度为：t=(20+40)/2=30C密度p=1040kg/密度p=1040kg/m30定压比热容c=2.11kJ/(kg・0C)p0导热系数九导热系数九=0.14W/(m・oC)0粘度卩=1.103x10-4Pa-s0循环冷却水在30C下的物性数据:定压比热容c=4.174J/(kg-0C)定压比热容c=4.174J/(kg-0C)pii导热系数九=0.6171W/(m・oC) 粘度卩=8.012x10-4Pa-sii五、试算和初选换热器的规格1、热流量Q=wcAt=6400/3600x2.11x(140—50)=337.6(kW)00p002、冷却水量CAt337.64.174x20=4.044(kg/s)pi3、计算两流体的平均温度差逆流时平均温差为：At—At—At i □.]AtInAt2=(140—40)—(50—20)=58.14(oC)140—40In50—204、总传热系数管程传热系数：==37282.83dxuxpRe=―i iipi

0.02x1.5x995.78.012x10-4=0.023九]dup、 L i i id.v丿ii0.8‘cup：i~T~viA0.4丿=0.023x0.61710.02x37282.830.8x'4.174x103x8.012x10-4丫4v 0.6171 ,=6336.3W/(m2・0C)壳程传热系数假设壳程的传热系数b=800W/(m2・0C)0污垢热阻R=0.000172m2・°C/W R=0.000516m2・°C/WTOC\o"1-5"\h\zsi so管壁的导热系数九=45.4W/(m2.oC/W)1+-

1+-

ao0+Ro+ —+Radyd 九d soii im0.0256336.3x0.020+0.000172x0.025+0.0200.0025x0.02545.4x0.0225+0.000176+1800=526.5W/(m2・0C)六、工艺结构设计1、计算传热面积_ 337.6x103s二 = =11.03m2KAt' 526.5x58.14m考虑15%的面积裕度s二1.15xs'=1.15X11.03=12.682、管径和管内流速选用①25mmx2.5mm传热管（碳管），取管内流速u二1.1m/si3、管程数和传热管数根据传热管内径流速确定单程传热管数Vn=Vn=s兀d2u4i4.044/995.70.785x0.022x1.1=11.75沁12(根)按单管程计算，所需的传热管长度为兀dn0兀dn0s12.683.14x0.025x12=13.5(m)按单程管设计，传热管过长，宜采用多程管结构。现取传热管长l=9m。则该换热器的管程数为：N=L=135沁2（管程）pl9则传热管的总根数为：N=12X2=24（根）

4、平均传热温差校正及壳程数平均传播换热温差校正系数t—t12=4.540—20t—tt—t12=4.540—20t—t40—20P=—i= =0.167T—t140—2011■*「E00J0.2ISSSS0.5 0.6 0.70.8 0,9P芍売侧1程.管侧2程或加程.浒整数按单壳程，双管程结构，温度校正系数应查有关图表，但R=4.5的点在图上难以读出，因而相应的以1/R代替R,PR代替P,查同一图线,0=0.91。平均传热温差At=0At'=0.91x58.14=52.19°Cmm5、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=1.25d=1.25X25=32(mm)各程相邻管的管o心距为44mm横过管束中心线的管数n=1.K，N=1.1后？〜6(根)c6、壳体内径采用多管程结构，取b=25mm，则壳体内径为D=t(n-1)+2b'=32x(6-1)+2x25-210mmc圆整可取D=325mm7、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=0.25X325=81.25mm，故可取h=100mm。折流板与壳体之间的间隙为2.0mm初取折流板的间距h-150mmo则N-罟-1-黑-1〜5沢块）o所以h二1—0.1二9-0.1=148.3mmoN+1 59+1B折流板厚度取5mm折流板圆缺面水平装配。8、接管壳程流体进出口接管：取接管内牛奶流速为u=2.0m/s，则接管内径为d飞I-严聽門-0-（m）

圆整后的管径①38mmx2.5mm的冷拔无缝钢管。实际牛奶进出口管内流速为4qv-兀d24qv-兀d21=1.51(m/s)1040x3600x3.14x0.03&管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速u=l.lm/s，则接管内径为d=:W^£二4x4.044 =0.069(m)I巴\995.7x兀xl.l4圆整后为①63mmx2mm9、热量核算1）壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式，由于R<2000，所以e=0.36—R0.55P丄；［上J"der(卩丿ew当量直径，由正三角形排列得/朽 n」4/朽 n」4l——12一一d2|2 4o丿d=' 丿endo(3 兀 A4l—x0.0322—_x0.0252I2 4 丿二 丿=0.020m3.14x0.025壳程流通截面积S二hD〔l—匕t丿oo=0.15X0.325X〔1一'J0.032丿=0.011m2壳程流体流速及其雷诺数分别为q/Pq/Pm0So6400/(3600X1040)0.011=0.17(m/s)R

eR

eoduPpoooO.。20XO.17x1040」=32061.10.0001103普兰特准数cy 2.11X0.0001103X1000P=poo= =1・662r尤 0.14o粘度校正([[、0.14r1〔门w=0.36x—edexRe0.55xPr13xo(y] o-魏丿0.14=036x眾x32061J0-55x心=897.9W/(m2-«C)(2)管程对流体传热系数九a=0.023—R0.8Po.4i deri管程流通截面积兀 兀S=d2N/N=—X0.022x24/2=0.00377i40p4管程流体流速u二WZ1= °・4°44 =1.08m/siS 995.7x0.00377iR=d件匕=0.02J08x995.7=26843.6e卩 0.0008012i普兰特准数:c卩iA】74XO'00080】2=5.420.6171i=°.023X器X26843.60-8X心=4872.2W他K(3)传热系数KK=-

d0+Radii1dbdo+k，-d kdi0.0251+-

ao1+0.000172x0025+0.0025x0.025+0.000172+—L_4872.2x0.020 0.020 45x0.0225 897.9=601.74)传热面积SQS二KAtm337.6x103601.7x52.91二10.60m该换热器的实际传热面积SpS-N丄d(l-0.1)=3.14x0.025x(9-0.1)x(24-6)二12.57m2p po该换热器的面积裕度为H=匸x100%=心7一心60=18.6%S 10.60该传热面积的裕度合适，该换热器能够完成生产任务。(5)换热器管程和壳程压力降管程流压力降sAP=(AP+AP)FNNi 1 2tspN=1，N=2，F=1.4sptL46U)6Q-.W00010.010.0090.008LL1AP八L£U2,iid2‘I'过渡区^层流i厂irrr^i I十DiL46U)6Q-.W00010.010.0090.008LL1AP八L£U2,iid2‘I'过渡区^层流i厂irrr^i I十Di目糙管=10.00005O.Of)()20.0001^0.00446I072一(K0020.001Z0.0008一0,0006「00004J0,000010.000005由Re=26843.6，传热管相对粗糙度0.2/20=0.01,查莫狄图得九=0.04W/tf・°C,流速u=1.08m/sp=995.7kg/m3,所iii以APi=°・°4x9 995.7x1.082x0.022二10452.5(Pa)AP2丸竽二3x995.7严°82二1742.1(Pa)ZAP=(10452.5+1742.1)X1.4X2=34144.9Pa〈105Pai管程流动阻力在允许范围之内。壳程压力降ZAP=(AP'+AP')FN012tsN=1,f=1.15stFt为液态污垢修正系数流速流经管束的阻力AP'=Ffn(N+1)o10cB2F=0.5fo=5.0X匸=5526843.6皿=0.489n=7，N=59u=qv—u=qv—h(D一nd)co6400/(3600x1040)148.3x10-3x^325x10-3-6x25x10-3)=0.066m/s*=0.5x0.489x66(59