1、食品工程原理列管式換熱器課程設(shè)計實(shí)例 - 副本 課 程 設(shè) 計 題 目 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 年處理 ？萬噸牛奶換熱器設(shè)計 環(huán)境與資源學(xué)院 食品科學(xué)與工程 2021食品？班 常海軍 周文斌 2021 年 12 月 31 日 重慶工商大學(xué)課程設(shè)計成績評定表 學(xué)院： 環(huán)資學(xué)院 班級： 2021食品？班 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師評定成績： 指導(dǎo)教師簽名： 2021年 12月 31日 目 錄 工程原理課程設(shè)計任務(wù)書 . 錯誤！未定義書簽。 (一) 概述及設(shè)計方案簡介 . 4 1 概述 . 5 2 設(shè)計方案簡介 . 9 二工藝及設(shè)備設(shè)計計算 . 9 1 確定物性數(shù)據(jù) . 9 2

2、 計算總傳熱系數(shù) . 10 3 傳熱面積的計算 . 11 4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 . 11 5 換熱器核算 . 13 三輔助設(shè)備的計算及選型 . 15 四設(shè)計結(jié)果匯總表 . 16 (五設(shè)計評述 . 16 (六參考資料 . 17 (七主要符號說明 . 17 八致謝 . 17 課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級：2021級食品科學(xué)與工程？班 指導(dǎo)教師： 常海軍 周文斌 工作單位： 重慶工商大學(xué) 題 目: 年處理 ？ 萬噸牛奶的換熱器設(shè)計 技術(shù)參數(shù)和設(shè)計要求： 1牛奶： 入口溫度 ， 出口溫度 2加熱介質(zhì)：表壓為 大氣壓的水蒸汽 3允許壓降：不大于 4牛奶定性溫度下的物性數(shù)據(jù) ?c?1030kg/m3

3、?c?1.5?10?3Pa?s 5每年按300天計算，每天24小時連續(xù)運(yùn)行。 要求完成的主要任務(wù): 包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求 1、設(shè)計計算 1 計算總傳熱系數(shù) 2 計算傳熱面積 2、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計 1管徑尺寸和管內(nèi)流速確實(shí)定 2傳熱面積、管程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)確實(shí)定 3接管尺寸確實(shí)定 3、換熱器工藝條件圖A1圖紙1張 時間安排：2021年12月1日2021年12月31日 指導(dǎo)教師簽名： 常海軍 周文斌 2021年 12月 31日 教研室主任簽名： 朱建飛 2021年 12月 31日 (一) 概述及設(shè)計方案簡介 1 概述 1.1 換熱器 在不同溫度的流體間傳遞

4、熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。 在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體那么溫度較低，吸收熱量。在工程實(shí)踐中有時也會存在兩種以上流體參加換熱的換熱器，但它的根本原理與上述情形并無本質(zhì)上的差異。 在食品、化工、石油、動力、制冷等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，它不僅可以單獨(dú)作為加熱器、冷卻器等使用，而且是一些化工單元操作的重要附屬設(shè)備，因此在化工生產(chǎn)中占有重要地位。 隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。在換熱器設(shè)計中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)

5、尺寸。 1.2 換熱器的選擇 換熱器的種類很多，根據(jù)其熱量傳遞的方法的不同，可以分為3種形式：堅壁式、直接接觸式和蓄熱式。 列管式換熱器的應(yīng)用已有很悠久的歷史，現(xiàn)在，它被當(dāng)作一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用，尤其在石油、化工、能源設(shè)備等部門所使用的換熱設(shè)備中，列管式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。雖然列管式換熱器在傳熱效率、緊湊性和金屬耗量等方面不及某些新型換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)簡單、鞏固耐用、適應(yīng)性強(qiáng)、制造材料廣泛等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而在換熱設(shè)備中仍處于主導(dǎo)地位。 同時板式換熱器也已成為高效、緊湊的換熱設(shè)備，大量應(yīng)用于工業(yè)中。 列管換熱器主要特點(diǎn)： (1) 耐腐蝕性：聚丙烯具有優(yōu)良的耐化學(xué)品性

6、，對于無機(jī)化合物，不管酸，堿、鹽溶液，除強(qiáng)氧化性物料外，幾乎直到100都對其無破壞作用，對幾乎所有溶劑在室溫下均不溶解，一般烷、徑、醇、酚、醛、酮類等介質(zhì)上均可使用。 (2) 耐溫性：聚丙烯塑料熔點(diǎn)為164-174，一般使用溫度可達(dá)110-125。 (3) 無毒性：不結(jié)垢，不污染介質(zhì)，也可用于食品工業(yè)。 (4) 重量輕：對設(shè)備安裝維修極為方便。 列管式換熱器主要分為以下四種：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、填料函式換熱器 。固定管板式換熱器 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩端和殼體連為一體，管子那么固定于管板上，它的結(jié)構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比擬緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)的殼側(cè)清洗困難，所以

7、殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時，會使管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏。 適用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。 固定管板式換熱器 1封頭；2法蘭；3排氣口；4殼體；5換熱管；6波 ；8防沖板；9殼程接管； 形膨脹節(jié)；7折流板或支持板 10管板；11管程接管；12隔板；13封頭；14管箱； 15排液口；16定距管；17拉桿；18支座；19墊片； 20、21螺栓、螺母 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端那么可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)換熱管與殼體間有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時，互不約束

8、，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可以從殼體內(nèi)抽搐，便與管內(nèi)管間的清洗。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間假設(shè)密封不嚴(yán)，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。 適用于管壁間溫差較大或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場合。 浮頭式換熱器 1防沖板；2折流板；3浮頭管板；4鉤圈；5支耳 1.2.3 U型管換熱器 U型管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U型環(huán)熱管由溫差時，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U型管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，只有一塊管板，密封面少，運(yùn)行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。 缺點(diǎn)：管內(nèi)清洗困難；由于管子需要一定的

9、彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束內(nèi)程管間距大，殼程易短路；內(nèi)程管子損壞不能更換，因而報廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。 U形管式換熱器 1中間擋板；2U形換熱管；3排氣口；4防沖板；5分程隔板.填料函式換熱器 填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。其特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接，另一 端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。 填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式 的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。 缺點(diǎn)：填料函乃嚴(yán)不高，殼程介質(zhì)可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和

10、貴 重的介質(zhì)不適用。 填料函式換熱器 1縱向隔板；2浮動管板；3活套法蘭；4局部剪切環(huán)；5填料壓蓋；6填 料；7填料函 1.3 流動空間的選擇 在管殼式換熱器的計算中，首先需決定何種流體走管程，何種流體走殼程，這需遵循 一些一般原那么： 應(yīng)盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。 在運(yùn)行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置， 應(yīng)盡量減少其冷量損失。 管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運(yùn)行的可靠性。 所以在具體設(shè)計時應(yīng)綜合考慮，決定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。 1.4 流速確實(shí)定 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 1.5.1 碳

11、鋼 價格低，強(qiáng)度較高，對堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比擬穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕 性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號和 20號碳鋼。 1.5.2 不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧 氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。 1.6 管程結(jié)構(gòu) 介質(zhì)流經(jīng)傳熱管內(nèi)的通道局部稱為管程。換熱管布置和排列問距 常用換熱管規(guī)格有19×2 mm、25×2 mm、25×2.5 mm。 標(biāo)準(zhǔn)管子的長度常用的有1500mm，2000mm，3000mm，6000mm等。中選用其他尺寸的

12、管長時，應(yīng)根據(jù)管長的規(guī)格，合理裁用，防止材料的浪費(fèi)。 換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，如下列圖所示。 (a) 正方形直列 b正方形錯列 (c) 三角形直列 d三角形錯列 e同心圓排列 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式那么以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 1.6.2 管板 管板的作用是將受熱管束連接

13、在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。 管板與管子的連接可脹接或焊接。 1.7 殼程結(jié)構(gòu) 介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道局部稱為殼程。 殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場合不同，殼程內(nèi)對各種元件的設(shè)置形式亦不同，以此來滿足設(shè)計的要求。各元件在殼程的設(shè)置，按其不同的作用可分為兩類：一類是為了殼側(cè)介質(zhì)對傳熱管最有效的流動，來提高換熱設(shè)備的傳熱效果而設(shè)置的各種擋板，如折流板、縱向擋板。旁路擋板等；另一類是為了管束的安裝及保護(hù)列管而設(shè)置的支承板、管束的導(dǎo)軌以及緩沖板等。 1.7.1 殼體 殼體是一個圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程

14、流體進(jìn)人和排出之用。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mrn的可用鋼板卷焊而成。殼體材料根據(jù)工作溫度選擇，有防腐要求時，大多考慮使用復(fù)合金屬板。 介質(zhì)在殼程的流動方式有多種型式，單殼程型式應(yīng)用最為普遍。如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，那么可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。用兩個換熱器串聯(lián)也可得到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯流等型式。 殼體內(nèi)徑D取決于傳熱管數(shù)N、排列方式和管心距t。計算式如下： 單管程 D?t(nc?1)?(23)d0 式中 t管心距，mm； d0換熱管外徑，mm； nc橫過管束中心線的管數(shù)，該值與管子排列方式有關(guān)。 正三角形排列： 正方形排列： 多管程

15、式中 N排列管子數(shù)目； 管板利用率。 正角形排列：2管程 >4管程 正方形排列：2管程 >4管程 殼體內(nèi)徑D的計算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 1.7.2 折流板 在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過管束，增加流體速度，以增強(qiáng)傳熱；同時起支撐管束、防止管束振動和管子彎曲的作用。 折流板的型式有圓缺型、環(huán)盤型和孔流型等。 圓缺形折流板又稱弓形折流板，是常用的折流板，有水平圓缺和垂直圓缺兩種。切缺率(切掉圓弧的高度與殼內(nèi)徑之比)通常為2050。垂直圓缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有懸浮固體粒子流體用的水平熱交換器等。垂直圓缺時，不凝氣不能在折流板頂部積存

16、，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部積存。弓形折流板有單弓形和雙弓形，雙弓形折流板多用于大直徑的換熱器中。 折流板的間隔，在允許的壓力損失范圍內(nèi)希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值為殼內(nèi)徑的1/5或者不小于50 mm，最大值決定于支持管所必要的最大間隔。 1.7.3 殼程接管 殼程流體進(jìn)出口的設(shè)計直接影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。當(dāng)加熱蒸汽或高速流體流入殼程時，對換熱管會造成很大的沖刷，所以常將殼程接管在入口處加以擴(kuò)大，即將接管做成喇叭形，以起緩沖的作用；或者在換熱器進(jìn)口處設(shè)置擋板。 2 設(shè)計方案簡介選擇換熱器的類型 因?yàn)槲覀円訜岬牟牧鲜枪黧w壓力不大，管程與殼層溫度差較大，并

17、考慮易清洗性，所以初步確定選用固定管板式換熱器。 2.2 流體流動空間及流速確實(shí)定 因?yàn)楸敬嗡幚淼墓c冷卻水的進(jìn)出口溫差都大于50°C，所以需要焊接膨脹節(jié)。 由于果汁較水有腐蝕性，而管子及管箱用耐腐蝕材料造價低,故應(yīng)使果汁走管程，冷卻水走殼程。 考慮到要進(jìn)行加熱的是果汁，所以選用不銹鋼材質(zhì)的管。 綜上所述，選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，選用的不銹鋼管，管內(nèi)流速取 二工藝及設(shè)備設(shè)計計算 1 確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值 16?6?11 殼程水的定性溫度為： T?2 管程果汁的定性溫度為： t =80?20=50 2 根據(jù)定性溫度，查得： 果汁在50下的有關(guān)物

18、性數(shù)據(jù)如下： 密度 ?i= 1050 kg/m3 定壓比熱容 cp,i=3.98 kJ/(kg·K) 導(dǎo)熱系數(shù) ?i=0.61W/(m·K) 黏度·s 冷卻水在11下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 ?o=999.7 kg/m3 定壓比熱容 cp,o=4.191 kJ/(kg·) 導(dǎo)熱系數(shù) ?o= 0.5741 W/(m·) 黏度·s 2 計算總傳熱系數(shù) 2.1 熱流量 Qi?micp,iti=2000×3.98×(80-20)=477600 kJ/h=132.7(kW) 2.2 平均傳熱溫差 ?t180-16lnln2

19、0-6?t2 2.3 冷卻水用量 Wo?Qi477600?11396 kg/h Cp,o?to4.191?(16?6) 2.4 總傳熱系數(shù)K 管程傳熱系數(shù) ?Re?diui?i ?i pii?0.02?0.5?1050?5128 2300<Re<10000?過渡流 流體被冷卻 ?i?0.023?i =2415W/(m2·) ?i?1371?0.874?1198W/(m2? 殼程傳熱系數(shù) 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù) ?0?1600 W/(m2·) 污垢熱阻 Rsi?0.0005(m2·) / W (m2· 管壁的導(dǎo)熱系數(shù) ?17.4 W

20、/(m·)， 故 K?1 d0d0bd01?Rsi?Rs0?ididi?dm?0 1 0.0250.0250.002?0.0251?0.0005?0.000172?1198?0.0210.02117.4?0.0231600= = 398 W/(m2·) 3 傳熱面積的計算 Qi132.7?103 Sm2 考慮15%的面積裕度，×S×m2 4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 4.1 管徑和管內(nèi)流速 選用25mm×的不銹鋼管，管內(nèi)流速取。 4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)根4根 按單管程計算，所需的傳熱管長度為： L=11.65S=49

21、.4m ?0.025?3?d0ns 按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長l=6m，那么該換熱器的管程數(shù)為:9(管程) Np=?l6 傳熱管總根數(shù)為：N=3?9?27(根) 4.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù) R =熱流體的溫降80?20?=6 冷流體的溫升16?6 冷流體的溫升16?6?=0.135 兩流體的最初溫升80-6 P = 按單殼程，三管程結(jié)構(gòu)，溫度校正系數(shù)查表得： ?0.93?32.9?30.6 平均傳熱溫差 ?tm=?t?tm 4.4 傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距焊接法，那

22、么t=1.25?25=31.25 mm 32 mm 橫過管束中心線的管數(shù) nc?1.N?1.27?6.18?6(根)殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，那么殼體內(nèi)徑為：mm 圓整可取D=273mm。 4.6 折流板數(shù) 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25，那么切去的圓缺高度為：mm， 故可取h=65mm 。 取折流板間距B=0.3D,那么mm，可取B為150mm 。 6000傳熱管長折流板數(shù) NB=-1=-1=39塊 150折流板間距 折流板圓缺面水平裝配。 4.7 接管 殼程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)流速為u=1.0 m/s,那么接管內(nèi)徑為：m 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 60 mm 。

23、 管程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)流速為u=1.5 m/s,那么接管內(nèi)徑為： d?4?2000/(3600?10m 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 20 mm 5 換熱器核算 5.1 熱量核算 1殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板,可采用克恩公式： ?0=0.36?0 deRe00.55Pr(13?00.14) ?w 當(dāng)量直徑，由正三角形排列得 4(m 3.14?0.025?do 殼程流通截面積： S0=BD(m2 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為m/s Reo?diuo? Pr=Pr?Cp,o?o 黏度校正?0.14=0.95 ?w 0.5741?583070.55?9.281/3?0.95?8623W/(m2

24、3; 2管程對流傳熱系數(shù) ?0 =0.36? m2m/s 3.98?103?0.00215Pr?14 ?0.61CP? di ?i?i? ?1222 W/(m2 ·) 3傳熱系數(shù)K K? 1 d0d0bd01?Rsi?Rs0?ididi?dm?0 =504.5 W/(m2·) 4傳熱面積S Q132.7?103m2 該換熱器的實(shí)際傳熱面積Spm2 該換熱器的面積裕度為 H=Sp?S 該換熱器的面積裕度適宜，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。 5.2 換熱器內(nèi)流體的流動阻力 1管程流動阻力 ?P?(?P?P)FNNi12tsp Ns?1 Np?9 由Re=5230，傳熱管相對粗糙度

25、流速m/s，查摩擦因數(shù)圖得?i?0.042Wm?C，21 kg/m3，所以 ?409.7 Pa =3?P2?222?ui2 故 ?Pi?(1638.63?409.7)?1.4?1?9?25808Pa 100 KPa 管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。 2殼程阻力 ?P0?(?P1?P2)FtNs流體流經(jīng)管束的阻力 ?P1?Ff0nc(NB?1)2正方形錯列 nc?6(正方形排列) NB?39 u0?0.353(m/s) ?P1?0.4?0.4096?6?(39?1)?2449 Pa 2 22B?0u0)流體流過折流板缺口的阻力 ?P2?NB(3.5? D2 B=0.15m ，D=0.273 m 總阻力 ?.6)?1.15?1?9524Pa < 10 KPa 殼程流動阻 ?P0?(?P1?P2)FtNs?(2449?5832 力也比擬適宜。 三輔助設(shè)備的計算及選型 1 封頭 殼體內(nèi)徑較小，故采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 2 分程隔板 分程隔板可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。同時應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。 (五設(shè)計評述 該換熱器是專為冷卻果汁設(shè)計的，嚴(yán)格按照國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。 這是我第一次做該類設(shè)計，雖然努力依照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計但