化工原理課程設(shè)計(jì)--換熱器的設(shè)計(jì)—水冷卻純牛奶

1、<p><b>　　設(shè)計(jì)題目：</b></p><p>　　換熱器的設(shè)計(jì)—水冷卻純牛奶</p><p>　　設(shè) 計(jì) 者：班級(jí) </p><p>　　姓名 </p><p>　　學(xué)號(hào)

2、 </p><p><b>　　生命科學(xué)與工程學(xué)院</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　引言.........................................................3</p><p>　　1、設(shè)計(jì)題目的目的和意義......

3、...................................3</p><p>　　2、設(shè)計(jì)總體要求.................................................3</p><p>　　二、設(shè)計(jì)方案的確定...............................................3</p><p>　　

4、1、換熱器類型的選擇.............................................4</p><p>　　2、流程的選擇...................................................4</p><p>　　3、流體進(jìn)出口溫度的選擇.........................................4</

5、p><p>　　4、流體流速的選擇...............................................4</p><p>　　5、流體流向的確定...............................................5</p><p>　　三、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件...............................

6、............5</p><p>　　1、設(shè)計(jì)題目.....................................................5 </p><p>　　2、原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)條件...........................................5</p><p>　　3、設(shè)計(jì)任務(wù)..............

7、.......................................6</p><p>　　四、確定物性數(shù)據(jù).................................................6</p><p>　　五、試算和初選換熱器的規(guī)格.......................................6</p><p>　　

8、1、計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量.......................................7</p><p>　　2、計(jì)算兩流體的平均溫度差.......................................7</p><p>　　3、初選換熱器規(guī)格...............................................8</p>

9、<p>　　六、核算總傳熱系數(shù)...............................................9</p><p>　　1、管程的給熱系數(shù)...............................................9</p><p>　　2、殼程的給熱系數(shù).......................................

10、.......10</p><p>　　3、污垢熱阻....................................................11</p><p>　　4、計(jì)算總傳熱系數(shù) K ...........................................12</p><p>　　5、傳熱面積裕度.................

11、...............................12</p><p>　　6、壁溫核算....................................................12</p><p>　　七、核算壓強(qiáng)降..................................................14</p><p>　

12、　1、管程壓強(qiáng)降..................................................13</p><p>　　2、殼程壓強(qiáng)降..................................................14</p><p>　　八、輔助設(shè)備的計(jì)算及選型........................................15&

13、lt;/p><p>　　1、管箱與封頭..................................................15 </p><p>　　2、折流板......................................................16</p><p>　　3、接管.........................

14、...............................16</p><p>　　4、導(dǎo)流筒......................................................17</p><p>　　5、放氣孔、排氣孔..............................................17</p><p>　　

15、6、管板........................................................17</p><p>　　九、設(shè)計(jì)評(píng)述....................................................18</p><p>　　十、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表...........................................

16、...19</p><p>　　十一、本設(shè)計(jì)中符號(hào)說(shuō)明表........................................20</p><p>　　參考文獻(xiàn)........................................................21</p><p>　　附錄：參考圖紙.......................

17、...........................22</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　1、設(shè)計(jì)題目的目的和意義</p><p>　　通過(guò)化工原理的課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步鞏固了食品工程原理理論教學(xué)中所學(xué)到的知識(shí)，學(xué)習(xí)運(yùn)用書本知識(shí)，學(xué)會(huì)工程器件的設(shè)計(jì)的基本方法和基本技能，學(xué)習(xí)各種食品工程圖表的使用方法，從而提高分析問(wèn)題

18、和解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的基本能力；通過(guò)對(duì)文件、數(shù)據(jù)的整理提高了文檔的綜合處理能力。為畢業(yè)設(shè)計(jì)和以后的工作奠定了一定的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)總體要求</b></p><p>　?。?）、學(xué)習(xí)工程常用工具書的使用方法，正確使用工程數(shù)據(jù)和圖 表；</p><p>　　（2）、掌握工程設(shè)計(jì)基本知識(shí)、基本方法；</p&

19、gt;<p>　?。?）、熟練掌握物料衡算、熱量衡算的方法，提高工藝計(jì)算實(shí)際 工作能力；</p><p>　　（4）、加強(qiáng)圖紙表達(dá)能力、文檔能力；</p><p>　　（5）、提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案的確定</b></p><p>　　確定設(shè)計(jì)方案的原

20、則是要保證達(dá)到工藝的傳熱指標(biāo)，操作上要安全可靠，結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)單，便于維修，盡可能節(jié)省操作費(fèi)用和設(shè)備投資。確定設(shè)計(jì)方案主要考慮如下幾個(gè)問(wèn)題。</p><p>　　1、換熱器類型的選擇</p><p>　　換熱器的種類繁多，選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)操作溫度、操作壓力、換熱器的熱負(fù)荷、管程與殼程的溫度差、換熱器的腐蝕性及其他特性、檢修與清洗的要求等因素進(jìn)行綜合考慮。</p><p>　

21、　綜上由于殼體和管束間溫差較大，其溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)50℃，且物料較易形成沉積物，所以選擇浮頭式換熱器。</p><p><b>　　2、流程的選擇</b></p><p>　　在列管式換熱器設(shè)計(jì)中，哪種流體走管程，哪種流體走殼程，需要進(jìn)行合理安排。</p><p>　　選擇原則：傳熱效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢修與清洗方便。</p><

22、p>　　根據(jù)選擇原則，在用水冷卻純牛奶的換熱器中采用： </p><p>　　純牛奶通過(guò)管程、水通過(guò)殼程。</p><p>　　3、流體進(jìn)出口溫度的選擇</p><p>　　在換熱器的設(shè)計(jì)中，被處理物料的進(jìn)出口溫度為工藝要求所規(guī)定；冷卻劑的進(jìn)口溫度一般由氣候條件決定，出口溫度與被冷卻物料應(yīng)該有5~35℃的溫度差，同時(shí)水作為冷卻劑一般出口溫度不超過(guò)40~50

23、℃、進(jìn)出口溫度差不應(yīng)低于5℃。當(dāng)兩流體溫差超過(guò)50℃時(shí)，溫度應(yīng)力會(huì)造成管子變形或使焊縫破裂。</p><p>　　根據(jù)以上原則，冷卻劑水的進(jìn)口溫度為20℃、出口溫度為35℃。</p><p><b>　　4、流體流速的選擇</b></p><p>　　提高流體在換熱器中的流速，將增大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上的沉積的可能性，即降低了污垢

24、熱阻，使總傳熱系數(shù)增加，所需傳熱面積減小，設(shè)備費(fèi)用降低。但是流速增加，流體阻力將相應(yīng)加大，操作費(fèi)用增加。因此，選擇適宜的流速是十分重要的，適宜的流速應(yīng)通過(guò)經(jīng)濟(jì)核算來(lái)確定。</p><p><b>　　5、流體流向的確定</b></p><p>　　當(dāng)冷、熱流體的進(jìn)出口溫度相同時(shí)，逆流操作的平均推動(dòng)力大于并流，因而傳遞同樣的熱流體，所需的傳熱面積較小。逆流操作時(shí)，冷卻介

25、質(zhì)溫升可選擇得較大因而冷卻介質(zhì)用量可以較小。顯然在一般情況下，逆流操作總是優(yōu)于并流。</p><p>　　綜上可確定冷卻劑水應(yīng)該用逆流較好。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　換熱器的設(shè)計(jì)—水冷卻純牛奶</

26、p><p>　　2、原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)條件</p><p><b>　　純牛奶</b></p><p>　　表1，對(duì)純牛奶的要求參數(shù)</p><p><b>　?。?）冷卻水</b></p><p>　　表2，對(duì)冷卻水的要求參數(shù)</p><p>　　3、設(shè)計(jì)任

27、務(wù) （1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的換熱器型號(hào)，并核算換熱面積、壓力降是否滿足要求，并設(shè)計(jì)管道與殼體的連接，管板與殼體的連接、折流板等。 （2）繪制列管式換熱器的裝配圖。 （3）編寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書

28、。</p><p><b>　　確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　定性溫度：對(duì)于一般流體（如純牛奶）、水等低黏度流體，其 定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。</p><p>　　管程： 純牛奶 100℃——→30℃</p><p>　　殼程： 水 35℃←

29、———20℃</p><p><b>　　T ==65℃</b></p><p>　　t = =27.5℃</p><p>　　定性溫度下流體的物性，見(jiàn)表4：</p><p>　　表4，定性溫度下流體的物性</p><p>　　試算和初選換熱器的規(guī)格</p><p>　　1

30、、計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量</p><p><b>　　熱負(fù)荷量：</b></p><p>　　Q=WcCp(T1-T2)=60000×3.970×（100－30）</p><p>　　=16674000﹙KJ／h﹚</p><p>　　=4631666.67(W)</p><p&g

31、t;<b>　　冷卻水的量：</b></p><p><b>　　W2==</b></p><p>　　=265997﹙Kg／h﹚</p><p>　　計(jì)算兩流體的平均溫度差(暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算)</p><p><b>　　△tm1= =</b></p>

32、<p><b>　　=29.38﹙℃﹚</b></p><p>　　EA===0.1875</p><p>　　RA== =4.33</p><p>　　查表溫差校正系數(shù)表5可得：ψ=0.85</p><p>　　表5，對(duì)數(shù)平均溫差校正系數(shù)</p><p>　　所以： △tm=△t

33、m1·ψ=29.30×0.85=24.97℃</p><p><b>　　3、初選換熱器規(guī)格</b></p><p>　　為求得傳熱面積A，需先求出總傳熱系數(shù)K,而K值又和對(duì)流傳熱系數(shù)、污垢熱阻等因素有關(guān)。在換熱器的直徑、流速等參數(shù)未確定時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)也無(wú)法計(jì)算，所以只能進(jìn)行試算。</p><p>　　結(jié)合表6可設(shè)k1=4

34、60W／㎡·℃</p><p>　　表6，列管式換熱器中的總傳熱系數(shù)K</p><p>　　總傳熱系數(shù)K的單位：[W﹙㎡·℃﹚]</p><p>　　A4==4631666.67÷﹙460×24.97﹚</p><p>　　=403.24(㎡)</p><p>　　根據(jù)換熱器的換

35、熱面積選定換熱器，有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表7</p><p>　　表7，換熱器的相關(guān)參數(shù)</p><p>　　根據(jù)表5-3中換熱器的相關(guān)參數(shù)可得實(shí)際傳熱面積：</p><p>　　A1=nπdL=1120×3.14×0.019×6</p><p>　　=400.92(㎡)</p><p><b&

36、gt;　　核算總傳熱系數(shù)</b></p><p>　　已選定的換熱器型號(hào)是否適用，還要核算K值和傳熱面積A才能夠確定</p><p><b>　　管程的給熱系數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)所選換熱器可知管程流通面積： A1=0.0329(㎡) </p><p>　　管內(nèi)純牛奶的流速

37、：u1==</p><p>　　=0.4918﹙m／s﹚</p><p>　　因?yàn)椋?.4m／s＜0.4918m／s＜3m／s，所以管程中純牛奶的流速符合要求</p><p>　　雷諾數(shù)： Re1==</p><p><b>　　=5066.57</b></p><p><b

38、>　　Pr==</b></p><p><b>　　=10.27</b></p><p>　　因?yàn)?300＜5066.57＜10000</p><p>　　且純牛奶是被冷卻，所以n=0.3</p><p>　　則：α1=0.023(1-)</p><p><b>　　=

39、0.023×</b></p><p>　　=1433.71（W／(㎡·℃)）</p><p><b>　　殼程的給熱系數(shù)</b></p><p>　　折流擋板間距：h=200mm</p><p>　　殼程流通面積：A2=﹙Dn-ncd0﹚h</p><p>　　=﹙

40、1.1-24×0.019﹚×0.2</p><p><b>　　=0.1288 </b></p><p>　　殼程內(nèi)水流速：u2==</p><p>　　=0.5754﹙m／s﹚</p><p>　　因?yàn)椋?.4m／s＜0.5754m／s＜1.5m／s，所以殼程中冷卻水的流速符合要求</p&g

41、t;<p>　　管心距：t===44﹙mm﹚</p><p>　　管子成正方形形排列：</p><p><b>　　de==</b></p><p>　　=0.1108(mm)</p><p>　　雷諾數(shù)： Re2==</p><p><b>　　=71020.9

42、9</b></p><p><b>　　Pr2==</b></p><p><b>　　=6.15</b></p><p><b>　　ψu(yù) ==1.05</b></p><p>　　α2 =0.36 </p><p><b&

43、gt;　　=</b></p><p>　　=1722.14（W／(㎡·℃)）</p><p><b>　　污垢熱阻</b></p><p>　　查污垢熱阻表8可得：</p><p>　　表8，流體的污垢熱阻</p><p>　　R1=0.000172W／(㎡·℃)

44、</p><p>　　R2=0.000172W／(㎡·℃)</p><p>　　4、計(jì)算總傳熱系數(shù) K</p><p>　　總熱阻(以外表面為基準(zhǔn))：</p><p><b>　　=</b></p><p>　　所以，K=532.46(W／㎡·℃)</p><

45、;p><b>　　5、傳熱面積裕度</b></p><p>　　所需傳熱面積：A==</p><p>　　=348.36﹙㎡﹚</p><p>　　裕度:×100％=×100％=15.09％</p><p>　　核算結(jié)果表明，換熱器的傳熱面積有15.09％的裕度，故可用</p>&

46、lt;p><b>　　壁溫核算</b></p><p><b>　　、管程的壁溫核算</b></p><p>　　Q=α1A1(T0-Tw)</p><p>　　α1=1433.71 A1= 3.14×0.015×1120×6=316.51﹙㎡﹚</p><p&

47、gt;<b>　　T0= ==65℃</b></p><p>　　TW=T0-=65-=54.79℃</p><p><b>　　通過(guò)查表可得：</b></p><p>　　牛奶在65℃下的黏度μ0=0.001500</p><p>　　牛奶在54.79℃下的黏度μw=0.002064</p&

48、gt;<p>　　所以，==0.9563</p><p><b>　　、殼程的壁溫核算</b></p><p>　　Q=α2A2(tw-t0)</p><p>　　α2=1722.14 A2= 3.14×0.019×1120×6=400.92﹙㎡﹚</p><p>　　T0

49、= ==27.5℃</p><p>　　tW=t0-=65-=35.56℃</p><p><b>　　通過(guò)查表可得：</b></p><p>　　水在27.5℃下的黏度μ0=0.0008949</p><p>　　水在35.56℃下的黏度μw=0.0006815</p><p>　　所以，==1

50、.0389</p><p>　　綜上可知：在計(jì)算管程、殼程中所假設(shè)的的值是正確</p><p><b>　　核算阻力損失</b></p><p><b>　　1、管程阻力損失</b></p><p>　　∑△P1=(△P3＋△P4)FtNsN</p><p>　　當(dāng)Re1=5

51、066.57時(shí)，查表9可得摩擦系數(shù)λ1=0.043</p><p>　　表9，摩擦系數(shù)λ與雷諾</p><p>　　數(shù)e R 及相對(duì)粗糙度ε/d 的關(guān)系</p><p>　　△P3= △P4=</p><p>　　△P3＋△P4=﹙0.043×＋3﹚×</p><p>　　=

52、2516.14 Pa </p><p>　　對(duì)于 ¢19×2 mm 的管子 Ft=1.5 </p><p>　　∑△P1=2516.14×1.5×6×1=22645.30 Pa＜80 kPa </p><p><b>　　2、殼程阻力損失 </b

53、></p><p>　　∑△P2=(△P5＋△P6)FsNs</p><p>　　△P5=Ff2ncρ﹙NB＋1﹚</p><p>　　因?yàn)椋?Re2=71020.99＞500，故</p><p>　　f2=5.0=5.0× =0.3916</p><p>　　管子排列為正方形45º錯(cuò)列，故取

54、F=0.4</p><p>　　則擋板數(shù)為：NB=－1=－1=29</p><p>　　則△P5=0.4×0.3916×24×996.9×﹙29＋1﹚× </p><p>　　=18612.15 Pa</p><p>　　△P6=NBρ﹙3.5－﹚</p><p>

55、　　=29×996.9×﹙3.5－﹚×</p><p>　　=15010.17 Pa 取污垢校正系數(shù)Fs=1.15 （液體） </p><p>　　∑△P2=﹙15010.17＋18612.15﹚×1.15

56、5;1</p><p>　　=38665.668 Pa＜50 kPa </p><p>　　流經(jīng)管程和殼程流體的壓力降均未超出設(shè)計(jì)所要求的壓強(qiáng)，故以上核算結(jié)果表明，前面所選用的換熱器能夠符合工藝要求。</p><p>　　輔助設(shè)備的計(jì)算及選型</p><p><b>　　1、管箱

57、與封頭</b></p><p>　　選用側(cè)向有接管的管箱，在清洗、檢修時(shí)可不必拆下外部管道就可將管卸下。對(duì)于封頭，有方形和圓形兩種，方形用于直徑?。ㄒ话阈∮?00mm）的殼體；圓形用于較大直徑的殼體。因?yàn)镈N=1100mm＞400mm，所以其封頭采用圓形封頭。</p><p><b>　　2、折流板</b></p><p>　　折流

58、板具有提高殼程內(nèi)流體的流速，加強(qiáng)湍流程度，提高傳熱效率和支承換熱管的作用。</p><p>　　折流板采用缺25%的圓缺型折流板：</p><p>　　取折流擋板間距h=0.2 m</p><p>　　折流板數(shù)目NB=－1＝－1＝29</p><p>　　綜上所述，折流板需要29塊</p><p><b>　

59、　3、接管</b></p><p>　　（1）、管程流體進(jìn)出管口的接管：</p><p>　　取接管內(nèi)純牛奶的流速：u3=1﹙m／s﹚</p><p><b>　　內(nèi)徑：d3＝＝</b></p><p>　　=0.1436(m)</p><p>　　結(jié)合無(wú)縫鋼管常用規(guī)格，圓整后接管可選

60、取外直徑為159mm、管壁厚3.5mm的無(wú)縫鋼管</p><p>　　、殼程流體進(jìn)出管口的接管：</p><p>　　取接程內(nèi)冷卻水的流速：u2=2﹙m／s﹚</p><p><b>　　內(nèi)徑：d4==</b></p><p>　　=0.2172(m)</p><p>　　結(jié)合無(wú)縫鋼管常用規(guī)格，圓

61、整后接管可選取外直徑為245mm、管壁厚8mm的無(wú)縫鋼管</p><p><b>　　導(dǎo)流筒</b></p><p>　　殼程流體的進(jìn)出口和管板間必須存在有一段流體不能流動(dòng)的空間（死角），為了提高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒，使流體進(jìn)出殼程時(shí)必然經(jīng)過(guò)這個(gè)空間。</p><p><b>　　放氣孔、排氣孔</b></

62、p><p>　　換熱器的殼體上常設(shè)有放氣孔、排氣孔，以排除不凝氣體和冷凝液等。</p><p><b>　　6、管板</b></p><p>　　管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來(lái)。對(duì)于浮頭式換熱器，由于管束要從殼體中抽出，故采用可拆連接方式，即把管板夾于殼體法蘭與頂蓋法蘭之間，用螺栓緊固，必要時(shí)卸下頂蓋就可把管板連同管

63、束從殼體中抽出。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)評(píng)述</b></p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，我們通過(guò)合作參考了大量的數(shù)據(jù)資料，查詢了定性溫度下的純牛奶和水的物性參數(shù)以及相關(guān)的數(shù)據(jù)。我們一起討論、解決計(jì)算和核算的中遇到的問(wèn)題。當(dāng)我們確定要選擇哪一類型的換熱器時(shí)，不僅僅要考慮到計(jì)算中的符合情況，還要考慮在生產(chǎn)應(yīng)用中的實(shí)際情況，所以在選擇時(shí)綜合考慮各個(gè)因素。其實(shí)，在給

64、定處理物料對(duì)換熱器的選擇就是一個(gè)反復(fù)試算的過(guò)程，需要核算傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降等相關(guān)是否符合設(shè)計(jì)要求，只要不符合條件，都要重新進(jìn)行換熱器規(guī)格的計(jì)算，再核算，直至符合規(guī)定的條件。這樣，所選的換熱器才能更好地投入實(shí)際的生產(chǎn)中。</p><p>　　設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 </p><p>　　表10，設(shè)計(jì)參數(shù)總表</p><p><b>　　本設(shè)計(jì)中符號(hào)說(shuō)明表&l

65、t;/b></p><p><b>　　表11，符號(hào)說(shuō)明表</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王衛(wèi)東.化工原理課程設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006</p><p>　　[2] 劉成梅、羅舜菁.食品工程原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社

66、，2011</p><p>　　[3] 張?zhí)m威.乳與乳制品工藝學(xué).北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2006</p><p>　　[4] 錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002</p><p>　　[5] 李里特.食品物性學(xué).北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2010</p><p>　　[6] 賈紹義.化工原理課程設(shè)計(jì).北京：天津大學(xué)