環(huán)境工程原理課程設計--列管式換熱器在牛奶冷卻過程中的設計

1、<p>　　l </p><p><b>　　環(huán)境工程原理</b></p><p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　列管式換熱器在牛奶冷卻過程中 的設計</p><p><b>　　目 錄</b>

2、;</p><p><b>　　一、緒論</b></p><p>　　1、換熱器的設計意義與重要性</p><p>　　2、滅菌牛奶冷卻換熱器計算過程中的主要參數說明</p><p><b>　　二、換熱器的原理</b></p><p>　　1、列管式換熱器的設計原理<

3、/p><p>　　2、列管式換熱器的設計任務</p><p><b>　　三、設計計算</b></p><p><b>　　1、確定設計方案</b></p><p><b>　　2、確定物性數據</b></p><p><b>　　3、計算總傳熱系

4、數</b></p><p><b>　　4、計算傳熱面積</b></p><p><b>　　5、工藝結構尺寸</b></p><p><b>　　6、換熱器核算</b></p><p><b>　?。?）熱量核算</b></p>

5、<p>　?。?）換熱器內流體的流動阻力</p><p>　?。?）換熱器主要結構尺寸和計算結果總表</p><p><b>　　四、參考文獻</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1、換熱器的設計意義及其重要性。</p><p>

6、　　換熱器是各種工業(yè)部門最常見的通用熱工設備，廣泛應用于化工，能源，機械，交通，制冷，空調及航空航天等各個領域。換熱器不僅是保證某些工藝流程和條件而廣泛使用的設備，也是開發(fā)利用工業(yè)二次能源，實現(xiàn)余熱回收和節(jié)能的主要設備。</p><p>　　在食品工業(yè)中的加熱，冷卻，蒸發(fā)和干燥等的單元操作中，經常見到食品物料與加熱或冷卻介質間的熱交換。各種換熱器的作用，工作原理，結構以及其中工作的流體類型，數量等差別很大，而換熱

7、器的工作性能的優(yōu)劣直接影響著整個裝置或系統(tǒng)綜合性能的好壞，因此換熱器的合理設計極其重要。</p><p>　　目前國內外在過程工業(yè)生產中所用的換熱器設備中，列管式換熱器仍占主導地位，雖然它在換熱效率，結構緊湊性和金屬材料消耗等方面，不如其他新型換熱設備，但她具有結構堅固，操作彈性大，適應性強，可靠性高，選用范圍廣，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點，所以在工程中仍得到廣泛應用。</p><p&

8、gt;　　2、滅菌牛奶冷卻換熱器計算過程中的主要參數說明</p><p>　　T---牛奶的定性溫度，℃</p><p>　　t---冷鹽水的定性溫度，℃</p><p>　　---牛奶的密度，kg/m3</p><p>　　---牛奶的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)</p><p>　　---牛奶的導熱系數

9、， W/(m·℃)</p><p>　　---牛奶的粘度，Pa·s</p><p>　　---冷鹽水的密度，kg/m3</p><p>　　---冷鹽水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)</p><p>　　---冷鹽水的導熱系數，W/(m·℃)</p><p>　　---冷鹽水的

10、粘度，Pa·s </p><p>　　----熱流量，kW</p><p>　　----總傳熱系數，W/(㎡·℃)</p><p>　　----進行換熱的兩流體之間的平均溫度差，℃</p><p>　　----冷卻水用量，kg/s</p><p><b>　　----雷諾

11、準數</b></p><p><b>　　---普蘭特準數</b></p><p>　　----管程傳熱系數，W/（㎡·℃）</p><p>　　----殼程傳熱系數，W/</p><p>　　----冷鹽水污垢熱阻，㎡·℃/W; </p><p>　　---

12、-牛奶污垢熱阻，㎡·℃/W</p><p>　　----管壁的導熱系數，W/（㎡·℃）</p><p>　　---傳熱管數，（根）</p><p>　　---傳熱管長度，m</p><p><b>　　---換熱器管程數</b></p><p><b>　　---傳熱

13、管總根數</b></p><p><b>　　---溫度校正系數</b></p><p>　　---橫過管束中心線的管數</p><p><b>　　---管心距，mm</b></p><p>　　---殼體內徑，mm</p><p>　　---弓形折流板圓缺高度

14、，mm</p><p>　　---折流板間距，mm</p><p><b>　　---折流板數</b></p><p>　　---接管內徑，mm</p><p><b>　　---當量直徑，m</b></p><p>　　---殼程流體流速，m/s</p>&l

15、t;p>　　---管程流體流速，m/s</p><p><b>　　---傳熱面積，</b></p><p>　　---換熱器實際傳熱面積，</p><p>　　---換熱器面積裕度</p><p>　　---管程壓降，Pa</p><p>　　---管內摩擦壓降，Pa</p>

16、<p>　　---管程的回彎壓降，Pa</p><p><b>　　---殼程串聯(lián)數</b></p><p>　　---管程壓降的結垢修正系數</p><p>　　---殼程壓降，Pa</p><p>　　---流體流經管束的阻力，Pa</p><p>　　---流體流過折流板缺口的阻

17、力，Pa </p><p>　　二、換熱器的設計原理</p><p>　　1、列管式換熱器的設計原理</p><p>　　列管式換熱器主要由殼體、管束、管板和封頭等部分組成，殼體內部裝有平行管束，管束兩端固定在管板上。一種流體在管內流動，另一種流體則在殼體內流動。殼內往往按照一定數目設置與管束垂直的折流擋板，不僅防止短路、增加流體流速，而且可以迫使流體按照規(guī)定的路

18、徑多次錯流經過管束，使湍動的程度大大提高，實現(xiàn)換熱器的換熱。</p><p>　　2、列管式換熱器的設計任務</p><p>　　在滅菌后牛奶的冷卻過程中，牛奶由 70 ℃降至25 ℃，牛奶流量為 12480 kg/ h ，壓力為 0.7 MPa 。該過程采用濃度很稀的冷鹽水冷卻（因此冷鹽水的相關物性數據可參考水的物性數據）。冷鹽水入口溫度為 10℃ ，出口溫度 20℃ 。試設計一臺列管式

19、換熱器完成該生產任務。</p><p><b>　　三、設計計算</b></p><p><b>　　1、確定設計方案</b></p><p>　　(1)、選擇換熱器類型</p><p>　　兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度70℃，出口溫度25℃；冷流體(冷鹽水)進口溫度10℃，出口溫度20℃。考

20、慮到該換熱器的管壁溫和殼體壁溫相差較大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)固定的管板式換熱器。</p><p>　　(2)、流動空間及流速的確定</p><p>　　由于冷鹽水較易結垢，為便于清洗，另外，粘度大的流體（牛奶）宜于通入管間空間，所以應使冷鹽水走管程，牛奶走殼程。選用 25×2.5mm的碳鋼管。管內流速取 =1.1m/s。</p><p><b&g

21、t;　　2、確定物性數據</b></p><p>　　定性溫度：可取流體進出口溫度的平均值。</p><p>　　管程冷鹽水的定性溫度為</p><p>　　殼程牛奶的定性溫度為</p><p>　　根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據。</p><p>　　牛奶在47.5℃下的有關物性數據

22、如下： </p><p>　　密度　　 =1030 kg/m3</p><p>　　定壓比熱容 =3.770 kJ/(kg·℃)</p><p>　　導熱系數　　 =0.61 W/(m·℃)</p><p>　　粘度　　 =0.002128 Pa·s</p>&l

23、t;p>　　冷鹽水在15℃下的有關物性數據如下：</p><p>　　密度 =999.1 kg/m3</p><p>　　定壓比熱容 =4.189kJ/(kg·℃)</p><p>　　導熱系數 =0.5894 W/(m·℃)</p><p>　　粘度 =0

24、.00113376 Pa·s</p><p><b>　　3、計算總傳熱系數</b></p><p><b>　　(1)、熱流量</b></p><p>　　(2)、平均傳熱溫差</p><p>　　(3)、冷卻冷鹽水用量</p><p><b>　　(4

25、)、總傳熱系數</b></p><p><b>　　管程傳熱系數</b></p><p><b>　　殼程傳熱系數</b></p><p>　　假設殼程的傳熱系數 </p><p><b>　　污垢熱阻</b></p><p><b&g

26、t;　　管壁導熱系數</b></p><p><b>　　4、計算傳熱面積</b></p><p>　　考慮20%的面積裕度</p><p><b>　　5、工藝結構尺寸</b></p><p>　　(1)、管徑和管內流速</p><p>　　選用 傳熱管（碳鋼）

27、。管內流速取 。</p><p>　　(2)、管程數和傳熱管數</p><p>　　依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數。</p><p>　　按單程管計算，所需傳熱管長度為</p><p>　　按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構?，F(xiàn)取傳熱管長l=6m。則該換熱器管程數為</p><p><b>　　

28、傳熱管總根數為</b></p><p>　　(3)、平均傳熱溫差校正及殼程數</p><p>　　平均傳熱溫差校正系數</p><p>　　按單殼程、兩管程結構，溫差校正系數應查有關圖表。</p><p><b>　　可得：</b></p><p><b>　　平均換熱溫差&

29、lt;/b></p><p>　　(4)、傳熱管排列和分程方法</p><p>　　采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距 </p><p>　　橫過管束中心線的管數</p><p><b>　　(5)、殼體內徑</b></p><p>　　采用多管程結構

30、。取管板利用率 ，則殼體內徑為</p><p><b>　　圓整可取 。</b></p><p><b>　　(6)、折流板</b></p><p>　　采用弓形折流板。取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%。則切去的圓缺高度為 ，故可取h=100mm。</p><p>　　取折流板間距 。故可取B

31、=150mm。</p><p><b>　　折流板數</b></p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p><b>　　(7)、接管</b></p><p>　　殼程流體進出口接管:取接管內牛奶流速為2.0m/s,則接管內徑為</p><p><b>

32、　　0.046m</b></p><p>　　取標準管徑為50mm</p><p>　　管程流體進出口接管:取接管內冷鹽水流速為1.5m/s,則接管內徑為</p><p><b>　　0.109m</b></p><p>　　取標準管徑為100mm</p><p><b>　

33、　6、換熱器核算</b></p><p><b>　　(1)、熱量核算</b></p><p><b>　　、殼程傳熱系數</b></p><p>　　對圓缺形折流板可采用科恩公式</p><p>　　當量直徑，由正三角形排列得</p><p><b>

34、　　殼程流通截面積</b></p><p>　　殼程流體流速及雷諾數分別為</p><p><b>　　普蘭特準數</b></p><p><b>　　粘度校正</b></p><p><b>　　、管程對流傳熱系數</b></p><p>

35、<b>　　管程流通截面積</b></p><p><b>　　管程流體流速</b></p><p><b>　　普蘭特準數</b></p><p><b>　　、傳熱系數K</b></p><p><b>　　782.9 </b>&

36、lt;/p><p><b>　　、傳熱面積S</b></p><p>　　該換熱器實際傳熱面積Sp</p><p><b>　　該換熱器面積裕度為</b></p><p>　　換熱器的面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。</p><p>　　(2)、換熱器內流體的流動阻力&l

37、t;/p><p><b>　　、管程流動阻力</b></p><p>　　Ns=1, Np=2, =1.4</p><p>　　由Re=19128，傳熱管相對粗糙度為 ，查莫狄圖得</p><p><b>　　，流速 ， </b></p><

38、;p><b>　　所以</b></p><p>　　故管程流速阻力在允許范圍內</p><p><b>　　、殼程阻力</b></p><p><b>　　流體流經管束的阻力</b></p><p>　　流體流過折流板缺口時的阻力</p><p>

39、　　殼程流體阻力也比較適宜</p><p>　　(3)、換熱器主要結構尺寸和計算結果如下表：</p><p><b>　　四、參考文獻：</b></p><p>　　1.賈紹義、柴誠敬.化工原理課程設計.天津：天津出版社，2002</p><p>　　2.李功樣等.常用化學單元設備設計.廣州：華南理工大學出版社，2003

40、</p><p>　　3.匡國柱、史啟才.化工單元過程及設備課程設計.北京：化學工業(yè)出版社，2002 </p><p>　　4.涂偉萍等.化工過程及設備設計.北京：化學工業(yè)出版社，2000</p><p>　　5.化工設備設計全書編委會.換熱器設計.上海：上海科學技術出版社，1988</p><p>　　6.中華人民共和國國家標準.GB151