食品工程原理課程設計---花生油換熱器的設計

1、<p>　　1食品工程原理課程設計任務書</p><p><b>　　1.1 設計題目</b></p><p>　　年處理量為31萬噸花生油換熱器的設計</p><p><b>　　1.2 操作條件</b></p><p>　?。?）花生油：入口溫度110℃，出口溫度40℃。</p&

2、gt;<p>　　（2） 冷卻介質：采用循環(huán)水，入口溫度20℃，出口溫度30℃；井水，入口壓強0.3MPa。</p><p>　?。?）每年按330天計，每天24小時連續(xù)生產(chǎn)。</p><p>　?。?）花生油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)</p><p>　?。?）允許壓強降：不大于30kPa。</p><p>　　（6）換熱器熱損失：

3、以總傳熱量的5%計。</p><p>　?。?）油側污垢熱阻0.000176 m2·K /W，水側污垢熱阻0.00026 m2·K /W。</p><p><b>　　1.3 設計任務</b></p><p>　?。?）選擇適宜的列管式換熱器并進行核算。</p><p><b>　?。?）工

4、藝設計計算</b></p><p>　　包括選擇適宜的換熱器并進行核算，主要包括物料衡算和熱量衡算、熱負荷及傳熱面積的確定、換熱器主要尺寸的確定、總傳熱系數(shù)的校核等。（注明公式及數(shù)據(jù)來源）</p><p><b>　?。?）結構設計計算</b></p><p>　　選擇適宜的結構方案，進行必要的結構設計計算。主要包括管程和殼程分程、

5、換熱管尺寸確定、換熱管的布置、折流板的設置等。（注明公式及數(shù)據(jù)來源）</p><p>　　（4）繪制工藝流程圖 </p><p>　　繪制設備工藝條件圖一張或設備裝配示意圖（2號圖紙）； CAD繪制。

6、 </p><p>　?。?）編寫設計說明書 </p><p>　　設計說明書的撰寫應符合規(guī)范與要求。 </p><p>　　2 概述與設計方案的選擇</p>&

7、lt;p><b>　　2.1概述</b></p><p>　　在不同溫度的流體間傳遞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;另一種流體則溫度較低,吸收熱量。</p><p>　　在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設備,并占有十分重要的地位。</p&

8、gt;<p>　　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，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導地位。</p><p>　　列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內流動，其行程

9、稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。</p><p>　　其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。<

10、;/p><p>　　列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50℃以上）時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。</p><p>　　列管式換熱器有以下幾種：</p><p><b>　　1、固定管板式</b></p>

11、<p>　　固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當位置上焊上一個補償圈，（或膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。 特點：結構簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結垢的物料。</p><p><b>　　2、U形管式</b></p><p>　　

12、U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側，封頭內用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。 特點：結構簡單，質量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結垢的物料。</p><p><b>　　U形管式換熱器</b></p><p>　　1—中間擋板；2—U形換熱管；3—排氣口；4—防沖板；5—分程隔

13、板</p><p><b>　　3、浮頭式</b></p><p>　　換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。</p><p>　　特點：結構復雜、造價高，便于清洗和檢修，消除溫差應力，應用普遍。</p><p><b>　　4.填料函式

14、換熱器</b></p><p>　　填料函式換熱器的結構如圖1-4所示。其特點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力。填料函式換熱器的優(yōu)點是結構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；管束可以從殼體內抽出，管內管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴不高，殼程介質可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴

15、重的介質不適用。</p><p>　　2.2 設計方案的選擇</p><p>　　2.2.1 選擇換熱器的類型</p><p>　　本次設計為花生油冷卻器的工藝設計，工藝要求花生油（熱流體）的入口溫度110℃，出口溫度40℃。采用循環(huán)冷卻水作為冷卻劑，冷卻水的入口溫度20℃，出口溫度30℃。</p><p>　　根據(jù)列管式換熱器的分類與特性表

16、，結合上述工藝要求，選用固定管板式換熱器或浮頭式換熱器，而鑒于浮頭式換熱器的造價一般比固定管板式換熱器的造價高出二十多個百分點，以降低投資成本為目的，故因選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。</p><p>　　2.2.2 流動空間及流速的確定</p><p>　　根據(jù)流體流徑選擇的基本原則，循環(huán)冷卻水易結垢，而固定管板式換熱器的殼程不易清洗，且循環(huán)冷卻水的推薦流速大于花生油的推薦流速，故選擇

17、循環(huán)冷卻水為管程流體，花生油為殼程流體。根據(jù)流體在直管內常見適宜流速，管內循環(huán)冷卻水的流速初選為,管子選用的較好級冷拔換熱管（換熱管標準：GB8163）。</p><p><b>　　3.工藝設計計算</b></p><p>　　3.1 確定物性數(shù)據(jù)</p><p>　　定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。</p><p&g

18、t;　　殼程流體的定性溫度為：</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　管程流體的定性溫度為；</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。（食品工程原理附錄一：3水的物理性質）</p><p

19、>　　3.2 熱負荷及傳熱面積的確定</p><p><b>　　3.2.1 熱流量</b></p><p>　　熱流量（化工單元工程及設備課程設計式3—1）</p><p>　　換熱器熱損失以總傳熱量的5%計，則</p><p>　　3.2.2 平均傳熱溫差</p><p>　　℃（化工單

20、元工程及設備課程設計式3—6）</p><p>　　3.2.3 傳熱面積</p><p>　　3.2.3.1 管程傳熱系數(shù)：</p><p><b>　　假設</b></p><p>　?。ㄊ称饭こ淘肀?—2）</p><p>　　w/（㎡·k）（食品工程原理式2—10a）</p

21、><p>　　3.2.3.2 殼程傳熱系數(shù)：</p><p>　　假設殼程的傳熱系數(shù)是： w/（㎡·k）</p><p>　　污垢熱阻：㎡·k/w ㎡·k/w</p><p>　　管壁導熱系數(shù)：w/(m·k)</p><p>　　管壁厚度：b=0.025m</p>

22、<p><b>　　內外平均厚度：m</b></p><p>　　在下面的公式中，以外管為基準，代入以上數(shù)據(jù)得</p><p>　　(化工單元工程及設備課程設計式3—21)</p><p>　　則估算的傳熱面積為（化工單元工程及設備課程設計式3—35）</p><p>　　考慮15%的面積裕度則：</

23、p><p>　　3.3 換熱器主要結構尺寸的確定</p><p>　　3.3.1 管徑和管內流速</p><p>　　選用較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內流速</p><p>　　3.3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p>　　冷卻水用量 （化工單元工程及設備課程設計式3—5）</p><p&g

24、t;　　依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p>　　根（化工單元工程及設備課程設計式3—9）</p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為：</p><p>　?。ɑ卧こ碳霸O備課程設計式3—10）</p><p>　　按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構，根據(jù)本設計實際情況，采用非標準設計，現(xiàn)取傳熱管長為l=

25、6m，則該換熱器的管程數(shù)為：</p><p>　　根（化工單元工程及設備課程設計式3—11）</p><p><b>　　傳熱管總根數(shù)：</b></p><p>　　根（化工單元工程及設備課程設計式3—12）</p><p>　　3.3.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)</p><p>　　平均傳熱溫

26、差校正系數(shù)：</p><p>　　R=(110-40)/(30-20)=7（化工單元工程及設備課程設計式3—13a）</p><p>　　P=(30-20)/(110-20)=0.11（化工單元工程及設備課程設計式3—13b）</p><p>　　按單殼程，2管程結構，溫差校正系數(shù)查表得（食品工程原理圖2—13a）</p><p><b

27、>　　平均傳熱溫差</b></p><p>　　℃（食品工程原理式2—59）</p><p>　　由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。</p><p>　　3.3.4 傳熱管排列和分程方法</p><p>　　管子在管板上的排列方式有：正三角形排列、正方形排列、正方形錯列，采用正三方形排

28、列可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，應用最為普遍，但管外不易清洗，常采用清潔流體。正方形排列或正方形錯列，由于可以用機械方法清洗，因此適用與結垢的流體。</p><p>　　(a) 正方形直列     （b）正方形錯列    (c) 三角形直列 </p><p>　?。╠）三角形錯列 

29、 （e）同心圓排列</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（化工單元工程及設備課程設計圖3—13）。取管心距，則</p><p>　　t=1.25×25=31.25≈32mm</p><p>　　通過管束中心線的管數(shù)：</p><p><b>　　根</b>&l

30、t;/p><p>　　3.3.5 殼體直徑</p><p>　　采用多管程結構，取管板利用率，則殼體內徑為</p><p>　?。ɑ卧こ碳霸O備課程設計式3—19）</p><p>　　按卷制殼體的進級檔，圓整可取</p><p><b>　　3.3.6 折流板</b></p>&l

31、t;p>　　設置折流板的目的是為了提高流速，增加湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常用的有弓形折流板（圖1-20）和圓盤-圓環(huán)形折流板（圖1-21），弓形折流板又分為單弓形[圖1-20（a）]、雙弓形[圖1-20（b）]、三重弓形[圖1-20（c）]等幾種形式。</p><p>　　單弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h為殼體公稱直徑Dg的15%～45%，最好是20%，見圖1-22（a）；在

32、臥式冷凝器中，折流板底部開一90°的缺口，見圖1-22（b）。高度為15～20mm，供停工排除殘液用；在某些冷凝器中需要保留一部分過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭，這時可采用堰的折流板，見圖1-22（c）。</p><p>　　在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞到折流板背后接近殼體處，會有一部分液體停滯起來，形成對傳熱不利的“死區(qū)”。為了消除這種弊病，宜采用雙弓形折流板或三弓形折流板。<

33、;/p><p>　　綜合上述，本設計采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的20％，則切去的圓缺高度為</p><p>　　h＝0.2×700=140（mm）（化工單元工程及設備課程設計P69折流板和支承板）</p><p>　　折流板間距B=0.3D,則</p><p>　　B=0.3×700=210mm ，B可取2

34、50mm。</p><p><b>　　折流板數(shù)NB</b></p><p><b>　　3.3.7 接管</b></p><p>　　殼程流體進出口接管：取接管內花生油流速u＝1.0m/s，則接管內徑為：</p><p>　　，取管內徑為130mm</p><p>　　管程

35、流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速 u＝1.0 m/s，則接管內徑為</p><p><b>　　圓整可取</b></p><p><b>　　4 換熱器核算 </b></p><p><b>　　4.1傳熱面積校核</b></p><p>　　4.1.1 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)&l

36、t;/p><p>　　可采用克恩公式：（化工單元工程及設備課程設計式3—22）</p><p>　　當量直徑，由正三角排列得：（化工單元工程及設備課程設計式3—23b）</p><p>　　殼程流通截面積：（化工單元工程及設備課程設計式3—25）</p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p><

37、b>　　u0=（m/s）</b></p><p><b>　　Re0=</b></p><p><b>　　普朗特準數(shù) </b></p><p><b>　　粘度校正 </b></p><p><b>　　W/(m2·K) </

38、b></p><p>　　4.1.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)</p><p>　　管內表面系數(shù)：（化工單元工程及設備課程設計式3—32）</p><p>　　管程流體流通截面積：（化工單元工程及設備課程設計式3—33）</p><p>　　管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p><b>　　普朗特準數(shù)&

39、lt;/b></p><p><b>　　Pr=</b></p><p><b>　　W/ (m2·K)</b></p><p>　　4.1.3污垢熱阻和管壁熱阻</p><p>　　管外側污垢熱阻 =0.000172 m2·K/W</p><p&g

40、t;　　管內側污垢熱阻 =0.000344m2·K/W</p><p>　　管壁熱阻 查有關文獻知碳鋼在該條件下的熱導率為λ=50W/(m·K)。（化工單元工程及設備課程設計表3—11）</p><p>　　4.1.4計算傳熱系數(shù)</p><p>　　4.1.5計算傳熱面積</p><p>　　傳熱面積S: （化工單

41、元工程及設備課程設計式3—35）</p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積：</p><p>　　面積裕度：（化工單元工程及設備課程設計式3—36）</p><p><b>　　4.2壁溫核算</b></p><p>　　因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁溫度可按式計算。由于傳熱管內測污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，

42、降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。</p><p>　　式中冷卻水的平均溫度和花生油的平均溫度可由式</p><p>　　℃（化工單元工程及設備課程設計式3—44）</p><p>　　℃（化工單元工程及設備課程設計式3—43）</p&

43、gt;<p><b>　　傳熱管平均壁溫℃</b></p><p>　　殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=68℃</p><p>　　殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　根據(jù)溫差確定本設計的換熱器為帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱

44、器或浮頭式換熱器，而鑒于浮頭式換熱器的造價一般比固定管板式換熱器的造價高出二十多個百分點，以降低投資成本為目的，選擇帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。</p><p>　　4.3換熱器內壓降的核算 </p><p>　　4.3.1管程流體阻力</p><p>　　（化工單元工程及設備課程設計式3—47）</p><p>　?。ɑ卧こ碳霸O備課

45、程設計式3—48）</p><p>　?。ɑ卧こ碳霸O備課程設計式3—49）</p><p>　　為單程直管阻力；為局部阻力；為殼程數(shù)；為管程數(shù)；為管程結垢校正系數(shù)，可近似取1.5；管程總阻力；為摩擦系數(shù)；為局部阻力系數(shù)，一般情況下取3。</p><p>　　由Re=22375，傳熱管對粗糙度0.2/20=0.01，查莫迪圖得=0.04，流速u=1.06m/s，

46、=996.95kg/</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　管程流體阻力在允許范圍之內 </p><p><b>　　4.3.2殼體阻力</b></p><p>　?。ɑ卧こ碳霸O備課程設計式3—50）</p><p>　　為殼程結垢阻力校正系數(shù)，

47、液體取1.15</p><p><b>　　流體流經(jīng)管束的阻力</b></p><p>　?。ɑ卧こ碳霸O備課程設計式3—51）</p><p>　　式中F為管子排列形式對阻力的影響，正三角形排列是取0.5；</p><p>　　為殼程流體摩擦因子，；</p><p>　　（正三角形排列時）；

48、</p><p>　　=23；=0.33；</p><p>　　流體流經(jīng)折流板缺口的阻力</p><p>　?。ɑ卧こ碳霸O備課程設計式3—52）</p><p>　　B=0.25，D=0.7</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　殼程阻力在允許

49、范圍之內。</p><p><b>　　5設計結果匯總表</b></p><p><b>　　6結果與討論</b></p><p>　　作為食品科學與工程專業(yè)的學生，我深知《食品工程原理》是一門非常重要的專業(yè)基礎課程，進行適當?shù)脑O計訓練對于加深我對課程的理解是非常重要和有意義的。這是我第一次做食品工程原理課程設計，通過本次

50、設計，我認為自己已經(jīng)初步掌握食工設計的一些基本知識了。本次設計的是花生油冷卻器，根據(jù)溫差和物性確定本設計的換熱器為帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器或浮頭式換熱器，而鑒于浮頭式換熱器的造價一般比固定管板式換熱器的造價高出二十多個百分點，以降低投資成本為目的，選擇帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。</p><p>　　通過本次設計，我學會了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料確定主要工藝

51、流程，主要設備，及計算出主要設備及輔助設備的各項參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設計計算過程中要進行工藝參數(shù)的計算。通過設計鞏固了對主體設備圖的了解和制法。通過本次設計不但熟悉了食工原理課程設計的流程，加深了對冷卻器設備的了解，而且學會了更深入的利用圖書館及網(wǎng)上資源，對前面所學課程有了更深的了解。但由于時間較為倉促，查閱的文獻有限，本次設計還有很多不完善的地方。</p><p><b>　　7致謝</b&

52、gt;</p><p>　　本次設計非常感謝xx老師的指導，有了她們的指導使得我們更快的進入課程設計的狀態(tài)，使我們少走彎路。同時非常感謝我的同學，正是有他們在一起討論，才使我較快及順利地在較短時間內完成本設計。</p><p><b>　　8參考文獻</b></p><p>　?、牛钤骑w，葛克山.《食品工程原理》，中國農(nóng)業(yè)大學出版社，2009