食品工程原理课程设计-

食品工程原理

课程设计说明书

列管式换热器的设计

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年月日

目录

一、设计任务和设计条件 (3)

1、设计题目 (3)

2、设计条件 (3)

3、设计任务 (5)

二、设计意义 (6)

三、主要参数说明 (6)

四、设计方案简介 (9)

1、选择换热器的类型 (9)

2、管程安排 (9)

3、流向的选择 (10)

4、确定物性系数据 (10)

五、试算和初选换热器的规格 (11)

1、热流量 (11)

2、冷却水量 (11)

3、计算两流体的平均温度差 (11)

4、总传热系数 (11)

六、工艺结构设计 (12)

1、计算传热面积 (12)

2、管径和管内流速 (12)

3、管程数和传热管数 (12)

4、平均传热温差校正及壳程数 (13)

5、传热管排列和分程方法 (14)

6、壳体内径 (14)

7、折流板 (14)

8、接管 (15)

9、热量核算 (15)

10、换热器主要结构尺寸和计算结果如下表： (20)

七、参考文献 (21)

八、浮头式换热器装配图 (22)

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℃冷却至50℃，冷却介质采用循环水，循环水入口温度20℃，出口温度为40℃。允许压降不大于105Pa。试设计一台列管式换热器并进行核算。

牛奶定性温度下的物性数据：

密度1040kgm-3；黏度 1.103*10-4Pas；定压比热容2.11kJ/(kg ℃)；热导率0.14W/(m ℃)

完成

日期

年月日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

计管径、流速、管程数、传热管数、壳径、壳程数、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

(1)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。

(2)绘制列管式换热器的装配图。

(3)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 1---热流体的初始温度，℃

T 2---热流体的最终温度，℃ t 1------冷流体的初始温度，℃ t 2------冷流体的最终温度，℃ o ρ---牛奶的密度，kg/m3

o

p c ---牛奶的定压比热容，kJ/(kg ·℃)

o λ---牛奶的导热系数， W/(m ·℃)

o μ---牛奶的粘度，Pa ·s i ρ---冷盐水的密度，kg/m3

i

p c ---冷盐水的定压比热容，kJ/(kg ·℃)

i λ---冷盐水的导热系数，W/(m ·℃) i μ---冷盐水的粘度，Pa ·s Q ----热流量，kW

K ----总传热系数，W/(㎡·℃)

m t ?----进行换热的两流体之间的平均温度差，℃ i W ----冷却水用量，kg/s

e R ----雷诺准数

r P ---普兰特准数

i α----管程传热系数，W/（㎡·℃） 0α----壳程传热系数，W/（㎡·℃） si R ----冷盐水污垢热阻，㎡·℃/W;

o R s ----牛奶污垢热阻，㎡·℃/W

λ----管壁的导热系数，W/（㎡·℃） s n ---传热管数，（根） L ---传热管长度，m P N ---换热器管程数 N ---传热管总根数 ?

---温度校正系数 c n ---横过管束中心线的管数

t ---管心距，mm D ---壳体内径，mm

h ---弓形折流板圆缺高度，mm B ---折流板间距，mm B N ---折流板数 d ---接管内径，mm e d ---当量直径，m

o u ---壳程流体流速，m/s

i u ---管程流体流速，m/s S ---传热面积，2

m

p S

---换热器实际传热面积，2

m H ---换热器面积裕度

∑?i

P ---管程压降，Pa

1P ?---管内摩擦压降，Pa 2P ?---管程的回弯压降，Pa s N ---壳程串联数

t F

---管程压降的结垢修正系数

∑?0P ---壳程压降，Pa

'

1P ?---流体流经管束的阻力，Pa

'2P ?---流体流过折流板缺口的阻力，Pa

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℃出口温度50℃；②冷流体（水）进口温度20℃，出口温度40℃，由两流体的温差来看，由于两流体温差（140+50）/2-（20+40）/2=55℃<60℃,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 ℃ 壳程冷却水的定性温度为： t=（20+40）/2=30 ℃ 牛奶在90℃下的有关物理数据如下：

密度30/1040m kg =ρ 定压比热容)/(11.200

C kg kJ c p ?=

导热系数)/(14.000C m W ?=λ 粘度s Pa ??=-4010103.1μ 循环冷却水在30℃下的物性数据：

密度3/7.995m kg i =ρ 定压比热容)/(174.40C kg kJ c i

p ?=

导热系数)/(6171.00C m W i ?=λ 粘度s Pa i ??=-410012.8μ

五、试算和初选换热器的规格

1、热流量

)(6.337)50140(11.23600/64000000kW t c w Q p =-??=?=

2、冷却水量

)/(044.420

174.46

.3370s kg t C Q w i p i i

=?=?=

3、计算两流体的平均温度差

逆流时平均温差为：

)(14.5820

5040140ln )

2050()40140(ln 02121'C t t t t t m =-----=???-?=

? 4、总传热系数

管程传热系数：

i

i

i i u d μρ??=

Re 83.3728210012.87

.9955.102.04

=???=

-

4

.08

.0023

.0???

?

?????

? ??=i i p i i i i i i i u c u d d i λμρλα)/(3.63366171.010012.810174.483.3728202.06171.0023.0024

.04

38.0C m W ?=???

? ????????=-

壳程传热系数

假设壳程的传热系数)/(800020C m W ?=σ

污垢热阻W C m R o s i

/000172.02?= W C m R o s o

/000516.02?=

管壁的导热系数)//(4.4502W C m W ?=λ

o

s m o i o s i i o i R d bd d d R d d K αλα1

1

0++++=

)/(5.526800

1

000176.00225.04.45025.00025.0020.0025.0000172.0020.03.6336025.01

02C m W ?=+

+??+?+?=

六、工艺结构设计

1、计算传热面积

'

'm

t K Q s ?=2

303.1114.585.526106.337m =??= 考虑15％的面积裕度'15.1s S ?==1.15×11.03=12.68㎡

2、管径和管内流速

选用mm mm 5.225?Φ传热管（碳管），取管内流速s m u i /1.1=

3、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

u

d V

n i s 24

π

=

根）(1275.111

.102.0785.07

.995/044.42

≈=??=

按单管程计算，所需的传热管长度为

s n d S L 0π=

)(5.1312

025.014.368.12m =??= 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：

l L N p =

29

5.13≈=（管程） 则传热管的总根数为：N=12×2=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

167

.020

14020405.420

4050

14011122121=--=--==--=--=

t T t t P t t T T R

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，91.0=φ。

平均传热温差C t t o m m 19.5214.5891.0'=?=?=?φ

5、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 o =1.25×25=32（mm ）各程相邻管的管心距为44mm

横过管束中心线的管数N n c 1.1==1.124≈6（根）

6、壳体内径

采用多管程结构，取mm b 25'=，则壳体内径为

()mm b n t D c 210252)16(32'21=?+-?=+-=

圆整可取D=325mm

7、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 ＝0.25×325=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mm h o 150'= 则块）(59115.01

.0911.0'

≈--=--=

o B h l N 所以1

591

.0911.0+-=+-=

B o N l h =148.3mm 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

u

V d π4=

)(033.00.214.3)1.10403600/(64004m =???=

圆整后的管径mm mm 5.238?Φ的冷拔无缝钢管。 实际牛奶进出口管内流速为

)/(51.1038

.014.3360010406400

442

211s m d q u v =????==

π 管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速 u ＝1.1m/s ，则接管内径为

4

/u w d i πρ=

1.17.995044

.44???=

π=0.069（m ） 圆整后为mm mm 263?Φ

9、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2000

14

.031

55.036.0???

? ??=w r e e o P R d μμλ

α

当量直径，由正三角形排列得

m d d t d o

o e 020.0025

.014.3025.04032.023442342

222=????? ???-?=????

?

?-=πππ

壳程流通截面积

??? ?

?-=t d D h S o o o 1=0.15×0.325×2

011.0032.0025.01m =??? ??-

壳程流体流速及其雷诺数分别为

o m o S q u 0/ρ=

)/(17.0011.0)10403600/(6400s m =?=

1.320610001103

.01

.104017.0020.0=??=

=

o

o

o p e u d R o μρ

普兰特准数

o

o

p r o c P λμ=

662.114

.01000

0001103.011.2=??=

粘度校正

114

.0≈???

? ??w μμ

)/(9.897662.11.32061020

.014

.036.0Pr Re 36.023155.014

.031

55.0C m W d o w o o e e

o ?=???

=???

?

??????=μμλα （2）管程对流体传热系数

4

.08.0023

.0r e i

i

i P R d λα=

管程流通截面积

p i N N d S /4

20π

=

00377.02/2402.04

2=??=

π

管程流体流速

i

i i S w u ρ

/=

00377.07.9954044.0?=

=1.08m/s i

i

i i e u d R μρ=

0008012

.07

.99508.102.0??=

=26843.6

普兰特准数:

i

i

p r i i c P λμ=

42.56171

.00008012

.04174=?=

i α4.08.042.56.2684302

.06171

.0023.0???

==4872.2W/㎡?

K (3)传热系数K

7

.6019.8971

000172.00225.045025.00025.0020.0025.0000172.0020.02.4872025.01

1

1

0=+

+??+?+?=

++++=

o

s m o i o s i i o i R d bd d d R d d K αλα

（4）传热面积S

m

t K Q

S ?=

=60.1091.527.601106.3373=??㎡ 该换热器的实际传热面积p S

()()257.12)624()1.09(025.014.31.0m l d N N S o p p =-?-??=--=π

该换热器的面积裕度为

100?-=

S

S S H p ％=

6.1860

.1060

.1057.12=-％

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

∑?i

P =（2

1

P P ?+?）t F N s p

N

N s =1， N p =2，F t =1.4

221u d l P i

ρλ=?，22

2u P ρζ=?

由Re=26843.6，传热管相对粗糙度0.2/20=0.01，

查莫狄图得i λ=0.04W/㎡·℃,流速u i =1.08m/s ρi =995.7kg/m 3,所以

1P ?=)(5.104522

08.17.99502.0904.02

Pa =??? 22

2u P ρζ

=?)(1.1742208.17.99532Pa =??=

∑?i P =(10452.5+1742.1）×1.4×2=34144.9Pa<105

Pa

管程流动阻力在允许范围之内。 壳程压力降

s t N F P P P

)('

2'10

?+?=?∑

N s =1，1=t F .15 Ft 为液态污垢修正系数 流速流经管束的阻力

2

)

1(20

0'

1

u N n Ff P B c ρ+=?

F=0.5

489.06.2684350.5228.0228

.00=?=?=--o

e R f

n c =7，N B =59 u 0=

()()

066.01025610325103.14810403600/6400)(3

33=??-????=----o c v d n D h q m/s 4.1992

066.01040)159(6489.05.02

'1

=??+???=?P （Pa ）

流体流过折流板缺口的阻力

2)25.3(2

'2

u D h N P B ρ-=?

B=0.15m ,D=0.325m

)(4.3442066.01040)325.015.025.3(59225.32

2

'

2

Pa u D B N P o B =???-?=?

?? ?

?

-=?ρ总阻力：∑?0P =1.15×1×（199.4+344.4）=625.4（Pa ）﹤105Pa 壳程流动阻力也比较适宜。

10、换热器主要结构尺寸和计算结果如下表：

参数管程壳程

流率kg/h 14558.4 6400

进/出口温度/℃20/40 140/50

物

性

定性温度/℃30 95

密度/（kg/m3）995.7 1040

定压比热容/[kJ/（kg?

C o）]

4.174 2.11

粘度/（Pa?s）8.012×104- 1.103×104-热导率（W/m?k）0.6171 0.14

普朗特数 5.42 1.662

设

备结

构参数形式浮头式壳程数 1 壳体内径/㎜325 台数 1 管径/㎜Φ25mm×

2.5mm

管心距/㎜32 管长/㎜9000 管子排列△管数目/根24 折流板数/个59 传热面积/㎡12.57 折流板间距/

㎜

150 管程数 2 材质碳钢

主要计算结果管程壳程

流速/（m/s） 1.08 0.066

表面传热系数/[W/（㎡?k）] 4872.2 897.9

污垢热阻/（㎡?k/W）0.000172 0.000176

阻力降/ MPa 0.03414 0.00063

热流量/KW 337.6

传热温差/K 325.19

传热系数/[W/（㎡?K）] 601.7

裕度/% 18.6%

七、参考文献

1、化工设备设计全书编委会.换热器设计.上海：上海科学技术出版社，1988

2、中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布，1989

3、钱颂文主编.换热器设计手册.北京：化学工业出版社，2002.8

4、钱颂文等著.换热器管束流体力学与传热.中国石化出版社,2002

5、余国琮等主编.化工容器及设备.天津：天津大学出版社，1980