食品工程原理課程設(shè)計

食品工程原理課程設(shè)計說明書姓名： 學(xué)號： 班級： 目年月錄日TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、設(shè)計任務(wù)和設(shè)計條件 3\o"CurrentDocument"1、設(shè)計題目 3\o"CurrentDocument"2、設(shè)計條件 33、設(shè)計任務(wù) 5\o"CurrentDocument"二、設(shè)計意義 6\o"CurrentDocument"三、主要參數(shù)說明 6\o"CurrentDocument"四、設(shè)計方案簡介 9\o"CurrentDocument"1、選擇換熱器的類型 9\o"CurrentDocument"2、管程安排 9\o"CurrentDocument"3、流向的選擇 9\o"CurrentDocument"4、確定物性系數(shù)據(jù) 10\o"CurrentDocument"五、 試算和初選換熱器的規(guī)格 10\o"CurrentDocument"1、熱流量 10\o"CurrentDocument"2、冷卻水量 11\o"CurrentDocument"3、計算兩流體的平均溫度差 11\o"CurrentDocument"4、總傳熱系數(shù) 11\o"CurrentDocument"六、 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計 12\o"CurrentDocument"1、計算傳熱面積 12\o"CurrentDocument"2、管徑和管內(nèi)流速 12\o"CurrentDocument"3、管程數(shù)和傳熱管數(shù) 12\o"CurrentDocument"4、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 13\o"CurrentDocument"5、傳熱管排列和分程方法 13\o"CurrentDocument"6、殼體內(nèi)徑 14\o"CurrentDocument"7、折流板 14\o"CurrentDocument"8、接管 149、熱量核算 1510、 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果如下表： 19\o"CurrentDocument"七、參考文獻(xiàn) 21\o"CurrentDocument"八、浮頭式換熱器裝配圖 21 - --=W°RD格式--可編輯--專業(yè)資料,一、設(shè)計任務(wù)和設(shè)計條件1、設(shè)計題目列管式換熱器設(shè)計2、設(shè)計條件①設(shè)計內(nèi)容設(shè)計內(nèi)容某生產(chǎn)過程中，需將6400kg/h的牛奶從140°C冷卻至50°C,冷卻介質(zhì)采用循環(huán)水，循環(huán)水入口溫度40C。允許壓降不大于105Pa。試設(shè)計行核算。牛奶定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度1040kgm-3；黏度1.103*10-4P2.11kJ/(kg°C)；熱導(dǎo)率0.14W/(m°C)20C，出口溫度為?臺列管式換熱器并進(jìn)as；定壓比熱容完成年月日日期②設(shè)計要求序號設(shè)計內(nèi)容要求1工藝計算熱量衡算，確定物性數(shù)據(jù)，計算換熱面積2結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)管徑、流速、管程數(shù)、傳熱管數(shù)、殼徑、殼程數(shù)、計折流板數(shù)等3核算熱量核算、流動阻力計算4編寫設(shè)計說明書目錄，設(shè)計任務(wù)書，設(shè)計計算及結(jié)果，參考資料等5其他設(shè)計的評述及有關(guān)問題的分析和討論6圖紙A2主視圖（設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)形狀及主要零部件間的裝配連接關(guān)系）尺寸（表示設(shè)備的總體大小規(guī)格裝配安裝等尺寸）主要零部件編號及明細(xì)欄管口符號及管口表等

3、設(shè)計任務(wù)用循環(huán)水將牛奶冷卻根據(jù)設(shè)計條件選擇合適的換熱器型號，并核算換熱面積，壓力降是否滿足要求，并設(shè)計管道與殼體的連接，管板與殼體的連接，折流板等。繪制列管式換熱器的裝配圖。編寫課程設(shè)計說明書。二、設(shè)計意義換熱器是各種工業(yè)部門最常見的通用熱工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工，能源，機(jī)械，交通，制冷，空調(diào)及航空航天等各個領(lǐng)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(shè)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(shè)備。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(jīng)常見到食品物料與加熱或冷卻介質(zhì)間的熱交換。各種換熱器的作用，工作原理，結(jié)構(gòu)以及其中工作的流體類型，數(shù)量等差別很大，而換熱器的工作性能的優(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(shè)計極其重要。目前國內(nèi)外在過程工業(yè)生產(chǎn)中所用的換熱器設(shè)備中，管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位，雖然它在換熱效率，結(jié)構(gòu)緊湊性和金屬材料消耗等方面，不如其他新型換熱設(shè)備，但她具有結(jié)構(gòu)堅固，操作彈性大，適應(yīng)性強(qiáng)，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(diǎn)，所以在工程中仍得到廣泛應(yīng)用。三、主要參數(shù)說明T熱流體的初始溫度，。C1T―-熱流體的最終溫度，C2t冷流體的初始溫度，C1 t冷流體的最終溫度，C2 p 牛奶的密度，kg/m3oc牛奶的定壓比熱容，kJ/(kg?C)po九一-牛奶的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?C)o卩牛奶的粘度，Pa?sop冷鹽水的密度，kg/m3ic冷鹽水的定壓比熱容，kJ/(kg?C)pi九一-冷鹽水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?C)i卩一-冷鹽水的粘度，Pa?siQ 熱流量，kWK 總傳熱系數(shù)，W/(m??°C)Atm――進(jìn)行換熱的兩流體之間的平均溫度差，CWi——冷卻水用量，kg/sRe 雷諾準(zhǔn)數(shù)Pr---普蘭特準(zhǔn)數(shù)ai――管程傳熱系數(shù)，W/W?C)ao殼程傳熱系數(shù)，W/(m??C)Rsi――冷鹽水污垢熱阻，F(xiàn)?C/W;Ro――牛奶污垢熱阻，F(xiàn)?C/W九——管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m??C)ns---傳熱管數(shù)，(根)L 傳熱管長度，mNP---換熱器管程數(shù)N---傳熱管總根數(shù)---溫度校正系數(shù)nc---橫過管束中心線的管數(shù)t管心距，mmD殼體內(nèi)徑，mmh弓形折流板圓缺高度，mmB折流板間距，mmNB---折流板數(shù)d 接管內(nèi)徑，mmde---當(dāng)量直徑，m"o殼程流體流速，m/sui管程流體流速，m/sS---傳熱面積，m2Sp---換熱器實際傳熱面積，m2H---換熱器面積裕度工Ap---管程壓降，PaApi-—管內(nèi)摩擦壓降，PaAp2-—管程的回彎壓降，PaNs---殼程串聯(lián)數(shù)FFt---管程壓降的結(jié)垢修正系數(shù)工汽―-殼程壓降，PaAP1―-流體流經(jīng)管束的阻力，PaAp2---流體流過折流板缺口的阻力，Pa

Ill四、設(shè)計方案簡介Ill四、設(shè)計方案簡介換熱器是化工、石油、動力、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位?；どa(chǎn)中，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用甚為廣泛。1、選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況:①熱流體（牛奶）140°C出口溫度50°C；②冷流體（水）進(jìn)口溫度20C，出口溫度40C，由兩流體的溫差來看，由于兩流體溫差（140+50）/2-（20+40）/2=55°C〈60°C，估計換熱器的管壁溫度和殼體壁溫度不會很大，但冬季操作時，進(jìn)口溫度會發(fā)生變化，考慮到該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進(jìn)口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差增大，同時便于污垢清洗。因此初步確定選用浮頭式換熱器。2、管程安排從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使牛奶走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。所設(shè)計換熱器用于冷卻牛奶，牛奶粘度較大，易結(jié)垢，易腐蝕管道，所以選用浮頭式換熱器，浮頭便于拆卸、清洗。綜上所述，換熱器選擇浮頭式，牛奶走殼程，循環(huán)冷卻水走管程。3、流向的選擇當(dāng)冷，熱流體的進(jìn)出口溫度相同時，逆流操作的平均推動力大于并流，因而傳遞同樣的熱流體，所需要的傳熱面積較小。逆流操作時，

冷卻介質(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。4、確定物性系數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。管層牛奶的定性溫度為：T=(140+50)/2=95°C殼程冷卻水的定性溫度為：t=(20+40)/2=30C密度p=1040kg/密度p=1040kg/m30定壓比熱容c=2.11kJ/(kg?0C)p0導(dǎo)熱系數(shù)九導(dǎo)熱系數(shù)九=0.14W/(m?oC)0粘度卩=1.103x10-4Pa-s0循環(huán)冷卻水在30C下的物性數(shù)據(jù):定壓比熱容c=4.174J/(kg-0C)定壓比熱容c=4.174J/(kg-0C)pii導(dǎo)熱系數(shù)九=0.6171W/(m?oC) 粘度卩=8.012x10-4Pa-sii五、試算和初選換熱器的規(guī)格1、熱流量Q=wcAt=6400/3600x2.11x(140—50)=337.6(kW)00p002、冷卻水量CAt337.64.174x20=4.044(kg/s)pi3、計算兩流體的平均溫度差逆流時平均溫差為：At—At—At i □.]AtInAt2=(140—40)—(50—20)=58.14(oC)140—40In50—204、總傳熱系數(shù)管程傳熱系數(shù)：==37282.83dxuxpRe=―i iipi

0.02x1.5x995.78.012x10-4=0.023九]dup、 L i i id.v丿ii0.8‘cup：i~T~viA0.4丿=0.023x0.61710.02x37282.830.8x'4.174x103x8.012x10-4丫4v 0.6171 ,=6336.3W/(m2?0C)殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)b=800W/(m2?0C)0污垢熱阻R=0.000172m2?°C/W R=0.000516m2?°C/WTOC\o"1-5"\h\zsi so管壁的導(dǎo)熱系數(shù)九=45.4W/(m2.oC/W)1+-

1+-

ao0+Ro+ —+Radyd 九d soii im0.0256336.3x0.020+0.000172x0.025+0.0200.0025x0.02545.4x0.0225+0.000176+1800=526.5W/(m2?0C)六、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計1、計算傳熱面積_ 337.6x103s二 = =11.03m2KAt' 526.5x58.14m考慮15%的面積裕度s二1.15xs'=1.15X11.03=12.682、管徑和管內(nèi)流速選用①25mmx2.5mm傳熱管（碳管），取管內(nèi)流速u二1.1m/si3、管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑流速確定單程傳熱管數(shù)Vn=Vn=s兀d2u4i4.044/995.70.785x0.022x1.1=11.75沁12(根)按單管程計算，所需的傳熱管長度為兀dn0兀dn0s12.683.14x0.025x12=13.5(m)按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多程管結(jié)構(gòu)。現(xiàn)取傳熱管長l=9m。則該換熱器的管程數(shù)為：N=L=135沁2（管程）pl9則傳熱管的總根數(shù)為：N=12X2=24（根）

4、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳播換熱溫差校正系數(shù)t—t12=4.540—20t—tt—t12=4.540—20t—t40—20P=—i= =0.167T—t140—2011■*「E00J0.2ISSSS0.5 0.6 0.70.8 0,9P芍売側(cè)1程.管側(cè)2程或加程.滸整數(shù)按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫度校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表，但R=4.5的點(diǎn)在圖上難以讀出，因而相應(yīng)的以1/R代替R,PR代替P,查同一圖線,0=0.91。平均傳熱溫差A(yù)t=0At'=0.91x58.14=52.19°Cmm5、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t=1.25d=1.25X25=32(mm)各程相鄰管的管o心距為44mm橫過管束中心線的管數(shù)n=1.K，N=1.1后？?6(根)c6、殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取b=25mm，則殼體內(nèi)徑為D=t(n-1)+2b'=32x(6-1)+2x25-210mmc圓整可取D=325mm7、折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25％，則切去的圓缺高度為h=0.25X325=81.25mm，故可取h=100mm。折流板與殼體之間的間隙為2.0mm初取折流板的間距h-150mmo則N-罟-1-黑-1?5沢塊）o所以h二1—0.1二9-0.1=148.3mmoN+1 59+1B折流板厚度取5mm折流板圓缺面水平裝配。8、接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)牛奶流速為u=2.0m/s，則接管內(nèi)徑為d飛I-嚴(yán)聽門-0-（m）

圓整后的管徑①38mmx2.5mm的冷拔無縫鋼管。實際牛奶進(jìn)出口管內(nèi)流速為4qv-兀d24qv-兀d21=1.51(m/s)1040x3600x3.14x0.03&管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)冷卻水流速u=l.lm/s，則接管內(nèi)徑為d=:W^￡二4x4.044 =0.069(m)I巴\995.7x兀xl.l4圓整后為①63mmx2mm9、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，由于R<2000，所以e=0.36—R0.55P丄；［上J"der(卩丿ew當(dāng)量直徑，由正三角形排列得/朽 n」4/朽 n」4l——12一一d2|2 4o丿d=' 丿endo(3 兀 A4l—x0.0322—_x0.0252I2 4 丿二 丿=0.020m3.14x0.025殼程流通截面積S二hD〔l—匕t丿oo=0.15X0.325X〔1一'J0.032丿=0.011m2殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為q/Pq/Pm0So6400/(3600X1040)0.011=0.17(m/s)R

eR

eoduPpoooO.。20XO.17x1040」=32061.10.0001103普蘭特準(zhǔn)數(shù)cy 2.11X0.0001103X1000P=poo= =1?662r尤 0.14o粘度校正([[、0.14r1〔門w=0.36x—edexRe0.55xPr13xo(y] o-魏丿0.14=036x眾x32061J0-55x心=897.9W/(m2-?C)(2)管程對流體傳熱系數(shù)九a=0.023—R0.8Po.4i deri管程流通截面積兀 兀S=d2N/N=—X0.022x24/2=0.00377i40p4管程流體流速u二WZ1= °?4°44 =1.08m/siS 995.7x0.00377iR=d件匕=0.02J08x995.7=26843.6e卩 0.0008012i普蘭特準(zhǔn)數(shù):c卩iA】74XO'00080】2=5.420.6171i=°.023X器X26843.60-8X心=4872.2W他K(3)傳熱系數(shù)KK=-

d0+Radii1dbdo+k，-d kdi0.0251+-

ao1+0.000172x0025+0.0025x0.025+0.000172+—L_4872.2x0.020 0.020 45x0.0225 897.9=601.74)傳熱面積SQS二KAtm337.6x103601.7x52.91二10.60m該換熱器的實際傳熱面積SpS-N丄d(l-0.1)=3.14x0.025x(9-0.1)x(24-6)二12.57m2p po該換熱器的面積裕度為H=匸x100%=心7一心60=18.6%S 10.60該傳熱面積的裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。(5)換熱器管程和殼程壓力降管程流壓力降sAP=(AP+AP)FNNi 1 2tspN=1，N=2，F(xiàn)=1.4sptL46U)6Q-.W00010.010.0090.008LL1AP八L￡U2,iid2‘I'過渡區(qū)^層流i廠irrr^i I十DiL46U)6Q-.W00010.010.0090.008LL1AP八L￡U2,iid2‘I'過渡區(qū)^層流i廠irrr^i I十Di目糙管=10.00005O.Of)()20.0001^0.00446I072一(K0020.001Z0.0008一0,0006「00004J0,000010.000005由Re=26843.6，傳熱管相對粗糙度0.2/20=0.01,查莫狄圖得九=0.04W/tf?°C,流速u=1.08m/sp=995.7kg/m3,所iii以APi=°?°4x9 995.7x1.082x0.022二10452.5(Pa)AP2丸竽二3x995.7嚴(yán)°82二1742.1(Pa)ZAP=(10452.5+1742.1)X1.4X2=34144.9Pa〈105Pai管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程壓力降ZAP=(AP'+AP')FN012tsN=1,f=1.15stFt為液態(tài)污垢修正系數(shù)流速流經(jīng)管束的阻力AP'=Ffn(N+1)o10cB2F=0.5fo=5.0X匸=5526843.6皿=0.489n=7，N=59u=qv—u=qv—h(D一nd)co6400/(3600x1040)148.3x10-3x^325x10-3-6x25x10-3)=0.066m/s*=0.5x0.489x66(59