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1、食品工程原理课程设计说明书设计题目:水冷却牛奶的列管式换热器目录1 .设计任务书31.1 设计题目31.2 设计条件31.3 设计任务：42 .设计方案简介42.1 换热器设计的基本要求42.2 选择换热器的类型42.3 管程与壳程选取52.4 流向的选取53 .工艺15西南科技大学生命科学与工程学院3.1 初算逆流时有效平均温差，并校核63.2 计算传热面积73.3 初选换热器规格74 .主体设备设计计算及选型84.1 校核传热系数84.1.1 管程传热系数84.1.2 壳程传热系数84.1.3 污垢热阻94.1.4 传热系数K94.1.5 计算真实传热速率104.2 校核壁温104.3 校
2、核传热面积114.3.1 传热面积S114.4 计算压强降114.4.1 管程压强降114.4.2 壳程压强降125 .辅助设备的计算及选型135.1 接管135.2 离心泵135.2.1 适于牛奶的离心泵135.2.2 适于冷却水的离心泵145.3 折流板155.4 封头165.5 管箱165.6 管板165.7 放气孔、排液管166 .经济核算167 .设计结果一览表178 .设计评述219 .参考文献2210 .附录23L设计任务书1.1 设计题目用水冷却牛奶、脱脂牛奶的列管式换热器的设计1.2 设计条件牛奶处理量：64th进口温度：100出口温度：30压强降：管程V80kPa壳程50k
3、Pa冷却水进口温度：20出口温度：321.3 设计任务：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。2 .设计方案简介2.1 换热器设计的基本要求根据换热目的不同，换热器在设计时应满足以下基本要求：(1)满足工艺上规定的换热条件。(2)结构上安全可靠。(3)制造、安装、操作和检修方便。(4)经济上合理。2.2 选择换热器的类型本设计中用水冷却牛奶选用带有折流挡板的固定管板式换热器，因为这种换热器适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的情况。另外，固定管板
4、式换热器具有单位体积传热面积大，结构紧凑、坚固,传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，结构简单，造价低廉，且适用于高温、高压的大型装置中。采用垂直圆缺形折流挡板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率，且垂直圆缺用于含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器。本设计中的固定管板式换热器采用的材料为碳素钢管。2.3 管程与壳程选取因牛奶较易结垢，为了便于清洗，所以我选择牛奶走管程，冷却水走壳程。24流向的选取对于流向的选取我选择逆流，因为逆流相较于其他流动方向而言换热效率高、节省传热面积，节省冷却介质。3 .工艺计算3.1 确定物性参数管程牛奶的定性
5、温度：7；LM=照理=65C22壳程冷却水的定性温度：鼠=型拦=26。C22表1两流体在定性温度下的有关物性参数物料温度t密度P 黏度R比热容C. 导热系数人/()/(依/TP)/(pa.s)/kJ/(kg.)/W(z)牛奶6510301.5XIO33.900.53水26996.80.8737IO34.1790.60973.2 计算热负荷64x103Q=msicpT=36OOX3.9X(1OO-30)=4853(KW)3.3 确定冷却水用量Q4853IO3八，、Tz0=；=96.8(kg/S)sCPo44.179103(32-20)34初算逆流时有效平均温差，并校核,-r1-r2 (100-3
6、2)-(30-20)J I /In-l 历吐必30-20= 30.3C /“6.8TE=(U5/?=i-7l=100-30t、3230u图1对数平均温差校正系数为同查上图可知外产0.85,所以Aq=w,=0.8530.3=25.8又因为二0.850.8,故可选单壳程的固定管板式换热器。3.5 计算传热面积根据牛奶的物性参数，取K=400W(m2.C),则估算传热面积:QKA&4853 XIO3 - 400 25.8= 470.3(zw2)3.6 初选换热器规格表2换热器规格参数规格参数数据规格参数数据公称直径。Jmm900管子尺寸mm192公称面积Sm2498.3管程流通面积4m20.0414
7、管心距a/mm25管长L/m9管子根数n/根938管子排列方式正三角形中心排管数良/根35管程数NP4实际传热面积：SO=ndi,L=938%0.0199=5O3.9(h2)4.主体设备设计计算及选型4.1 校核传热系数4.1.1 管程传热系数牛奶的流速：Ui=N=竺型=0A2mspiAi360010300.0414雷诺数：Re,=4也=良&辔=4326.0i1.5103普兰特数：Pr,=39x103xl5x13=11.0440.53由上式可知2300Rer.。叫4.1.2 壳程传热系数换热器中心附近管排中流体流通截面积为B=1900(M)%=BDN(1-%=L9X0.9X(1-2)=0.41
8、04(苏)a0.025水的流速:96.8p0A0 996.8 0.4104=0.24(根 / S)由正三角形排列，得4(* a2- 2) 4(当 0.0252-0.0192)Trdo 0.019= 0.017(阳)雷诺数：Re。=虫处A)0.017x0.24x996.8 =465490.8737 103普兰特数：Pr0 =Q00 -4.1791030.8737103 .=0.6097因为ReO在U 6x104范围内,故可用下式计算4因液体被加热,则W=LO5,4所以%2券(警产戋M铲“72含5例修严1.72(4654.9)06(5.99)3(1.05)14=1708.0(w2C)4.1.3 污
9、垢热阻查表可知污垢热阻：RSo=RSi=I.72IoTm2Cw4.1.4 传热系数K因牛奶不具有腐蚀性，管子材料可选用碳素钢，取其导热系数儿,=5.3W/(?)对数平均直径：4=修二叫黑”=0.017(MwCVVzVJLInIndi0.015所以传热系数K如下:15一+RSj%+2L+Rs+%4444()0.0191122.50.015+ 1.721040.019F 0.0150.002 0.01945.3 0.017+ 1.72104 +1708.0=464,4W(m2.oC)4.1.5 计算真实传热速率0Q=KSOA&=464.4503.925.8=6037103lV=1.24所以1.15
10、QQ=1.24QL25Q,则该换热器能够完成生产任务。4.2 校核壁温因为管壁很薄，而且壁热阻很小。冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为20,出口温度为32计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差o但在操作初期,污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。传热管壁温：O=%+(Tnt-J=26(65-26)=51.8C区厅)+%H22.5()+1708.0壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度4即传热管壁温与壳体壁温之差为4=4-
11、*=51.8-26=25.8因v50C,故不需要设温度补偿装置。4.3 校核传热面积4.3.1 传热面积S需要的传热面积S=2=4853x10=405.0(*)KAtm464.4x25.8实际传热面积SO=nd0L=9380.0199=503.9(/)该换热器面积裕度：=上XlOo%=5039-405.00%=24%S405.0该换热器的传热面积裕度符合要求。4.4 计算压强降4.4.1 管程压强降ZM=(M+2)EMNP9tnm2mm的换热器E取1.5已算出：=0.24m/SRe,=4326.0(湍流)因4000Re,所以牛奶流动类型为湍流取碳素管的壁粗糙度c=0.b三,则=更=0.()06
12、67di150.02 0.015 0.010.006 0.0040 002 .0.001 JO 0008 -O.QCO6 3O.OOO4 MoOO2 40.00010.0)0.0090.008LUL一10,0.00005JO.OOOOl IOt图2摩擦系数人与Re、土的关系曲线31d由上图可得：入=0.036AnJp4910300.422“八一?=0.036XX=1962.3Padi20.015233jx1030x04223Pa22=1.5NS=INp=4ZM=(M+M)FrNsNP=(1962.3+272.5)1.514=13408.8&SOkPa4.4.2 壳程压强降ZM=(M，+短后乂液
13、体的W=L15B=1900(S)折流板数：NB=JI=27=4BB1.9f0=5.0XReO28=5.04654.9o228=0.7289F=0.5nc=35,=FfomNB+1)=0.50.728935(4+l)99680.24-二L与=%(3.5-)皿=4(3.5-空斗9968xO.242=VDPa2 BDn20.92.=OPaZM=(阴+5NS=(1831.0+0)xl.15xl=2105.7F4v50A&从上述计算可知：该换热器管程与壳程的压强降均满足要求，故该换热器合适5 .辅助设备的计算及选型5.1 接管管程流体进出口接管：取接管内牛奶流速尸L5ms,则接管内径为：jO64103=012(piuir3600l030xl.5根据YB231-70无缝钢管常用规格，标准管径为：0133三4.0加壳程流体进出口接管：取接
