食品工程原理课程设计.docx
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食品工程原理课程设计
列管式换热器应用已有很悠久的历史。
现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用。
列管式换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中得到广泛的使用，并占有十分重要的地位。
同时，尤其是在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。
而在列管式换热器的设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的传热面积，并确定换热器的结构尺寸。
列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。
其中以热力设计最为重要。
热力设计指的是根据使用单位提出的基本要求，合理的选择运行参数，并根据传热学的知识进行计算。
流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备（例如泵的计算）的选择作准备。
结构设计指的是根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的内经、折流板的长度和数目、隔板的数目及布置以及连接管的尺寸，等等。
在某些情况下还需要对换热器的主要部件—特别是受压部件做应力计算，并校和其强度。
对于高温高压下工作的换热器，更要做这方面的计算。
列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：
①根据换热器任务和有关要求设计方案;
②初步确定换热器的结构和尺寸;
③核算换热器的传热系数和流体阻力;
④确定换热器的工艺结构。
一.确定设计方案
（1）设计内容与要求
1.设计条件：
⑴设计一列管式换热器,日（按12小时工作制）处理鲜奶40吨,主要用于加热杀菌操作。
⑵设计依据:
冷奶温度5℃,采用高温短时杀菌,加热至85℃,用时15s。
浓缩至浓度50%。
⑶加热蒸汽采用锅炉房送出的饱和水蒸气，其压力p=4.5kgf/cm2（表压）;
⑷设计压力:
4.5kgf/cm2；
2.设备类型：
列管式换热器；
3.图纸：
设备装配图一张，采用A0图纸；零件图采用A3图纸。
（2）换热器的类型选择及流程安排
1.选择换热器类型：
饱和水蒸气的压力为4.5kgf/cm2，查饱和水蒸汽表的该压力下温度为147℃。
牛奶的进口温度5℃，出口温度85℃。
其定性温度为：
（5℃+85℃）/2=45℃。
而147℃-45℃=102℃，温差较大，所以才用浮头式换热器。
2.流程安排：
饱和水蒸气通入壳程，便于排出冷凝水；牛奶通入管程，便于提高流速，增大传热膜系数。
二.工艺计算
（1）确定物性参数
1.定性温度
取流体进出口温度的平均值。
饱和水蒸气：
T=（147℃+147℃）/2=147℃
鲜牛奶:
t=（5℃+85℃）/2=45℃
2.根据定性温度查出有关物性参数（根据饱和水蒸气物性参数表）
147℃下饱和水蒸气的物性数据：
汽化潜热：
Lv=2125kJ/kg
粘度：
μ=1×10-3pa.s比容：
0.414
45℃下牛奶的物性参数：
密度：
ρ=1025kg/m3粘度：
μ=1.5×10-3pa.s
导热系数：
λ=0.53w/m.k热容：
Cp=3.9kJ/kg.℃
（2）估算传热面积
1.热负荷：
Q1=mCpΔt1=40000×3.9×（85℃-5℃）/12=1040000kJ/h=288.9kw
2.平均传热温差:
Th1=Th2=147℃Tc1=5℃Tc2=85℃
Δt1=Th1-Tc1Δt2=Th2-Tc2
Δtm=（Δt1-Δt2）/lnΔt1/Δt2=96.5℃
3.传热面积:
由于牛奶的粘度μ=1.5×10-3Pa.s＜2×10-3Pa.s,根据经验数据,传热系数k取1000w/m2.k.
初步定传热面积:
A=Q1/KΔtm=288.9×103/（1000×96.5）=2.99m2
考虑到估算性质的影响,实际传热面积A0=1.3×A1=3.89m2
4.蒸汽的使用量：
考虑到热损失，则Q2=1.05Q1
m=Q2/Lv=1.05×288.9/2125=513.88kJ/h
（Lv为饱和水蒸气的汽化潜热）
（3）传热管排列及分程
1.管径选用和管内流速计算
⑴管径：
由于牛奶是食品，按规定应该采用卫生管，按不锈钢管规格表选用φ25×2mm的管子。
⑵管内流速的计算：
牛奶流动的体积流量:
V=m/ρ=40×103/（12×1025）=3.25m3/h。
牛奶在管内流动时以湍流时传热效果最好，所以让牛奶做湍流流动。
由于Re=dρv/μ≥4000时为湍流,故:
由dρv/μ=4000代入数据得:
0.021×1025×v/1.5×10-3=4000
即:
v=0.293m/s故v可取0.5m/s
2.管成数和传热管数及其排列分程方法
⑴传热管单程数ns
ns=V/πd0μ=3.25×4×106/π×（21×10-3）2×3600=6根
⑵确定程数
暗单程数计算所需要的传热管长度:
L=A0/πd0ns=3.89/（3.14×0.025×6）=8.2m取L=10m
取标准管长度l=2.5m,则管程数Np=L/l=8/2=4（管程）
所以传热管总数：
NT=4×6=24根
3.管子排列和分程
⑴采用正四边形排列管心距t=1.25d0=1.25×25=31.25mm取t=32mm。
⑵隔板中心到最后一排管中心距s=t/2+6=22mm.各程相邻管心距为22×2=44mm。
三.部件结构设计
（1）壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η=0.55
则壳体内径：
D=1.05（Nt/η）0.5=1.05×32×（24/0.55）0.5=222
D圆整为250mm
长径比：
l/D=2000/250=8,在[6，10]之间。
故满足。
（2）折流板、拉杆和缓冲挡板
1.折流板:
采用弓形折流板，弓形折流板圆缺高度一般为10%-40%，可取20%。
则切去的圆缺高度为：
h=250×20%=5mm.
折流板的间距:
B=0.3D=0.3×250=75mm。
折流板数目：
NB=l/B-1=2500/75-1=32块。
2.拉杆：
根据换热器拉杆选择标准（附表）,本换热器壳体内径D=250mm,可选用拉杆直径10mm，拉杆数目4个。
3.放冲挡板：
壳程入口处应设防冲挡板。
（3）接管计算
接管：
管程流体进出口接管，取管内牛奶的流速υ1=1.0m/s。
则接管内经：
D1=（4v/πυ1）0.5=（4×3.33×103×1025/3.14×3600）0.5=34.8mm。
取D1=35mm
壳程流体进出口接管，取接管内流体流速υ2=10m/s。
则接管内经：
D2=（4v/πυ2）0.5=（4×0.414×51388/3.14×10×3600）0.5=86.77mm。
取D2=90mm
四.换热器核算
（1）换热器核算
一.传热能力核算
1.壳程流体传热膜系数α0
设换热管外壁温tw=140℃,则冷凝液膜的平均温度:
（tw+ts）/2=（147℃+140℃）/2=143.5℃。
膜温在143.5℃下的水的物性参数：
ρ=925kg/m3μ=19×10-5Pa.s
λ=0.684w/m.knc=1.1（Nt）0.5=1.1×（24）0.5=5.3889
α0=0.725（gρ2λ3r/n2/3μd0Δt）0.25=11.146×103w/m2℃
2.管程传热膜系数αi
管程流体流通截面积：
Si=πdi2ns/4=3.14×（21×10-3）2×6/4=0.002078m2
管程流体流速:
υi=V/si=3.25/（0.002078×3600）=0.434m/s
管程雷诺数:
Re=ρdiυi/μ=（1025×21×10-3×0.434）/1.3×10-3=7168＞4000.管程流体处于湍流。
管程普兰特常数：
Pr=Cpμ/λi=（3.9×103×1.3×10-3）/0.54=9.39
管内传热膜系数:
αi=0.023λiRe0.8Pr0.4/di=0.023×0.54×（7168）0.8×（9.39）0.4/0.021=2559w/m2℃
3.污垢热阻和管壁热阻
管内侧污垢热阻Ri=0.000172m2℃/w
五.设计结果概要
换热器主要结构尺寸表
1.物性参数表：
管程
壳程
流速kg/h
3333.3
513.88
温度℃进/出
5/85
147
压力Pa
2.37×104
4.5×105
定性温度℃
45
147
密度kg/m3
1025
2.415
热容KJ/kg.℃
3.9
导热系数w/m℃
0.53
粘度Pa.s
1.5×10-3
普兰特系数
9.39
2.设备结构参数
型式
浮头式
台数
1
壳体内径mm
250mm
壳程数
1
管径mm
φ25×2mm
管心距mm
32
管长mm
2500
管子排列
正四边形
管数
24根
折流板个数
25个
传热面积m2
3.89
折流板距mm
75
管程数
4
材质
换热器计算结果表
主要计算结果
管程
流速m/s
0.434
传热膜系数w/m2℃
2259
污垢热阻m2℃/w
0.000172
热负荷kw
288.9
阻力损失Pa
2.37×104
传热温度℃
96.5
传热系数w/m2℃
1115
裕度
11.5%
折流板或支持板的最小厚度
公称直径
DN/mm
换热管无支撑距距/mm
≤300
＞300-600
＞600-900
＞900-1200
＞1200-1500
＞1500
折流板或支持办最小厚度/mm
＜400
3
4
5
8
10
10
400-≤700
4
5
6
10
10
12
＞700-≤900
5
6
8
10
12
16
＞900-≤1500
6
8
10
12
16
16
＞1500-≤2000
-
10
12
16
20
20
拉杆直径
换热器外径/mm
10≤d0≤14
14≤d0≤25
25≤d0≤27
拉杆直径d/mm
10
12
16
拉杆数量
公称直径DN/mm
＜400
≥400-＜700
≥700-＜900
≥900-＜1300
≥1300-＜1500
≥1500-＜1800
≥1800-＜2000
拉杆直径d/mm
10
4
6
10
12
16
18
24
12
4
4
8
10
12
14
18
16
4
4
6
6
8
10
12
参考文献
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天津大学出版社,2002
2.潘国昌，郭庆丰.化工设备.北京：
清华大学出版社，1999
3.王静康.化学工程手册.北京：
化学工业出版社，1996
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大连理工大学出版社，2000
5.董大勤.化工设备机械基础.北京：
化学工业出版社，1999
6.刘道德等.化工设备的选择与工艺设计.湖南：
中国工业大学出版社，1992六.
换热器图样
列管式换热器装配图
管板零件图
折流板零件图
接管零件图
右封头零件图
左封头零件图
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