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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除学 号： 课 程 设 计题 目年处理 ？万吨牛奶换热器设计学 院环境与资源学院专 业食品科学与工程班 级2013食品？班学生姓名指导教师常海军 周文斌2015年12月31日重庆工商大学课程设计成绩评定表学院： 环资学院 班级： 2013食品？班 学生姓名： 学号： 项目分值优秀(100x90)良好(90x80)中等(80x70)及格(70x60)不及格(x1.00.8-1.80.5-1.55-30壳程流速，m/s0.5-1.50.5-1.50.2-1.50.50.4-1.00.3-0.82-151.5 材质的选择 一般换热器常用的材料，有碳钢和不
2、锈钢。 1.5.1 碳钢 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。 1.5.2 不锈钢 奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。1.6 管程结构介质流经传热管内的通道部分称为管程。 1.6.1换热管布置和排列问距 常用换热管规格有192 mm、252 mm、252.5 mm。标准管子的长度常用的有1500mm，2000mm，3000mm，6000mm等。当选用其他尺寸的管长时，应根据
3、管长的规格，合理裁用，避免材料的浪费。 换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。 (a) 正方形直列 （b）正方形错列 (c) 三角形直列（d）三角形错列 （e）同心圆排列正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。 1.6.2 管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并
4、将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。1.7 壳程结构介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。 壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板。旁路挡板等；另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。 1.7.1 壳体 壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出
5、之用。直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mrn的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。 介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。用两个换热器串联也可得到同样的效果。为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。 壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。计算式如下： 单管程 式中 t管心距，mm； d0换热管外径，mm； nc横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。 正三角形排列： 正方形排列： 多管程 式中 N排列管子数目； 管板利用率。 正角形排列：
6、2管程 =0.70.85 4管程 =0.60.8 正方形排列：2管程 =0.550.7 4管程 =0.450.65壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。 1.7.2 折流板 在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。 折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。 圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种。切缺率(切掉圆弧的高度与壳内径之比)通常为2050。垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器
7、中，排水也不能在折流板底部积存。弓形折流板有单弓形和双弓形，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。 折流板的间隔，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50 mm，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。 1.7.3 壳程接管 壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大，即将接管做成喇叭形，以起缓冲的作用；或者在换热器进口处设置挡板。 2 设计方案简介2.1选择换热器的类型因为我们要加热的材料是果汁，流体压力不大，管程与壳层温度差较大，并考虑易清
8、洗性，所以初步确定选用固定管板式换热器。2.2 流体流动空间及流速的确定因为本次所要处理的果汁与冷却水的进出口温差都大于50C，所以需要焊接膨胀节。由于果汁较水有腐蚀性，而管子及管箱用耐腐蚀材料造价低,故应使果汁走管程，冷却水走壳程。考虑到要进行加热的是果汁，所以选用不锈钢材质的管。综上所述，选用带膨胀节的固定管板式换热器，选用25*2.0的不锈钢管，管内流速取u=0.5m/s.（二）工艺及设备设计计算1 确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值壳程水的定性温度为： 管程果汁的定性温度为： t =50 根据定性温度，查得：果汁在50下的有关物性数据如下： 密度 = 1050 kg/定压比
9、热容 =3.98 kJ/(kgK)导热系数 =W/(mK)黏度 =0.00215Pas冷却水在11下的有关物性数据如下： 密度 =999.7 kg/定压比热容 =4.191 kJ/(kg)导热系数 = 0.5741 W/(m)黏度 =0.001271Pas2 计算总传热系数2.1 热流量=20003.98(80-20)=477600 kJ/h=132.7(kW)2.2 平均传热温差2.3 冷却水用量 kg/h2.4 总传热系数K管程传热系数 2300Re10000过渡流 Pr= 流体被冷却n=0.3 =2415W/()壳程传热系数假设壳程的传热系数 W/()污垢热阻 () / W() / W管
10、壁的导热系数 .4 W/(m)，故 = 398 W/()3 传热面积的计算 S= （）考虑15%的面积裕度，S=1.15S=1.1510.13=11.65（）4 工艺结构尺寸4.1 管径和管内流速选用25mm2.0mm的不锈钢管，管内流速取ui=0.5m/s。4.2 管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数 =3.05根4根按单管程计算，所需的传热管长度为：L=49.4m按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长=6m，则该换热器的管程数为:N=9(管程)传热管总根数为：N=34.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R =6 P =0.135按单壳程，三管
11、程结构，温度校正系数查表得： =0.93平均传热温差 = 4.4 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=1.25（焊接法），则t=1.2525=31.25 mm 32 （mm）横过管束中心线的管数 4.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为：D=1.05t=1.0532=208.7（mm）圆整可取D=273mm。4.6 折流板数采用弓形折流板，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=0.25273=68.25（mm）， 故可取h=65mm 。取折流板间距B=0.3D,则 B=0.3273=
12、81.9（mm），可取B为150mm 。折流板数 N=-1=-1=39（块）折流板圆缺面水平装配。4.7 接管壳程流体进出口接管:取接管内流速为u=1.0 m/s,则接管内径为： =0.0635（m）取标准管径为 60 mm 。管程流体进出口接管:取接管内流速为u=1.5 m/s,则接管内径为：0.0212（m）取标准管径为 20 mm5 换热器核算5.1 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：=0.36当量直径，由正三角形排列得d=0.020（m）壳程流通截面积：=BD(1-)=0.150.273 (1-)=0.00896（m）壳程流体流速及其雷诺数分别为=0.35
13、3（m/s） 2000Re100000 Pr=黏度校正（）=0.95 =0.36W/()（2）管程对流传热系数=0.00104（m）=（m/s） (2300Re10000)（3）传热系数K=504.5 W/()（4）传热面积S S=（m）该换热器的实际传热面积（m）该换热器的面积裕度为 H=该换热器的面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.2 换热器内流体的流动阻力（1）管程流动阻力由Re=5230，传热管相对粗糙度，查摩擦因数图得，流速=0.51（m/s）， kg/，所以=Pa= Pa故 Pa 100 KPa管程流动阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力流体流经管束的阻力 F=0.4（正方形
14、错列） Pa流体流过折流板缺口的阻力 B=0.15m ，D=0.273 m Pa总阻力 Pa 10 KPa 壳程流动阻力也比较适宜。（三）辅助设备的计算及选型1 封头壳体内径较小，故采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。2 分程隔板分程隔板可提高介质流速，增强传热。同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。（四）设计结果汇总表换热器型式：带膨胀节的固定管板式管口表换热面积（m2）：9.80符号尺寸用途连接型式工艺参数：a果汁入口平面名称壳程管程b果汁入口平面物料名称冷却水果汁c冷却水入口凹凸面操作温度，6/1680/20d冷却水入口凹
15、凸面流量，kg/h113962000e排气口凹凸面流体密度，kg/m99971050f放静口凹凸面流速，m/s0.3530.51传热量，kW132.7总传热系数，W/m2504.5对流传热系数，W/m286231837污垢系数，m2/W0.0001720.0005阻力降，Pa952479912程数19推荐使用材料不锈钢不锈钢管子规格252.0管数27管长，mm6000管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式弓形上下间距，mm150切口高度25%壳体内径，mm273保温层厚度，mm(五）设计评述该换热器是专为冷却果汁设计的，严格按照国家及行业标准设计。这是我第一次做该类设计，虽然努力依照标准设
16、计但许多地方仍不太明确，且没有任何实际经验，漏洞在所难免。通过此次设计课程，我学到了许多理论课中所学不到的知识。开始时一团雾水的我，经过一周的资料搜集和研读才开始设计工作，中途对数据进行了数次调整，同学们互相帮助与鼓励，终于在今天完成了这次任务。虽然过程是艰辛的，但成功的喜悦远大于痛苦。这次刻骨铭心的经历必会对我未来产生深远的影响。(六）参考文献1.冯骉.食品工程原理M.北京：中国轻工业出版社，2009.82.贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计M.天津：天津大学出版社，2002.83.贾绍义.化工原理及实验.上册M.北京:高等教育出版社,2004.64.中华人民共和国国家标准.GB151-199
17、9钢制管壳式换热器.国家技术监督局,19995.中华人民共和国国家标准.JB/T 4715-92 固定管板式换热器型式与基本参数.国家技术监督局,19926.中华人民共和国国家标准.HG 20537.2-1992(2009) 管壳式换热器用奥氏体不锈钢焊接钢管技术要求.国家技术监督局,2009 (七）主要符号说明英文字母B 折流板间距，m； N管程数；C 系数，无量纲； Nu 努塞尔特准数；d 管径，m； Qi 热流量 ；kJ/hD换热管外壳内径，m P 压力，Pa；因数f 摩擦系数； Pr 普兰特准数；F 系数； R 热阻，() / W；h 圆缺高度，m； Re 雷诺准数；K 总传热系数，w/ m； S 传热面积，m；L 管长，m； t 冷流体温度，；m程数 T 热流体温度，；N折流板数 u 流速，m/s； 指数、单程管数。 W 质量流量，kg/s； 希腊字母对流传热系数，w/m； 有限差值；导热系数，w/m； 密度，kg/； 粘度，Pas； 校正系数。下标c 冷流体； h 热流体；i 管内； m 平均；o 管外； s 污垢。（八）致谢这个艰巨的任务终于完成了，我在此向给予我帮助的XXX老师和XXX同学们致于衷心的感谢和诚挚的祝福。