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1、食品工程原理课程设计说 明 书设计题目： 日产50t冷却牛奶换热器设计 英文题目：Nissan 50t cooling milk Heat Exchanger Design 学生姓名： 班 级： 01 学 号： 专 业：食品科学与工程2 0 1 2- 9 - 30 目 录一、设计任务书 3二、概述与设计方案简介 5三、设计条件及主要物性参数表 7四、工艺设计计算 9五、辅助设备的计算及选型 22六、设计结果汇总表 23七、设计评述 24八、参考资料 25九、主要符号说明 25一、 设计任务书 1.1 课程设计题目：日产50t冷却牛奶换热器设计1.2 设计任务与操作要求1.2.1 处理能力牛奶产
2、量：50t/d1.2.2 设备形式列管式换热器1.2.3 操作条件1) 牛奶：入口温度 76 出口温度 202) 冷却介质：稀盐水 入口温度 10 出口温度 173) 牛奶定性温度下的物性数据：物性密度o（kg/m3）比热容Cpo(kJ/(kgK)粘度o(Pas)导热系数o(W/(m2K)牛奶10353.7650.00210.691.3 设计规范与要求试设计一台适宜的列管式换热器完成该生产任务1.4 工作计划1、设计方案的选定 ，下达设计任务书 （2天） 流程生产条件、设备型式的选定和论述说明，绘制示意工艺流程图。 2、工艺设计和计算 （3天） 根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算
3、，主体设备工艺尺寸计算，附属设备的选型计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。 3、辅助设备的选型（1天） 典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备的规格、型号的选定。4、工艺流程图（1天） 以单线图的形式绘制，主体设备与辅助设备的物料方向、物流量、能流量，主要测量点。5、主要设备的工艺条件图（1天） 图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表。6、设计说明书的编制 （1天） 设计任务书，目录、前言、设计方案的选择和论述，工艺设计和计算，工艺流程示意图，电算程序及符号说明，设计结果汇总，设计结果的自我总结评价和参考资料等。 7、绘制主体设备的简装图或带控制点的流程图（1天）1.5 设计成
4、果要求1.5.1 通过查阅资料、设计计算等最终提供课程设计说明书（论文）电子稿及打印稿1份，并附简单的设备草图1.5.2课程设计结束时，将按以下顺序装订的设计成果材料装订后交给指导教师：（1）封面（2）目录（3）课程设计任务书（4）课程设计说明书（论文）（5）参考文献（6）课程设计图纸（两张）二、 概述与设计方案简介 2.1 概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体,一种流体温度较高,放出热量;另一种流体则温度较低,吸收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。混
5、合式换热气主要用于气体的冷凝，并且是在允许冷热流体混合的条件下才能使用，不能用于牛奶冷却，蓄热式换热器利用固体填充物来蓄积或释放能量达到换热目的，体积庞大，不能完全避免两种流体的混合。因此，在本次设计中，杀菌后牛奶的冷却采用列管换热器，它的优点有：单位体积所具备的传热面积较大，传热效果较好，结构较简单，制造用的材料广泛、易于获得。列管式换热器有以下几种：1、固定管板式 两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈。壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。 特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结
6、垢的物料。2、U形管式 每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。3、浮头式两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。4、填料函式换热器管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比
7、浮头式的低。清洗，维修方便。但密封性能差，对于易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用，壳程流体压力不宜过高2.2 工艺流程简述稀盐水易结垢，为便于清洗，应该走管程，牛奶为粘度较大的流体走壳程。冷却稀盐水与牛奶在设计的换热器中进行热交换，牛奶由初温140降温至76，再由76冷却到20。冷却稀盐水由初温10升温至17。2.3 设计标准（1）JB1145-73列管式固定管板热交换器；（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）JBT4715-1992固定管板式换热器型式与基本参数（4）中华人民共和国国家标准 GB16749-1997 压力容器波形膨
8、胀节（5）HGT20701.8-2000容器、换热器专业设备简图设计规定三、 设计条件及主要物性参数表 3.1 确定设计方案3.1.1 选择换热器类型牛奶冷却用很稀的盐水，牛奶由140冷却到76，再由76冷却到20。管子和壳体会产生很大的温差压力，所以应选择具有温差补偿的换热器，最常用的是浮头式和U型管式。由于U型换热器，管子有弯曲半径，管间距增大，管板利用率较低，并且壳程内流体流动不均匀，影响传热，拆洗更换不容易，所以选用浮头式换热器。3.1.2 材质选择及流速的确定循环冷却水易结垢，循环冷却盐水的推荐流速大于牛奶的推荐流速，故选择循环冷却盐水为管程流体，牛奶为壳程流体。根据流体在直管内常见
9、适宜流速（表1），管内循环冷却水的流速初选为u=1.0m/s,管子选用252.5mm的碳钢换热管（换热管标准：GB8163）。循环水新鲜水一般液体易结垢液体气体管程流速（m/s）1.02.00.81.50.531.0530壳程流速（m/s）0.51.50.51.50.21.50.521.5表13.1.3 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。3.2 确定物性参数定性温度：可取流体进口温度的平均值壳程牛奶定性温度：管程
10、稀盐水定性温度：根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。牛奶在48定性温度下的有关物性数据如下:物性密度o（kg/m3）比热容Cpo(kJ/(kgK)粘度o(Pas)传热系数o(W/(m2K)牛奶10353.7650.00210.69稀盐水在13.5定性温度下的有关物性数据如下：物性密度i（kg/m3）比热容Cpi(kJ/(kgK)粘度i(Pas)传热系数i(W/(m2K)稀盐水999.44.1890.00120.579四、 工艺设计计算 4.1 估算传热面积4.1.1 计算热流量考虑到员工的轮班与休息，一天实际工作12个小时。牛奶流量： 4.1.2 平均传热温差按单壳程多管程进行
11、计算，对逆流传热温度差进行校正根据化工原理1（上） P213，公式（4-45）得逆流传热温差为76=168.8K20=68K17=62.6K10=50K4.1.3 稀盐水用量稀盐水流量：4.1.4 传热面积A的确定由查得稀盐水与牛奶之间的传热系数在233582W/(m2.K)，初步设定K=250W/(m2.K)。4.2 主要工艺尺寸的确定4.2.1 管径和管内流速我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径壁厚，常用的换热管的规格：192 mm、252 mm、252.5 mm。选用252.5传热管(碳钢管)，管内径di=0.025-0.00252=0.02mm，取管内流速= 1m/s4.2.2管
12、程数和传热管数 根据化工原理课程设计7P62，公式3-9可依据传热内径和流速确定单程传热管数 按单管程计算，所需的传热管长度为 L按单程计算的管子长度，m；d0管子外径m；管子的选择要考虑清洗工作的方便及合理使用管材，同时还应考虑管长与管径的配合。国内管材生产规格，长度一般为：1.5，2，2.5，3，4.5，5，6，7.5，9，12等。换热器的换热管长度与壳径之比一般在610。按单管程设计，传热管过长，现取传热管长l=6，则该换热器管程数为 热管总根数 4.2.3传热管的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。其中，每程内的正三角形排列，其优点为管板强度
13、高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。由化工过程及设备课程设计图3-13取管心距t=1.25d（为管子外径），则t=1.2525=31.2532(mm)。由化工原理2（上）P282，公式（4-119），得横过管束中心线的管数为 由化工单元过程及设备课程设计P67页，公式（3-16），隔板中心到离其最近一排中心距离，取各程相邻管的管心距为44mm。其前后箱中隔板设置和介质的流通顺序按化工过程及设备课程设计图3-14选取。4.2.4壳体内径采用2管程结构，由化工单元过程及设备课程设计可查管板利用率，取管板利用率 =0.8，得壳体内径为：的取
14、值范围如下：正三角形排列 ，2管程，=0.70.85 ，4管程以上，=0.60.8 。计算的到的壳体直径应按换热器的系列标准进行圆整。壳体直径经常用的标准有159mm、273mm、400mm、500mm、600mm、800mm等。根据以上标准可取D=400mm。4.2.5 折流板列管式换热器的壳程流体流通面积比管程流通截面积大，在壳程流体属对流传热条件时，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需设置折流板。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折流板间距，在阻力允许的条件下尽可能小，允许的折流板最小间距为壳体内径的20%或50mm（取两者
15、中的较大值）。因此取折流板间距 B=0.4D，则B=0.4400=160mm 取板间距B=200mm折流板数 4.2.6 接管 壳程流体进出口接管：取接管内牛奶流速为 u1.0 m/s，则接管内径为 d=0.038m经圆整采用45mm3.5mm 热轧无缝钢管(GB8163-87)，取标准管径为45mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.0 m/s，则接管内径为d=0.103m 经圆整采用121mm9mm 热轧无缝钢管(GB8163-87)，取标准管径为121mm。4.3 换热器主要传热参数核算4.3.1 热流量核算4.3.1.1 壳程对流传热系数雷诺系数计算得： 由化工原理课程设计
16、参考资料P68，公式（2-27）得： 其中：取壳程流通截面积A0，由化工原理（上）P253，公式（4-80），得： 壳程流体流速为： 普兰特准数： 4.3.1.2 管程对流传热系数由化工原理（上）P248，公式（4-70a），水在管程中是被加热，所以公式中的n=0.4，得 其中：管程流通截面积 管程流体流速以及其雷诺数分别为 普朗特准数 故管程对流换热系数 4.3.1.3 污垢热阻和管壁热阻查阅化工原理（上）P354，附录20，得牛奶侧的热阻 Rso=0.000172m2o C/w循环水侧的热阻 Rsi=0.00058 m2oC/w钢的导热系数为 =45 W/(mK)=219.5 W/（m）4
17、.3.1.4 传热系数K根据化工原理2（上）P227，公式（4-41） 解得K=425.7 W/(m2.OC)传热面积所选用的换热器的实际传热面积 m24.3.1.5 传热面积裕度换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。4.3.2 壁温核算 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10，出口温度为17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。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
18、为零计算传热管壁温。于是有:，式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为:0.417+0.610=12.80.5（76+20）=486454.4844.8 传热管平均壁温为壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=48。壳体壁温和传热管壁温之差为 50。该温差正好.4.3.3 换热器内流体的流动阻力（压强降）4.3.3.1 管程流动阻力根据化工原理3（上）P284，公式（4-121）得 pi（p1+p2）Ft Ns Np其中：Pi管程总压力降, Pa；P1 、P2 分别为单程直管阻力与局部阻力, Pa；Ft污垢校正系数,对于25mm2.5mm 管子,取Ft = 1.4；对于 19mm2m
19、m 管子, 取Ft = 1.5；这里取Ft = 1.4；Ns壳程数，Ns=1；Np 管程数， Np=2其中流体流过直管段由于摩擦所引起的压力降可由下式计算: 流体流过回弯管(进、出口阻力忽略不计)因摩擦所引起的压力降可由下式计算: 式中：摩擦阻力系数; l传热管长度, m;di 传热管内径, m;ui 管内流速, m/s;流体密度, kg m3 。由=32647.1 500 时, f0 = 5.0 ;其中, Re= ( deu)/ 。nc横过管束中心线的管数,管子按正三角形排列: nc = 1.1;管子按正方形排列: nc = 1.19 ;u0 壳程流体横过管束的最小流速, m /s , Vs
20、壳程流体的体积流量, m3 s。根据管子排列方法（这里是正三角形），取F=0.5Reo=673.24 f0=5.0Re0=1.13 B=200mm D=400mm =1035kg/m3 u0=0.0683m/s总压强降： 符合设计要求。五、 辅助设备的计算及选型 序号名 称型 号数量主 要 性 能 参 数外形尺寸长*宽*高mm 1储存罐Comprocess公司CNC型1储罐容量：1000L50000L所需功率：2KW 3000300040002清洗槽Q-1021超声波清洗465952953巴氏杀菌机上海锐元机械设备有限公司RY-BS1占地面积：23 m2杀菌温度：65-99设备材质：罐体为优质
21、SUS304/316L 2B1700120019004高压均质机ER2000/101输出转速：4200rmp标准线速度：23m/s马达功率：15KW进出口尺寸：DN50 / DN505红外线电脑超高温瞬时杀菌机DHLX-HCSM1生产能力：1000Kg/h灭菌温度：100150灭菌时间：35s出液温度：30503400105018506脱气机CRT1功率：8KW电压：220V/380V190140567包装机天津星火灌装机械有限公司1生产效率：35004000袋/h电压：220V功率：1.5KW灌装容量：100500ml/袋7507501750六、 设计结果汇总表 换热器主要结构尺寸和计算结果
22、见下表：换热器型式：浮头式列式换热器换热器面积（）：19.18工艺参数名称管程壳程物料名称稀盐水牛奶操作温度，10/1776/20流量，kg/s8.321.16流体密度，kg/999.41035流速，m/s1.00.0683传热量，kw244.03总传热系数，w/425.7对流传热系数，w/6454.4844.8污垢系数，k/w0.000580.000176阻力降，Pa16789.92665.045程数21使用材料碳钢碳钢管子规格.5管数 54管长，mm6000管间距，mm32排列方式正三角形折流挡板型式上下间距，mm200切口高度225mm壳体内径，mm400保温层厚度，mm壳程流体进出口接
23、管45mm3.5mm管程流体进出口接管接管121mm9mm传热面积25.434m2面积富裕度22.51%七、 设计评述 食工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培养学生独立工作能力的重要作用。这次化工原理课程设计是以小组为单位，然后组员各自进行相应的确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。 在换热器的设计过程中,我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点： 在计算方面，这是设计第一阶段的主要任务，数据计算的准确性直接影
24、响到后面的各阶段，这就需要我们具有极大的耐心。从拿到原始设计数据到确定最终参数，持续了将近一周，确定需要求的参数，查质料找公式，标准值等，一步一步计算。 在查找资料方面，通过本次设计，我学会了根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，以及如何计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。通过课程设计可以巩固对主体设备图的了解，以及学习到工艺流程图的制法。对化工原理设计的有关步骤及相关内容有一定的了解。通过本次设计熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解。在设计的过程培养了大胆假设，小心求证的学习态度。 耐心、细心、决心是本次
25、课程设计最大的感受。八、 参考资料 1 陈敏恒 化工原理（上下册）（第二版）M. 北京：化学工业出版社 2000.2换热器兰州石油机械研究所主编，烃加工出版社,1986.3化工基础实验福建师范大学化学与材料学院编，2010.4化工原理夏清 陈常贵 主编，姚玉英 主审，天津大学出版社,2005.5化工设备机械基础董大勤编，化学工业出版社（2006）6化工设备机械基础第三册，化工设备机械基础编写组编，石油化学工业出版社,1978.7化工原理课程设计贾绍义编，天津大学出版社，2002。8化工单元过程及设备课程设计 匡国柱，北京，化学工业出版社,2002.9常用化工单元设备设计李功样 陈兰英 崔英德 编，华南理工大学出版社,2003.九、 主要符号说明 密度，/； 比热容，(kJ/(kgK)；粘度，Pas； 导热系数，W/(mK)；质量流量，/s； Q热流量，kW；A传热面积，m； K总传热系数，W/（mK）u馆内流体流速，m/s； 传热管内径，m；单程管子数目； V管程流体的体积流量，；L选取的每程管子长度，m； 管程数；换热器的总管数； 横过管束中心线的管数；管板利用率； D壳体内径，mm；h折流板切去的圆缺高度； 折流板数；对流传热系数，； Re雷诺准数；Pr普兰特准数； R热阻，/W； S传热面积，； H传热面积裕度；P压力，Pa； Ft污垢校正系数；
