浮头式换热器冷却牛奶设计说明书

目录

目录 -----------------------------------------1 一.课程设计任务书--------------------------2 二.设计意义 ----------------------------3 三.设计方案简介---------------------------3 1.选择换热器的类型---------------------------3 2.管程安排 ---------------------------------3 3.流向的选择 ---------------------------------4 四.主要参数说明--------------------------4

五.设计计算---------------------------6 1.确定物性数据----------------------6 2.试算和初选换热器的规格--------------------6 3.核算总传热系数------------------------8 4.核算压强降---------------------------10 5.校核传热面积 ----------------------------- 12 6.离心泵的选择 --------------------------13 7.辅助设备的计算及选型 ------------------------ 14 六.设计结果概要 ---------------------------15 七.设计总结 ------------------------------17 八.参考文献 --------------------------------17

设计时间 2012.12.17-2012.12.23

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一.课程设计任务书

1设计题目： 浮头式换热器的设计．

2设计任务：用冷盐水将高温灭菌后的牛奶冷却。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。 3 设计条件

(1) 牛奶 处理量：6200kg/小时 进口温度：60℃ 出口温度：10℃ 压强：0.7 MPa (2) 冷盐水 进口温度：0 ℃ 出口温度：10 ℃ 以上设计还要求选用一台合适的离心泵，完成相应的生产任务。管路布置如图（参考图），已知泵进口段管长L进=5米，泵出口段管长L出=15米。（均不包括局部阻力损失。局部阻力： 底阀1个， 标准90°弯头3个，球心阀1个）

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二、设计意义

换热器是各种工业部门最常见的通用热工设备，广泛应用于化工，能源，机械，交通，制冷，空调及航空航天等各个领域。换热器不仅是保证某些工艺流程和条件而广泛使用的设备，也是开发利用工业二次能源，实现余热回收和节能的主要设备。

在食品工业中的加热，冷却，蒸发和干燥等的单元操作中，经常见到食品物料与加热或冷却介质间的热交换。各种换热器的作用，工作原理，结构以及其中工作的流体类型，数量等差别很大，而换热器的工作性能的优劣直接影响着整个装置或系统综合性能的好坏，因此换热器的合理设计极其重要。

目前国内外在过程工业生产中所用的换热器设备中，管壳式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率，结构紧凑性和金属材料消耗等方面，不如其他新型换热设备，但她具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，可靠性高，选用范围广，处理能力大，能承受高温和高压等特点，所以在工程中仍得到广泛应用。

三.设计方案简介

1、选择换热器的类型

两流体温的变化情况：热流体（牛奶）进口温度 60℃ 出口温度 10℃；冷流体（冷盐水）进口温度 0℃，出口温度为 10℃，该换热器用循环冷却水冷却，因最大温差为60℃，属于高温操作，因此选择浮头式换热器。

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2、管程安排

从两物流的操作压力看，应使走牛奶壳程，冷盐水走管程，其

原因如下：

不易清洗和易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。因为冷盐水在该温度下容易结垢，所以应使冷盐水走管程，牛奶走壳程。

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。

四.主要参数说明

T---牛奶的定性温度，℃ t---冷盐水的定性温度，℃

错误！未找到引用源。---牛奶的密度，kg/m3

错误！未找到引用源。---牛奶的定压比热容，kJ/(kg·℃) 错误！未找到引用源。---牛奶的导热系数， W/(m·℃) 错误！未找到引用源。---牛奶的粘度，Pa·s 错误！未找到引用源。---冷盐水的密度，kg/m3

错误！未找到引用源。---冷盐水的定压比热容，kJ/(kg·℃) 错误！未找到引用源。---冷盐水的导热系数，W/(m·℃) 错误！未找到引用源。---冷盐水的粘度，Pa·s Q----热流量，kW

K----总传热系数，W/(㎡·℃)

?tm----进行换热的两流体之间的平均温度差，℃

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Wi----冷却水用量，kg/s Re----雷诺准数 Pr---普兰特准数

?i----管程传热系数，W/（㎡·℃） ?0----壳程传热系数，W/

Rsi----冷盐水污垢热阻，㎡·℃/W;

Rso----牛奶污垢热阻，㎡·℃/W

?----管壁的导热系数，W/（㎡·℃） ns---传热管数，（根） L---传热管长度，m NP---换热器管程数 N---传热管总根数 ?---温度校正系数 nc---横过管束中心线的管数 t---管心距，mm D---壳体内径，mm

h---弓形折流板圆缺高度，mm B---折流板间距，mm NB---折流板数 d---接管内径，mm de---当量直径，m uo---壳程流体流速，m/s ui---管程流体流速，m/s S---传热面积，m2

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Sp---换热器实际传热面积，m2 H---换热器面积裕度 ?---管程压降，Pa ?Pi ?P1---管内摩擦压降，Pa ?P2---管程的回弯压降，Pa Ns---壳程串联数

Ft---管程压降的结垢修正系数 ?---壳程压降，Pa ?P0 ?P1---流体流经管束的阻力，Pa

'?P 2---流体流过折流板缺口的阻力，Pa

'六.设计计算

1.确定物性数据

定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流

体进出口温度的平均值。

管程牛奶的定性温度为： Th=（60+10）/2=35℃ 壳程冷却水的定性温度为： Tc=(0+10) /2=5℃ 定性温度下流体的物性，见表1：

表1：定性温度下流体的物性

?（kg/m) 3Cp[kJ/(kg ·℃)] μ(Pa ?s) 4.0 4.203 2.2×10 ?3?3λ(W/m·℃) 0.52 牛奶 1030 水 999.8 1.540×10 0.5520

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2.试算和初选换热器的规格 2.1.计算热负荷和冷却水流量

热负荷量：Q=WCp(T1?T2)

=6200?4.0?103?(60-10)=1.24?106 KJ/h=344.4(KW) 冷盐水量：W=Q/Cp(t2?t1) =12400004.203(10-0)=29502.8（kg/h）

2.2计算两流体的平均温度差。暂按单壳程、多管程进行计算。

逆流时的平均温差为?tm??t1??t2(60?10)-(10-0)??24.85℃ ?t160-10lnln?t210 而，P=

t2?t110?010?==0.167

T1?t170?1060T1?t260?1050???5.0 t2?t110?010 R =

查表得：Ft=0.82所以?tm?24.85x0.82=20.377℃

2.3.初选换热器规格

根据两流体的情况，设K=500,故，

S?Q344400??33.80m2 K?tm500?20.377据此，由换热器系列标准中选定换热器，

BES500-1.6-43-4.5/25-2I型换热器.有关参数见表2

表2 换热器的相关参数

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实际传热面积：S0=n?dl=124x3.14x6x0.025=58.404(m2) 若选择该型号的换热器，则要求过程的总传热系数为 K0=

Q344400??237.298 W/(S0?tm58.404?24.85m2.℃)

3.核算总传热系数 3.1、管程的给热系数

管程流通面积Ai?di24?n??/4?0.022?124/6?0.0065(m2） NP ui?VS6200/3600??0.3(m/s) Vi0.063x1030diui?i?0.02?0.03?1030?4120(湍流)

1.54?10?3 Rei??i4.0?103?1.5?10?3?11.54 Pri?Cp ?/?i?0.52?i?0.023??id?3582.2w/m2? C?Rei?Pri0.80.3

3.2、壳程的给热系数

取管心距32mm,折流板间距B=450mm,则流体通过管间最大截

面积为

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A0?BD(1?d0/l)?0.45?1.2?(1?0.025/0.032)?0.118(m2)

u0?Vs29502.8/3600??0.07(m/s) A00.118?999.84(l2?de0??4?d0d0)24?(0.0322???4??0.025?0.0252)?0.02715

Re0?de0u0?0?0?0.02715?0.07?999.8?12338.4（湍流）

1.54?10?3Pr0?Cp?0?04.203?103?1.54?10?3??11.72

0.5520μ0?1.095。所以 μw壳程中水被加热，则

?0?0.36?0.36?(?0de0(Re0)0.55Pr(13?00.14)?w13

0.5520)?(12338.4)0.55?(11.72)?(1.095)0.14?2952.93W/(m2.℃)0.027153.3污垢热阻

查阅资料得管侧、壳侧的污垢热阻分别取 ri?0.000176m2?℃/W

r0?0.00056m2?℃/W

3.4计算总传热系数

dtdd11??r0?ri0?w?0?0k?di?wdm?idi1250.025?0.020.025?0.0225?0.00056?0.000176??/17.4?0.025/?2952.93202220?3582.2?0.001278?

【W/(m2?℃）】所以，K=782

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3.5传热面积裕度

计算传热面积Sc为

Sc?Q1344400??23.60m2 Ke?tm782?20.38该换热器的实际传热面积为

S0?n?dl?28.66m2

该换热器的面积裕度为

H?S0?SC28.66?23.60??21.4% SC23.60传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

3.6.壁温计算

tw?t??0?i(di/d0)??0(T?t)

2952.9?5??(35?5)0.023582.2?()?22952.90.025tw=8.43℃

?t?35?8.43?26.57℃

查得8.43℃下，水的粘度?w'?0.8053?10?3Pa?s

??? 对壳侧： ??????w?0.14

?1.54?10?3????0.8053?10?3????????0.140.14?1.095

?? 所以计算壳侧?时假设的????w值是正确的.

该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需选用浮头式换热器较为适宜.

4 核算压强降

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4.1.管程压强降： P?(?p??p)FN

?i12tp∵正方形45°排列，Ft=1.4 Np=6

Ai??4di2?n?124??(0.02)2??.0.006563(m2) Np46 ui?Vs62003600??0.255ms Vi0.006563?1030Rei=0.02×0.255×1030/0.0022=2388

设管壁粗糙度ε=0.15mm，则ε/di=0.2/20=0.01

查摩擦因数图,得：λ=0.042

摩檫系数λ与雷诺数Re及相应粗糙度ε/d的关系

L??i61030?0.32?0.042???584.01(pa) 所以 ?P1????d20.022?P2?3?2??i221030?0.32?3??139.05(pa)

2则：

?Pi?(?p1??p2)FtNp?6073.7pa6073.7pa?80kpa

管程流体阻力在允许范围之内。

4.2． 壳程压强降：

?P0?(?p1??p2)FsNsＦＳ=1.15, ＮＳ=１

管子正方形45°排列Ｆ＝0.4，

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?P1?Ff0nc(NB?1)??022,nc?1.19n?1?19?124?13.25?14

隔板间距B?450mm,则NB?L6?1??1?12 B0.45壳程流通面积 A0=B(D-Ncd0)=0.45×(1.2-40×0.025)=0.09?m2? V0?Re0?Vs29502.83600??0.09(ms) V0999.8?0.09?999.8?0.025?0.09?1461.0 ?31.54?10?0.228deGc?0f0?5.0?Re0?0.095

?P1?Ff0nc(NB?1)??022999.8?0.092?0.4?0.095?42?(12?1)??7114pa2

2B??2?1778.5pa ?P2?NB(3.5?)D2?P0?(?p1??p2)FsNs?(7114?1778.5)?1.15?1.089?27115.0pa?50kpa

综上，管程壳程流体阻力都在允许范围之内。

5.校核传热面积

查表,取 R

根据所选换热器,

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i?0.00021m??CW2R0?0.00018m??CW??2K计?1?685Wm2??C10.00251?0.00021??0.000176?2317451733Q9.54?105?4186.8A计???38.2m2K??tm685?3600?0.97?43.7A?NT?d0l?124?3.14?0.025?4.5?43.8m2因为 A43.8 符合要求. A38.2计??1.15所以, BES500?1.6?43?4.5/25?2I型换热器适合.

6.离心泵的选择

6.1管径初选

qm1?31.86Thr?8.85kgsqm18.85qv???3600?32m3hr?1997初取水经济流速 u?1.5msqm28.852 Al???0.0059mdl?87mm?2u997?1.5

由于87mm不是标准管径，因此确定

dl?75mm

8.85?2.0ms u ?2997?0.785?0.075

经计算知符合经济流速范围 故确定 d l ? 75 mm u ? 2 .0ms6.2 压头He

在水槽液面及压力表2处列柏努利方程,

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pap2u2?He???z??Hf?g?g2g 取

??0.15mm?/d?0.002Re?dl?u??1.7?105查图得 λ=0.025

局部阻力： 底阀1个 标准90°弯头3个 球心阀1个

流入换热器

??8.5??0.75?322??9.522???1?A1A2???1?0.075/0.5??0.96流出换热器 ??0.5?1?A2A1??0.5?1?0.0752/0.52??0.49故

???8.5?0.75?3?9.5?0.96?0.49?21.7换热器压降 ??t?3544Pa2215?53544?l?u??t??2.0Hf??????????0.025??21.7????6.2m∴ ?d0.075?2g?g??2?9.81997?9.810.2?104?9.812.02∴ He?997?9.81?8?2?9.81?6.2?16.4m查资料知,选择2B19A型水泵.

7.辅助设备的计算及选型

7.1、管箱

因为DN=1200mm≥900mm 之间，所以应选封头管箱。

7.2、封头

因为DN≥400mm，所以采用圆形封头。

7.3、旁路挡板

因为DN=1200mm，在800mm—1200mm 之间，所以旁路挡板数量选3 对。

7.4 流折板

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采用缺25%的圆缺型折流板。

nc?1.19n?1,19?1200?42

取隔板间距B=450mm

折流板数目NB?L6?1??1?12 B0.457.5、接管

① 程流体进出口接管：取接管内牛奶流速u1=2.0m/s，则接管内径为

d1?4v14?6200??0.0462m?46.2mm ?u13.14?3600?1030②壳程流体进出口接管：取接管内冷却水流速u1=1.7m/s，则接管内径为

d2?4v24?29502.8??0.077m?77mm ?u21.7?3.14?3600?10307.6、导流筒

壳程流体的进出口和管板间必须存在有一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进出壳程时必然经过这个空间。 7.7、放气孔、排气孔

换热器的壳体上常设有放气孔、排气孔，以排除不凝气体和冷凝液等。

六 设计结果概要

参数 流率 进/出口温度/OC 管程 29502.8Kg/h 0/10 壳程 6200Kg/h 60/10 第 15 页 共 18 页

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压力/KPa 物 性 定性温度/oC 密度/Kg/m3 <35 5 999.8 <80 35 1030 4.0 定压比热容/ 4.203 [kJ/(kg ·℃)] 粘度/（Pa·s） 热导率（W/m·k） 普朗特数 设 备 结 构 参 数 管目数/根 124 管长/mm 6000 形式 壳体内径/mm 管径/mm 1.54?10?3 0.5520 11.72 浮头式 124 ?25?2.5 2.2?10?3 0.52 16.92 壳程数 台数 1 1 管心距32 /mm 管子排列 正方形旋转450 折流板数12 /个 传热面积/m2 22.43 折流板间450 距/mm 管程数 主要计算结果 流速/(m/s) 表面传热系数/[ 2 管程 1.089 3556 材质 壳程 0.255 1732.5 碳钢 设计时间 2012.12.17-2012.12.23

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污垢热阻/) 热流量/W 传热温差/ 传热系数/ 裕度/% 0.000176 344400 20.38 614 21.4% 0.00056 七 设计总结

本次设计，我们通过在图书馆和网上查阅了大量的相关资料，保证了牛奶和水的参数的准确性，在设计换热器时，通过大量的讨论和计算，使设计的结果尽量完美，满足工业化的要求。同时通过这次设计,我们学会了如何更好的利用好数据，运用工程制图，计算机这些学过的课程去设计，加强了我们的动手能力，综合能力。在设计过程中，我们认真对待，全面思考和准备，尽自己最大的能力去做好这次的设计.尽管完成了任务,难免有一些不足的地方，请老师批评指正。

s参考文献

1．杨同舟. 食品工程原理. 中国农业出版社. 2001

2．蒋维钧, 戴献元. 化工原理(上、下). 清华大学出版社. 1998 3．谭天恩, 麦本熙. 化工原理(上、下). 化学工业出版社. 1990

4．李功祥, 陈兰英, 崔英德. 常用化工单元设备设计. 华南理工大学出版社. 2003

5. 汤金石. 化工过程及设备课程设计 （第2版）. 1998年5月第二版

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