蒸发水量3500kgh鲜牛奶三效错流浓缩系统设计

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摘要

三效蒸发应用于许多领域，像废水处理，食品生产，溶液结晶；而现在由于倡导节能，对于三效蒸发节能方向一直都在不断改进，同时也提高其经济效益。因此，选择此课题希望能进一步改进三效蒸发的工作效率，是企业能够得到更多收益。许多成熟的技术已被应用到实际工业生产中，像生产奶粉过程中，三效蒸发是主要的生产工序；化工厂萃取己内酰胺水溶液浓缩采用在真空条件下逆流进料的三效蒸发方式，经过一次闪蒸，根据不同浓度梯度合理利用能量，将来自萃取单元30-50%的己内酰胺水溶液浓缩至75%左右，可见其在实际生产中的重要应用，因此对三效蒸发的研究对国家化工领域起着极其重要的作用。本课题主要是研究三效错流浓缩系统在处理鲜牛奶上的应用。蒸发系统不仅要满足设计任务要求，而且从结构的安全性方面，必须充分考虑机械性能，同时要求结构简单，制造和操作维修方便，根据设计任务书所给出的鲜奶处理量及其浓度、物性特点，同时从节能角度出发，综合考虑技术与经济方面的因素，本设计采用了三效降膜并流蒸发系统。确定设备各个进出口的温度后，对各效进行了物料和热量衡算，从而进行了设备的计算与选型。其中包括：蒸发罐的管数和排管、预热盘管的圈数、筒体壁厚、封头，分离器的直径和高度、矩形通道、预热器、冷凝器、热压泵、离心泵等的计算和选型。

关键词：蒸发；错流；鲜奶；节能

I

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Abstract

Three effect evaporator used in many fields, such as waste water treatment, food production, solution crystallization; And now because advocating energy saving, energy-saving effect evaporation for the three have been in the direction of continuous improvement, while also improving its economic efficiency. Therefore, the choice of this topic hope to further improve the work efficiency of three-effect evaporation, the enterprise can get more revenue. Many mature technology has been applied to actual industrial production, such as milk production process, three-evaporation is the main production processes; chemical extraction aqueous caprolactam concentrate under vacuum using a feed of the three counter-effect evaporation method, after a flash, depending on the concentration gradient of the rational use of energy, from extraction unit 30-50% caprolactam solution was concentrated to about 75%, seen in the actual production of important applications, so the three-effect evaporation studies from the national chemical industry an extremely important role. The main subject is the study of three-way cross-flow concentration system in dealing with the application of fresh milk. Evaporation system designed not only to meet mission requirements, but also from the structural safety, must fully consider the mechanical properties, while requiring a simple structure, manufacture, and operation and maintenance, according to the design task book given milk processing capacity of its concentration, physical characteristics, but from the energy point of view, considering the technical and economic aspects, the design uses a three-effect falling film evaporation system and flow. Determine the temperature of the device after each import and export of materials and the efficient conduct of the heat balance, thereby performing the calculation and selection of equipment. These include: evaporation tank and the exhaust pipe number of tubes, the number of turns of the coil preheating, cylinder wall, head, diameter and height of the separator, rectangular channel, heater, condenser, hot pump, centrifugal the calculation and selection of pumps.

Keywords: evaporation; crossflow; milk; ener

II

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目录

摘要 ........................................................................................................................................ I Abstract ............................................................................................................................... II

第1章 绪论 ......................................................................................................................... 1

1.1 乳品行业的发展现状 ............................................................................................. 1 1.2 设备的选择和设计 ................................................................................................. 2

1.2.1设备生产工艺要求 ........................................................................................ 2 1.2.2设备材料要求 ................................................................................................ 2

第2章 技术经济基础 ......................................................................................................... 3

2.1 设备自身因素的影响 ............................................................................................. 3 2.2 外界因素的影响 ..................................................................................................... 3 第3章 专题设计与论证 ..................................................................................................... 4

3.1 设计论述 ................................................................................................................. 4 3.2 改造思路 ................................................................................................................. 4 3.3 蒸发器选型论述 ..................................................................................................... 4 3.4 流程论述 ................................................................................................................. 5 3.5 重点设备的选择 ..................................................................................................... 5 第4章 设计计算 ................................................................................................................. 7

4.1 物料衡算 ................................................................................................................. 7 4.2 热量衡算 ................................................................................................................. 7

4.2.1热压泵的喷射系数 ........................................................................................ 7 4.2.2杀菌器的热量衡算 ........................................................................................ 9 4.2.3一效蒸发罐的热量衡算 .............................................................................. 10 4.2.4效间加热器热量衡算 .................................................................................. 11 4.2.5三效蒸发罐的热量衡算 .............................................................................. 12 4.2.6二效蒸发罐的热量衡算 .............................................................................. 13 4.2.7总热量衡算 .................................................................................................. 14 4.3 蒸发罐设计计算 ................................................................................................... 15

4.3.1 传热量的计算 ............................................................................................. 15 4.3.2 各效蒸发罐设计 ......................................................................................... 16 4.3.3 各效预热盘管的设计计算 ......................................................................... 19 4.3.4 分离器直径和高度的设计 ......................................................................... 26 4.4 杀菌器计算 ........................................................................................................... 27 4.5 保温管的设计 ....................................................................................................... 29 4.6 热能压缩泵的设计 ............................................................................................... 30

4.6.1拉伐尔喷嘴的计算 ...................................................................................... 30 4.6.2泵体的基本尺寸 .......................................................................................... 32 4.6.3扩压室的设计计算 ...................................................................................... 34 4.7 预热器的设计 ....................................................................................................... 34 4.8 管路设计计算 ....................................................................................................... 35

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4.8.1蒸汽矩形管道设计 ...................................................................................... 35 4.8.2汁汽管设计 .................................................................................................. 36 4.8.3物料管设计 .................................................................................................. 37 4.9 混合冷凝器的设计 ............................................................................................... 38

4.9.1冷凝器计算 .................................................................................................. 38 4.9.2多孔淋水板的设计 ...................................................................................... 40 4.10 真空泵的设计与选择 ......................................................................................... 42

4.10.1总不凝气量Ga ........................................................................................... 42

4.10.2真空泵的排气体积 V ............................................................................. 42 4.10.3真空泵的选择与确定 ................................................................................ 43 4.10.4输送泵的选择 ............................................................................................ 43 4.11 CIP局部清洗系统 ............................................................................................... 43 第5章 安装前的准备要求与安装注意事项 ................................................................... 45 结论 ..................................................................................................................................... 46 参考文献 ............................................................................................................................. 47 致 谢 ................................................................................................................................. 48

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第1章 绪论

1.1 乳品行业的发展现状

一、乳品行业的发展现状

乳品的生产和销售取得了较好的业二、绩，并且液体乳生产大幅度增长，整个行业经济效益明显提高。2004年完成产品销售收入663．3亿元，利润总额33.8亿元。 乳制品生产技术和设备更新加快。主要包括砖型纸盒包装超高温灭菌奶生产线、塑料袋奶生产线、屋型纸盒包装杀菌奶灌装设备等，使我国乳品行业技术、设备陈旧的状况得到有效改变。

乳制品市场竞争激烈。我国乳品行业尚属于幼稚型行业，其规模、技术、产品质量方面同发达国家存在较大差距。而人世以后，许多外国的乳品品牌打人中国市场，如达能、帕玛拉特、雀巢等，给国内乳品企业造成很大冲击。另外，国内各品牌也将进行着面对面的竞争与交锋。

大型企业发展迅速，奶制品企业兼并、整合的速度加快，集中度在提高。一些乳品加工企业通过股份制改造和强强联合等整合方式形成了一批有实力的奶业集团，众多中小乳品企业与实力较强的企业联合或并人大型乳品企业、企业集团。 二、乳制品生产存在的主要问题

原料奶、乳制品质量参差不齐。我国目前80％是手工挤奶，且日益增多的个体户不注意奶牛疫病防治，原奶细菌超标、抗生素含量过高等问题突出，严重制约着乳制品质量的提高。即使在原料奶主产区采用机械挤奶设备，但仍然存在管理水平低、设备不能及时保洁等问题。我国原料奶生产卫生条件差、细菌数量偏高、杂质较多。国家颁布的质量卫生标准大多数是十几年前制定的，且分别隶属于不同部门，涉及指标少，检测方法落后，远远落后于当前食品安全的要求。

企业规模小、设备制造技术落后。我国乳制品工业发展时间短，真正的发展仅20年历史，经济实力、技术装备水平、企业规模均不能同发达国家相比。我国乳业装备整体水平同世界先进国家相比大约还有20年差距。目前，乳品机械进口量占到50％，国内乳品机械三化程度低、配套性差，尤其是通用关键机械上，离心机及乳品分离机械与国外差距大，品种少，性能差。

产品结构不够合理，乳品品种少。目前，我国乳品虽已有较快发展，但与国外相比，在风味、品质、品种上差距比较大，据统计，发达国家2001酸乳上市的新品种有900多种，欧洲开发的乳制品品种占世界乳制品新品种的72％。而我国品种少，乳品产量中奶粉产量占70％，奶油的产量很小。液体奶消费仅局限于大中城市．产量也很小，在液体奶品中，巴氏杀菌奶约占53．1％，保鲜奶约占29．9％，酸奶约占17％。而干酪这样的产品在国外都属大宗产品，在国内基本没有生产，尤其是深加工、高科技和高附加值的产品更少，不能满足市场需求。

1

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1.2 设备的选择和设计

1.2.1设备生产工艺要求

1.设备的生产能力符合生产规模要求；效率高、运转稳定，保证在一定时间内处理当日收进的全部原乳；

2.采用这些设备上产出来的成品或半成品，符合产品质量要求，性能稳定，安全卫生；

3.具有合理的技术经济指标，生产成本低，单耗少，劳动上产率高，设备价格合理；

4.坚固耐用，易于清洗检修，运转安全可靠，操作方便，占地面积小。

1.2.2设备材料要求

接触原乳，在制品和制成品的材料需要具有耐腐蚀的性能并符合食品安全卫生的要求，一般采用不锈钢、铝材、玻璃和无毒性橡胶、工程塑料等关于这些材料的性能数据可在有关手册中查到。

选择制造设备的材料必须了解材料的机械性能，化学性质和加工工艺，同时考虑到材料的来源、价格和取得这些材料的可能性。

在食品加工过程中为了防止加工设备的材料对食品的污染，必须选择一种特殊的材料，制造乳品加工设备的材料最常用的就是不锈钢。

不锈钢一般是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢是指耐大气、蒸汽和水耐酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。

2

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第2章 技术经济基础

在实际生产中，要综合考虑各种因素和问题，在满足技术经济基础之上，使设计具备一定的可实施性，经济性，从而促进生产的发展，提高生产技术水平，创造更大的价值，由此对该设计进行技术经济分析。

2.1 设备自身因素的影响

衡量蒸发装置性能有两大经济指标：加热蒸汽的经济程度和蒸发设备的生产强度，即蒸发强度。提高蒸发效率，必须提高总传热系数或增大温差。增大温差是提高蒸发强度的有力措施。通常可采用如下方法来提高蒸发强度。

1.提高加热蒸汽的压力。增大首罐的蒸汽压力，对提高蒸发强度有很大作用，可提高汁汽温度充分利用汁汽。但蒸汽压力不能太高以免破坏奶的成分；

2.提高末效真空度。冷凝器真空度低，导致末效沸点较高，总温差小，蒸发水量因而减少；

3.减少各效温度差损失。首先减少沸点升高，降低循环次数。本次设计原料液进行单循环膜式蒸发，减少沸点升高。其次是静压效应，这可通过降低液面来减少，对液面的控制应以沸腾后盖过汽鼓的最低液面为原则。再次是导管中的温度差损失。应充分考虑减少蒸汽阻力，而操作管理和维修中也要注意清洗；

4.提高传热系数。本次设计任务中确定了传热系数，但影响传热系数的因素如流速，流动阻力等问题也要同时考虑到。

2.2 外界因素的影响

除设备自身外，其它外界因素对经济技术基础也有一定的影响。如原料来源的确定、建厂地址的选择、交通运输等方面。

1.奶源与厂址的确定。乳制品的原料为鲜奶，奶源的多少决定厂址的选择和工厂规模的大小。乳品厂的厂址应选择在奶源集中的地区，应考虑到产奶点的密集程度，收奶方式，鲜奶的保藏等根据原料的选择，依据国家基本建设的总方针正确的选择厂址。

2.交通运输。乳制品业的运输量最大处是原料乳，燃料产品乳及辅助材料，为了节约能源消耗，工厂必须设置在交通方便之处。

3.水源及水质。乳制品业必须有足够的供水，以保证它的生产和生活用水，对于有自来水网的城市，乳品厂使用现成的供水是较方便的。与此同时因地下水温度低，而且水质一般都可以达到饮用水标准，因此也被乳品厂广泛采用，可以使乳品厂在使用自来水同时还用地下水供给制冷设备。

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第3章 专题设计与论证

3.1 设计论述

本设计为热压泵的三效错流浓缩系统。处理量：3500kg/h。干物质量由12％浓缩到48％。本设计采用较为先进的理论与技术，完成液浓度基本恒定。且设置热能压缩器抽取一效汁汽进行压缩使其升温升压后，再次送入一效蒸发罐作为加热蒸汽作用。

牛乳由蒸发器顶部经布液装置均匀分配于各效蒸发罐内，在重力和真空的作用下，沿着蒸发罐内壁进行热交换，使水分蒸发，由于产生的二次蒸汽流向与料液的流向一致从而促进液膜的形成和均匀分布，增大液膜向下的运动速度，提高传热系数加速了蒸发过程。

第一效产生的二次蒸汽初步分引入第三效蒸发器作为第三效蒸发水分的热源外，其余部分热压泵增压后再作为第一效的热源，第三效产生的二次蒸汽引入第二效蒸发器作为第二效政法水分的热源，第二效产生的二次蒸汽则导入冷凝器后由排液泵排出。

全套设计包括第一、二、三效蒸发器，第一、二、三、旋流分离器，混合式冷凝器，热压泵，物料泵以及水环式真空泵等部分。

3.2 改造思路

由于研究过程中采用降膜蒸发器，必要遇到均匀成膜的问题，蒸发器操作的关键在于料液的分配均匀，料液膜是否均匀连续。为使料液能均匀进入每根管并形成连续均匀成膜，最好是每根换热管的上端设置一个分配头的结构，若采用分配板分配，其分布孔与管子间距最好相同，呈等距不止方式，使分布孔与管子中心错开，避免料液落在空孔中自由落下，达不到成膜的目的，同事要求每根换热管的上端口出再同一水平位置上。热能压缩器的选择也很重要，他是把处于低温位的热能输送之高温位的机械。但由于能量相同、形式不同的能再品位上，即能量转化能力上是不等价的，电能、机械能可以全部转化为热能，而热能不可能全部转化为电能或机械能，热能的温度愈接近环境温度，其转化能力愈低。因此对于压缩器的工作原理、设计计算、噪音消除等方面要仔细研究，打到最好的节能效果。

3.3 蒸发器选型论述

在乳品工业生产中，选用先进合理的蒸发器设备，对于提高产品质量，增加产量，降低生产和维护费用，提高市场竞争力和经济效益，促进乳品工业的发展与技术进步

4

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很有意义。在液体奶方面，选择无菌灌装设备和工艺显得尤为突出，但也存在配套设备选型降低操作费用的问题。鲜奶的蒸发过程中需要大量的热量，采用多效蒸发可以提高蒸汽的利用率。热泵在降膜蒸发器中的应用采用机热压缩式热泵压缩装置可为离心式和容积式压缩机。压缩温差较大，一般在11℃左右，这就限制采用机械压缩式热泵的效数一般最多不超过三效，对沸点升高较高的溶液蒸发时又受到限制，而且结构复杂，造价高，维护费用高，耗电量大，因此机械压缩式热泵应用很少。采用蒸汽喷射式热泵蒸汽喷射式热泵形似文吐里管，无传动装置，构造较简单，应用较多。带热泵与不带热泵相比，可相当于增加一效。所以选用三效错流蒸发系统[2]。

3.4 流程论述

首先，要对原料鲜乳进行预热处理。流程为：原料乳→粗滤→称量纪录→离心净乳→冷却（5℃以下）→注入储奶罐→标准化→储存或使用。然后，进入蒸发工段。在多效蒸发操作中，根据加热蒸汽与料液的流向关系，可采用多种操作方式，以适合不同料液的浓缩。本设计采用错流流程。错流加料即料液与蒸汽流向不同，料液由第一效到第三效最后到第二效。蒸汽由第一效经第二效最后到第三效。这种流程也是多效中常见的流程。料液在各效间流动时，因此，当料液自前一效进入后一效的蒸发室时，物料即自行蒸发，进而产生较多的二次蒸汽。同时，前一效中通过分离器产生的汁汽进入下一效，作为加热蒸汽，进而实现节能。

3.5 重点设备的选择

降膜蒸发器由布液装置、蒸发器体、预热器、杀菌器、热压泵及冷凝器等组成。 1.蒸发罐 蒸发罐采用降膜式蒸发罐，加热室为盘管式换热形式，本设计应力及温度差不大，不需要用不易清洗的焊接形式固定管与板管，可采用胀接形式。

2.布液装置 降膜式蒸发器中加热管内物料分布是否均匀,不但影响到设备的传热效果，蒸发能力和操作的稳定性，而且还会影响到产品的质量。因此，必须在管子顶部设置液体分布器，对液体分布器的基本要求是布液均匀，流体阻力小，结构简单，安装方便，而且不易堵塞，便于清洗。本设计中选用漩流式布液器，并在加热管上方设置两层筛板，布液堰上的筛板孔与布膜盘上的筛板孔是相互错开的，下层筛板上的孔与加热管口错开。

3.预热器 降膜蒸发器要求沸点进了，因而需对牛乳预热。各效预热温度为：牛奶经预热器由5oC预热至38oC，在三效预热盘管中由38oC预热至50oC，在二效预热盘管中由50oC预热至60oC，而在一效预热盘管中由60oC预热至70oC。为了节省蒸汽用量，各效预热盘管中所通蒸汽均为本效二次蒸气。

4.杀菌器 乳品属于食品，其生产必须保证卫生，故设备中凡与物料接触军采用不锈钢0Cr18Ni10Ti制造，对于鲜奶本身也要进行处理保证其卫生条件，所以在蒸发器操作前应对其进行杀菌处理。杀菌器应设置于一效蒸发罐前，杀菌后为保证其杀菌效果，设置一保温管，物料于杀菌器中92oC下杀菌后在保温管中保存24秒，使杀

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菌彻底，保证安全卫生生产。

杀菌器外壳采用较便宜的碳素钢制造，加热管采用一根长管在器中弯成几段，使物料在管中流动方向经一定距离即发生变化。

5.热压泵 热压泵的全称叫蒸汽喷射式热压缩泵。

它是以较高的一次蒸汽为动力，把低压二次蒸气压缩提高其温度，为一效蒸发提供热能，其效能就是回收二次蒸气，是一种节能器。它主要由蒸汽喷嘴、混合室和扩压管组成。

工作原理：压力较高的工作蒸汽，经喷嘴高速喷射出来，在喷嘴处将位能转变为动能，压力降低，速度提高，将被抽入混合室内和工作蒸汽接触，接受动能，随工作蒸汽一起进入扩散管喉部，在这里两种介质充分进行混合，并进行热量交换，然后混合液体在扩散管段内，降低速度升高压力，最后由出口排出。

蒸汽喷射器具有结构简单，制造容易，操作稳定，效率持久等优点。目前在蒸发、结晶、精镏、空调、制冷、冶金等行业中获得应用。

6.分离器 分离器全部用不锈钢制造，内外表面抛光，在上部有灯孔，下部开有视孔。由于溶液的发泡性，二次蒸气对溶液的机械破坏性和溶液的闪蒸使溶液成为雾沫状，并被二次蒸气夹带离开蒸发器。这种雾沫状的溶液于二次蒸气在分离器中进行分离，从而建设料液的损失，同时防止污染管道与其他蒸发器的加热面。分离器又称捕集器除沫器，有惯性型、离心型及表面型三大类。其原理为带有液滴的二次蒸气沿分离室的壳壁成切线方向进入，使气流产生旋转运动。液滴在离心力作用下被甩到分离器面而分离出来，二次蒸气则由顶部出口排出。

7.冷凝器 由末效蒸发罐排出的蒸汽进入冷凝器凝缩，形成真空而使这些设备获得足够低的压力和沸点，在蒸发中，还可使首效和末效之间温度差增大，提高蒸发效能。冷凝器有多种形式，从冷凝方式壳分为接触式和表面式两种。接触式是蒸汽和水直接混合，效能很高，表面式是蒸汽和冷水不接触，用金属壁分开，由此金属壁进行交换，其效能较低。接触式冷凝又分为干式和湿式，干式式不凝气和冷凝水分别排出，由干式往复式真空泵抽走。湿式式不凝气与冷凝水一起由水环式真空泵排出，或用水喷射器一起抽走，干式冷凝器的蒸汽和冷水互为逆流，而湿式多为顺流即蒸汽与水同方向流动。

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第4章 设计计算

4.1 物料衡算

总蒸发水量：

?X0W?F?1??X?1?0.12????F??1???3500Kg/h?0.48???

解得：F式中：

X0?4666.7Kg/h

—— 鲜奶入料浓度，12％

X1—— 鲜奶出料浓度，48%

—— 原料液流量(Kg/h)

W —— 总蒸发量(Kg/h)

总蒸发量W应等于各效蒸发量总和：

F W?W1?W2?W3

式中：

W1 —— 一效蒸发量(Kg/h)

W2 —— 二效蒸发量(Kg/h) W3

—— 三效蒸发量(Kg/h)

4.2 热量衡算

4.2.1热压泵的喷射系数

被吸入的低压蒸汽与高压引射蒸汽的质量比

??GZG 式中：GZ--低压汁气，kg/h

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G --高压引射蒸汽kg/h 计算热压泵喷射系数?:

??0.85h1h2?1

式中:

h1 —— 高压引射蒸汽与其绝压绝热膨胀到吸入低压汁汽压力时的焓值差 h2—— 低压吸入汁汽由其绝压绝热浓缩到混合蒸汽的绝压时的焓值差

查焓熵图得：

h1?142，h2?22

则 ：??0.85h12h?1?0.8514222?1?1.16

?'?0.95??1.10

??D1?Gz?G??? D1??G???G(1??)?2.1G

?Gz????G?? 所以：G?12.1D1?0.47D1

Gz??G?1.1?0.47D1?0.52D1

?W1?Gz?D2?0.47D?1?D2??W2?D?3? ??W?W?W?4666.7?0.47D?31?W21?D2?D3?式中:

D0 —— 进入杀菌器的蒸汽量（Kg/h）

D1 —— 进入一效蒸发罐的蒸汽量（Kg/h）

D2 —— 进入二效蒸发罐的蒸汽量（Kg/h） D3 —— 进入三效蒸发罐的蒸汽量（Kg/h）

G —— 高压引射蒸汽量 （Kg/h）

8

1）（ 齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

Gz —— 低压汁汽量 （Kg/h）

温度（℃） 5 35 44 45 55 57 65 70 83 92 105

各温度下蒸汽和液体焓值 液焓h（kJ/kg） 汽焓H（kJ/kg） 20.94 2500.80 146.54 2559.00 184.22 2576.00 188.41 2577.80 230.27 2596.70 238.65 2600.54 272.14 2615.50 293.08 2624.30 347.50 2647.60 385.19 2663.40 440.03 2685.00 4.2.2杀菌器的热量衡算

杀菌器用汽量经传热后，全部冷凝为同温度下的水，其排入一效蒸发罐以利用部

分余热[1]。

对杀菌器进行热量衡算：

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Fh65D0H105D0h105Fh92

输入系统的能量=输出系统的能量：

D0(H105?h105)?F(h92?h65)

代入数值得：

D0?F(h92?h65)H105?h105?4666.7(385.19?272014)2685?440.03

解得：D0?235Kg/h

4.2.3一效蒸发罐的热量衡算

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Fh920.03D1H83Fh70D1H83Fh60D0h1050.02D1H83(D0+D1)h83W1H70(F-W1)h70Fh92+Fh60+D1H83+D0h105=(F-W1)h70+W1H70+Fh70+(D0+D1)h83+0.05D1H83

代入数值得：

4666.7(385.19?251.21)?2647.60D1?340.88?235?(4666.7?0.47D1?D2)?293.08?(0.47D1?D2)?2624.30

?4666.7?293.08?347.5(235?D1)?0.05?2647.60整理得：

D1?2.17D2?217 4.2.4效间加热器热量衡算

11

2）

（

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(F-W-W3)h65DsH105Dsh105(F-W1-W3)h44输入系统的能量=输出系统的能量：

Ds(H105?h105)?（F?W1?W3）(h60?h44)

代入数值得：

D0?h44)251.21?186s?(F?W1?W3)(h6H?(4666.7?3500?D3)105?h1052685?440.03解得：Ds?0.03(1166.7?D3) 4.2.5三效蒸发罐的热量衡算

12

3）

（

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(F-W1)h700.03D3H57Fh50D3H57Fh38(D0+D1+D2+Ds)h700.02D3H57(D0+D1+D2+D3+Ds)h57W3H44(F-W1-W3)h44

(F-W1)h70+Fh38+D3H57+(D0+D1+D2+Ds)h70=Fh50+(F-W1-W3)h44+W3H44+(D0+D1+D2+D3+Ds)h57+0.05D

3H57代入数值得：

(4666.7?0.47D1?D2)293.08?4666.7?154?2600D3?(235?D1?D2?Ds)293.08?4666.7?209?(4666.7?3500?D3)?186?（3500?0.47D1?D2?D3）?2575?（235?D1?D2?D3?Ds）?238?0.05?2600D3整理得：

D3?1754?0.24D1?0.51D2?0.012Ds 4.2.6二效蒸发罐的热量衡算

13

4）

（

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

(F-W1-W3)h600.03D2H70Fh60D2H70Fh50(D0+D1)h83+Dsh1050.02D2H70(D0+D1+D2)h70+Dsh70W2H57(F-W1-W3-W2)h57(F-W1-W3)h60+D2H70+(D0+D1)h83+Dsh105+Fh50=Fh60+(F-W1-W3-W2)h57+W2H57+(D0+D1+D2)h70+Dsh70+0.05D2H70代入数值得：

(4666.7?3500?D3)?251?2624D2?(235?D1)?347?440Ds?4666.7?209?4666.7?251?(4666.7?3500)?238?2600D3?(235?D1?D2)293.08

?293.08Ds?0.05?2624D2整理得：

D2?76.4?0.025D1?1.07D3?0.07Ds 4.2.7总热量衡算

由（1）、（2）、（3）、(4)、(5)五个方程联立得

D1?1841Kg/h D2?948Kg/h D3?865Kg/h

Ds?61Kg/h

W1?1813.27Kg/h

14

5）

（

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

W2?865Kg/h

W3?821.73Kg/h Gz?0.53D1?975.73Kg/hG?0.47D1?865.27Kg/h

符合要求

则 W1:W2:W3?2.09:1:0.954.3 蒸发罐设计计算

4.3.1 传热量的计算

各效传热量为：

Q1?W1??70?1813.27?2331?1172.1KWQ2?W2??57?865?2361?567.3KW

Q1?W1??44?821.73?2390?545.5KW各效传热系数：

K1?1.4KW/(m??C)

2K2?1.3KW/(m??C)

2K3?1.2KW/(m??C)

2各效温差均为：?t?13?C 则各效换热面积为：

A1?Q1K1?tQ2K2?tQ3K3?t?1174.11.4?13567.31.3?13545.51.2?13?64.5m2

A2???36.4m2

A3???32.3m2

15

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

4.3.2 各效蒸发罐设计

1.一效蒸发罐

传热面积A1?64.5m2，降膜蒸发器加热管长径比为125～250[3]，选用?38?1.5的

不锈钢管，管长8m。 则管数：n1?A1?d0L?64.5??0.035?8?73根

管子按正六边形排列，管子中心距为48mm。

一效蒸发罐排管示意图4－1

图4—1 一效蒸发罐排管

排列后的直径为：456.45mm

小端直径为：456.45＋35×2＝526.45mm ，圆整为550mm

大端直径为：456.45＋35×2＋2×38×1.25＝621.45mm ，圆整为650mm

2.二效蒸发罐

16

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

传热面积A2?36.4m2，降膜蒸发器加热管长径比为125～250[3]，选用?38?1.5的

不锈钢管，管长8m。 则管数：n2?A2?d0L?36.4??0.035?8?42根

管子按正六边形排列,管子中心距为50mm。

二效蒸发罐排管示意图4－2

图4—2 二效蒸发罐排管

排列后的直径为：384.41mm

小端直径为：384.41＋35×2＝454.41mm ，圆整为450mm

大端直径为：384.41＋35×2＋2×38×1.25＝544.41mm ，圆整为550mm

3.三效蒸发罐

传热面积A3?54.01m2，降膜蒸发器加热管长径比为125～250[3]，选用?38?1.5的不锈钢管，管长8m。

17

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

则管数：n3?A3?d0L?54.01??0.035?8?62根

管子按正六边形排列,管子中心距为50mm。 三效蒸发罐排管示意图4－3

图4—3 三效蒸发罐排管

排列后的直径为：338mm

小端直径为：338＋35×2＝408mm ，圆整为400mm

大端直径为：338＋35×2＋2×38×1.25＝503mm ，圆整为500mm[5]

周边流量较核： 由 T?F?d0n

则有：

T1?F1?d0n1F2?F?d0n1?4666.73.14?0.035?73?581.69?300

T2??d0n2?F?W1?d0n2?4666.7?1813.273.14?0.035?42?618.19?300

18

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

T3?F3?F?W1?W2?4666.7?1813.27?8653.14?0.035?37?489.00?300?d0n3?d0n3

因此蒸发罐不需要分程。

4.蒸发罐强度较核

(1) 临界长度计算：

假设筒体为短圆筒，蒸发罐筒体厚度为?则有：Lcr1?1.17D1?D1?5mm。

?D?1.17?0.656505?8.7m?8mLcr2?1.17D2?2?D?1.17?0.5555055005?6.75m?8m

Lcr3?1.17D3?3??1.17?0.5?5.85m?8m

故一效为短圆筒，二三效为长圆筒。

(2)壁厚较核： 筒体外径：

D01?650?2?5?660mmD02?550?2?5?560mmD03?500?2?5?510mm

5E —— 弹性模量，E则有：

Pcr1?2.2E(SD01SD02SD03?2.1?10MPa

)?2.2?2.1?10?(3556605)?0.2MPa?0.1MPa3

Pcr2?2.2E()?2.2?2.1?10?(355605510)?0.33MPa?0.1MPa3

Pcr3?2.2E()?2.2?2.1?10?(35)?0.44MPa?0.1MPa3

所以所取壁厚满足要求

4.3.3 各效预热盘管的设计计算

已知各效预热器传热系数：K盘＝1.4W/m2??c

19

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

1.一效预热盘管

传热量：

Q1?F(h70?h60)

?4666.7?(293?251.21)

?195021.4KJh?54.17KW

t出＝70℃

对数平均温差：

T1?83℃ t进＝60℃?t1?T1?t进?83?60?23℃?t2?T1?t出?83?70?13℃?tm1??t1??t2ln?t1?t2?23?13ln2313?22.624℃传热面积：

A1?Q1K?tm1?54.171.4?22.624?1.71m2

选用?32L1??1.5A1不锈钢管，则预热盘管长为：

?1.713.14?0.029?18.8m?di

20

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

一效预热盘管内径为：D1n1?L1?18.83.14?0.65?0.65m，则盘管圈数为：

?D1?10圈

高度：h1?n1?1.5d0?10?1.5?0.032?0.48m2．二效预热盘管

传热量：

Q2?F(h60?h50)

?4666.7?(251.27?209.34)

?195394.7KJh?54.3KW

对数平均温差：

T2?70℃ t进＝50℃ t出＝60℃

?t1?T2?t进?70?50?20℃?t2?T2?t出?70?60?10℃?tm2??t1??t2ln?t1?t2?20?10ln2010?14.5℃传热面积：

21

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

A2?Q2K?tm2?54.31.4?14.5?2.67m2

选用?32L2??1.5A2不锈钢管，则预热盘管长为：

?2.673.14?0.029?29.3m?di

二效预热盘管内径为：D2n2?L2?29.33.14?0.55?0.55m，则盘管圈数为：

?D2?17圈

高度：h2?n2?1.5d0?17?1.5?0.032?0.91m3.三效预热盘管

传热量：

Q3?F(h50?h38)

?4666.7?(209.34?154)?258255.18KJh?71.7KW

对数平均温差：

T3?57℃ t进＝38℃ t出＝50℃

22

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

?t1?T3?t进?57?38?19℃?t2?T3?t出?57?50?7℃?tm3??t1??t2ln?t1?t2?19?7ln197

?12.03℃传热面积：

A3?Q3K?tm3?71.71.4?12.03?4.26m2

选用?32L3??1.5A3不锈钢管，则预热盘管长为：

?4.263.14?0.029?46.8m?di

三效预热盘管内径为：D3n3?L3?46.83.14?0.5?0.5m，则盘管圈数为：

?D3?30圈

高度：h3?n3?1.5d0?30?1.5?0.032?1.44m

4.效间加热器

传热量：

Qs?(F?W1?W3)(h60?h44)

23

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

?(4666.7?1813.27?821.73)?(251.21?184.22)

?136103.6KJh?37.8KW

对数平均温差：

Ts?70℃ t进＝44℃ t出＝60℃

?t1?Ts?t进?70?44?26℃?t2?Ts?t出?70?60?10℃ ?tms??t1??t2ln?t1?t2?26?10ln2610?16.7℃

传热面积：

As?QsK?tms?37.81.4?16.7?1.6m2

选用?32Ls??1.5As不锈钢管，则预热盘管长为：

?1.63.14?0.029?17.6m?di

三效预热盘管内径为：Dsns?Ls?17.63.14?0.5?0.5m，则盘管圈数为：

?Ds?12圈

高度：hs?ns?1.5d0?12?1.5?0.032?0.576m24

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

图4－4 一效蒸发罐

25

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

4.3.4 分离器直径和高度的设计

[6]采用近似比例法，该法是根据下列公式计算分离器内径DzDVfz?0.0541R

d式中：

Vf——气体所夹带的液体量

Rd——速度比，根据经验一般取0.44

VVsf??

L??V?V式中：

Vs——操作时单位时间蒸发的二次蒸汽体积，m3s ?L——70?C时牛奶的密度，977.8Kg/m3

?V——70?C时饱和水蒸汽的密度，0.1979Kg/m3

VW1s???1813.27?2.55m30.1979?3600/s

V所以：

Vf?Vs??2.55?0.04m3/s

L??V977.8?0.1979?V0.1979DVf4z=0.0541R=0.0d0.0541′0.44=1.3m

分离器的高径比：HD?1.4 所以H=1.4Dzz=1.4?1.3

一效分离器示意图4－5

26

1.82m

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

图4－5 一效分离器

4.4 杀菌器计算

K杀＝1.4KW/m2??C T?105℃ t进＝70℃ t出＝92℃

27

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

传热量：

Q?F(h92?h70)

?4666.7?(385.19?293.08)

?429849.7KJ/h

?119.4KW

对数平均温差：

T?105℃ t进＝70℃ t出＝92℃?t1?T1?t进?105?70?35℃

?t2?T1?t出?105?92?13℃ ?tt25?13m??t1???322.2℃

ln?t1?tln35?213传热面积：

A?Q9.4K?t?113.84m2

m1.4?22.2?选用?38?1.5不锈钢管，则管长为： L?A?d?3.843.14?0.035?34.94m

取管数为7，则杀菌器的高度为：

h?34.947?4.99m

杀菌器布管示意图4－6

28

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

图4—6 杀菌器布管

确定杀菌器直径： 管间距：t管壳距：t?1.5d0?1.5?38?57mm?1.5d0?1.5?38?57mm?230mm

?5mm取杀菌器内径为：DN

壁厚：S

4.5 保温管的设计

从杀菌器出来的牛奶，温度为92?C，经保温管内保温24秒，从而达到杀菌的目的。牛奶的质量流量为4666.7kg则体积流量为：

V?Q3600??4666.73600?1.03?103h，密度为1.03?103kgm3。

?1.26?10?3m3s

取保温管的管长为8m 则牛奶流速为：

??Lt?824?0.33ms

则保温管其面积为：

29

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

Vv1.26?100.334A?3?32A???3.8?10m

根据d???4?3.8?103.14?3?69.6mm

即:保温管内径为70mm 所以：

取管子规格为?76?3的不锈钢管作保温管。

4.6 热能压缩泵的设计

热压泵如图所示

图4－7 热压泵

热压泵的喷射系数??1.16

由热量衡算和物料衡算可知，热压泵的工作蒸汽消耗量

G?865.27kgh

4.6.1拉伐尔喷嘴的计算

1.喉部直径

30

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

GP(mm)

d0?1.57式中：

GP —— 工作蒸汽量（高压引射蒸汽）（kgcm2h）

—— 工作蒸汽的绝压（kgf）

d0—— 计算到小数点后二位 1kgfcm2?0.09807MPa

cm2所以：0.8MPad0?1.57?8.1574kgf

865.278.1574?16.17mm取圆整得：d02.喉部长度

喉部长度一般取33.出口直径d1

d1?2.015?17mm

~5mm，本次设计为了降低磨损，取5mm。

G??h0(mm)

式中 ：

G—— 工作蒸汽量（高压引射蒸汽）（kgh）

） ）

33?? —— 高压引射蒸汽绝热膨胀到汁汽压力时的比容（mkgh0 —— 高压引射蒸汽绝热膨胀到汁汽压力时的焓差（Kcalkg一效汁汽温度为70?C，所以汁汽密度为：????1?10.1979?5.053m3?0.1979kgm

?kg

h0?h1?142Kcal/kg

所以：

31

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

865.27?5.053142d1?2.015?38.6mm

取圆整得：d14.入口直径

?40mm

d2?1.55d1(1??)?1.55?38.6?(1?1.16)?129.2mm

取圆整得：d25. 喷嘴长l1

?130mm

入口角度为60?，锥角取10? 喷嘴长l1：

l1?d1?d02tg50?38.66?16.170.175?128.2mm

取圆整得：l1

?130mm

4.6.2泵体的基本尺寸

1.直径d3

d3?1.6G＋GzP混

式中 ：

G——高压引射蒸汽量Kg/h

Gz—— 吸入低压汁汽量Kg/hP混—— 混合汽的背压Kgfcm2/cm2P混＝P83?0.547kgf

带入数值得：

d3?1.6G＋GzP混?1.618410.547?92.8mm

取圆整得：d3?95mm

32

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

2.混合室长度Lc

泵体混合室长度是指从喷嘴出口到泵体喉部的距离，此长度直接影响?值和混合汽的背压[5]。当L过长时射流面积增加，混合室汽量增多，容易引起汁汽倒灌入热压泵中，不能正常工作，背压不能满足要求，当L过短时，蒸汽射流短，造成混合汽量不足，影响到蒸汽量的消耗。

??0.5时 Lc1?0.37??4.4?0.09?d1?0.37?1.164.4?0.09?38.6?149.1mm

取圆整得：lc1?150mm

?d2如果泵体喉部直径d3时，即为所计算的Lc1?Lc，如果泵体的喉部直径

?d2，所以Lc?Lc1?Lc2d3?d2时，即为所计算的Lc?Lc1?Lc2d2?d32tg?，由计算结果可知d3

Lc2?

式中：

? —— 混合室锥形母线与水平线的夹角，??6?2?3?

所以：

Lc2?129.2?92.82tg3?＝347.3mm

取圆整得：Lc2

?350mm

Lc?Lc1?Lc2?150?350?500mm

喉部为圆柱形，长度为L=（4~8）d3， 取L?6d3＝6?95?570mm

3.合室入口直径d

混合室锥角为6?，其入口直径按其与拉伐尔喷嘴所构成的环形空间截面积应等于汁汽吸入管的截面积，从而使汽速变化不大，依此确定混 合室入口直径d。

d?d3?360tg6?2?92.8?18.864?111.664mm

取圆整得：d?115mm

33

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

4.6.3扩压室的设计计算

扩压角为9?，出口直径 d4按汽速为40m/s来确定

d4?18.8G混?混V混?18.8?1841?3.0440?222.4mm

式中：

V混——速度40m/s

，其值为1?10.32902?3.04m3?混——83?C时的汁汽比容?83kg

G混?D1?1841kgh

取圆整得：d4?225mm4.7 预热器的设计

K预＝1.4KW/(m??C)

2拟定将5?C的鲜奶经预热器预热至38?C，使用44?C的三效汁汽提供热源，以充分利用热能。

传热量：

Q?F(h38?h5)

?4666.7?(159.14?20.94)?644937.94KJh?179.15KW

对数平均温差：

T?44℃ t进＝5℃ t出＝38℃

?t1?T?t进?44?5?39℃?t2?T?t出?44?38?6℃

34

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

?tm??t1??t2ln?t1?t2?39?6ln396?17.6℃

传热面积：

A?QK?tm?179.151.4?17.6?7.27m2

选用?32L??1.5A不锈钢管，则预热器管长为：

7.273.14?0.032?72.35m?d?

采用双层盘管，内径取0.6m，外径取0.8m。

n(?d1??d2)?72.35m72.35

圈 所以分别取n?17n???(0.6?0.8)?16.5圈。

取预热器直径为1000mm，壁厚取为4mm。选取DN?1000mm，??4mm的标准椭圆形封头作为上下封头，其曲面高度为250mm，直边高度为25mm，封头以焊接方式与预热器的筒体连接。

取节距取为50mm，则预热器的高度为：

h?50?(17?1)?25?825mm

所以H?825?2?(250?25)?1375mm取预热器高为1400mm。

4.8 管路设计计算

4.8.1蒸汽矩形管道设计

根据实践经验，此矩形通道之高径比为2∶1最好，即：b1.一效矩形管道设计

W1?1813.27Kg/h?2a，取汽速为30ms

3?70?0.1979kgmW13600?70?

1813.27?0.085m2A1??3600?0.1979?30

35

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

则由A1?a1b1 A1?2a12 则a1?206mm b1?412mm

2.二效矩形管道设计

W2?865Kg/h

3?57?0.1146kgmW23600?57?

865?0.070m2A2??3600?0.1146?302

则由A2?a2b2 A2?2a2 则a2?187mm b2?374mm3.三效矩形管道设计

W3?821.73Kg/h

?44?0.0626kgmA3?W33600?44??3

821.73?0.122m23600?0.0626?302

则由A3?a3b3 A3?2a3 则a3?247mm b3?494mm考虑到制造方便，外形美观且使分离器达到最佳效果，故各级分离器矩形通道选取同一尺寸：a?250mm b3?500mm

4.8.2汁汽管设计

1.一效至二效汁汽管 汽速：??40ms

3蒸汽量：W1?1813.27kgh蒸汽密度：?70传热面积：

A1?W1?0.1979kgm

3600?70??1813.273600?0.1979?40?0.064m2

因此

d1?4A1?4?0.064?103.146??285mm

2.二效至三效汁汽管

36

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/70ag.html