食品工程原理课程设计

华中农业大学—食品工程原理课程设计

华中农业大学

HUAZHONG AGRICULTURAL UNIVERSITY

题目：食品工程原理课程设计

班级： 食工1002班 姓名： 张国秀 学号： 2010309200212 日期： 指导老师：

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列管式换热器设计任务书

一、设计题目：列管式换热器的设计 二、设计任务及操作条件

1、处理能力：6000㎏/h 2、设备形式：列管式换热器 3、操作条件

①油：进口温度140℃，出口温度40℃；

②冷却介质：循环水，进口温度30℃，出口温度40℃； ③允许压强降：不超过107 Pa； 4、确定物性数据：

定性温度:可取流体进出口温度的平均值。 壳程油品的定性温度T=（140+40）/2=90℃ 管程循环水的定性温度t=(30+40)/2=35℃

根据定性温度分别查取壳程和管程流体的有关物性数据： 油在90℃时 密 度 ρ

0=825

㎏/m3

比热容 Cp0 =2.22 kJ/(㎏·℃)

黏 度 μ 0=0.000715Pa·s 导热系数λ0=0.140 W/(m·℃) 水在35℃时 密 度 ρ

i=994

㎏/m3

比热容 Cpi=4.08 kJ/(㎏·℃)

黏 度 μi=0.000725Pa·s 导热系数λi=0.626W/(m·℃) 5、每年按330天计算，每天24小时连续运行。

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目 录

第一节 概述及设计方案简介 ……………………………………………………5

1 概述 ………………………………………………………………………………5

1.1 换热器………………………………………………………………………………5 1.2 换热器的选择 ……………………………………………………………………5 1.3 流动空间的选择……………………………………………………………………7 1.4 流速的确定…………………………………………………………………………7 1.5 材质的选择…………………………………………………………………………7 1.6 管程结构……………………………………………………………………………8 1.7 壳程结构…………………………………………………………………………………9 1.8 壳程接管……………………………………………………………………………10 2 设计方案 ……………………………………………………………………………10 3 主要符号参考说明…………………………………………………………………11

第二节 工艺计算及主体设备设计计算……………………………………………12

2.1 计算传热系数……………………………………………………………………12 2.1.1 计算管程对流传热系数…………………………………………………………12 2.1.2 计算壳程对流传热系数…………………………………………………………12 2.1.3 计算总传热系数……………………………………………………………………12

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2.2 计算传热面积………………………………………………………………………13 2.3 工艺结构尺寸的计算………………………………………………………………14 2.3.1管径和管内流速……………………………………………………………………14 2.3.2管程数和传热管数…………………………………………………………………14 2.3.3平均传热温差校正及壳数…………………………………………………………14 2.3.4传热管排列和分程方法……………………………………………………………14 2.3.5壳体内径及折流板…………………………………………………………………14 2.4 换热器核算……………………………………………………………………………15 2.4.1热量核算………………………………………………………………………………15 2.4.2 换热器内流体流动阻力……………………………………………………………16

第三节 换热器主要结构尺寸和计算结果……………………………………………18

3.1 主要结构尺寸和计算结果…………………………………………………………18 3.2设计感想…………………………………………………………………………………18 3.3参考文献…………………………………………………………………………………19

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第一节 概述及设计方案简介

1. 概述 1.1 换热器

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。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与上述情形并无本质上的差别。

在食品、化工、石油、动力、制冷等行业中广泛使用各种换热器，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要地位。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%~20%，在炼油厂约占总费用的35%~40%，随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强，换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。

随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。

换热器按用途可分为加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。 换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式，其中间壁式换热器应用最广泛。

按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翘式、管翘式等）。 1.2 换热器的选择

列管式换热器的应用已有很悠久的历史，现在，它被当作一种传统的标准换

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比热容 Cp0 =2.22 kJ/(㎏·℃)

黏 度 μ 0=0.000715Pa·s 导热系数λ0=0.140 W/(m·℃) 水在35℃时 密 度 ρ

i=994

㎏/m3

比热容 Cpi=4.08 kJ/(㎏·℃)

黏 度 μi=0.000725Pa·s 导热系数λi=0.626W/(m·℃) 3 主要符号说明

T—热流体油品的定性温度℃ t—冷流体循环水的定性温度℃ ρ0—油的密度㎏/m3

Cp0—油的比热容kJ/(㎏·℃)

λ0—油的导热系数W/(m·℃)

μ 0—油的粘度Pa·s

ρi—循环水的密度㎏/m3

Cpi—循环水的比热容kJ/(㎏·℃) μi—循环水的粘度Pa·s

λi—循环水的导热系数W/(m·℃) K—总传热系数W/(m3·℃)

Δtm—进行换热的两流体之间的平均温度差℃ qmi—冷却水用量kg/s Re—雷诺准数 Pr—普兰特准数

αi—管程传热系数W/(m3·℃) α0—壳程传热系数W/(m3·℃) Rsi—循环水污垢热阻m2·℃/W Rso—油的污垢热阻m2·℃/W λ—管壁的导热系数W/(m·℃) ns—传热管数

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L—传热管长度 Np—换热管管程数 N—换热管总根数 Ψ—温度校正系数

Nc—横过管束中心线的管数 a—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 di—当量直径mm us—壳程流体流速m/s ui—管程流体流速m/s S—传热面积m2

Sp—换热器实际传热面积m2 H—换热器面积裕度 ΣΔPi—管程压降Pa ΔP1管内摩擦压降Pa ΔP2管程的回变压降Pa Ni—壳程串联数

Fi—管程压降的污垢修正系数 ΣΔP0—壳程压降Pa Δp1—流体流经管束的阻力 Δp2—流体流经折流板缺口的阻力

第二节 工艺计算及主体设备设计计算

1.计算传热系数

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（1）热流量

Q0=m0Cp0Δto=6000×2.22×(140-40)=1.33×106kJ/h (2)平均温差 热流体 140—40 冷流体 40—30

Δtˊm=(Δt1-Δt2)/㏑(Δt1/Δt2)=(100-10)/㏑(100/10)=39℃ (3)冷却水用量

qmi=Q0/CpiΔti=1.33×106/4.08×(40-30)=32353kg/h (4)总传热系数 管程传热系数: diuiρ

i 0.02×0.5×994

Cpiμi 4.08×10

3

×0.000725

Re= = =13670 ; Pr= = =4.72524 μ

i 0.000725

λi 0.626

λi diuiρi Cpiμi 0.626

αi=0.023× ( )0.8×( )0.4 =0.023× ×(13670)0.8×(4.72524)0.4= 2731W(m·℃) di μ

i λi

0.020

壳程传热系数:

假设壳程传热系数为 α0=290 W(m·℃)

污垢热阻：Rsi=0.000344 m2·℃/W Rso=0.000172 m2·℃/W 管壁的导热系数 λ=45 W(m·℃)

1 1 K= = d0 d0 b d0 1 0.025 0.0025×0.025 1

＋Rsi ＋ ＋Rso＋ ＋0.000344× ＋0.000172＋

0

αidi di λdm α2731×0.020 45×0.0225 290

=219.5 W(m·℃) 2.计算传热面积

Q 366.7×103

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S＇= = =42.8 m2 kΔtm 219.5×39

考虑15%的面积裕度：S=1.15×42.8=49.2 m2

3.工艺结构尺寸的计算 （1）管径和管内流速

选用φ25㎜×2.5㎜传热管，管内流速选取0.5m/s （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 4V 4×32353/(994×3600)

ns= = ≈58(根) πdi2u 3.14×0.022×0.5

按单程管计算，所需传热管长L=S/(πd0ns)=49.2/(3.14×0.025×58)=10.8m 若按但管程设计，传热管过长，所以宜采用多管程结构，现取管长l=6m,则该换热管程数为Np=L/l=10.8/6≈2(管程) 传热管总程数为N=58×2=116（根） （3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数：

P=(T1-T2)/(t1-t2)=(140-40)/(40-30)=10 R=(t1-t2)/(T1-t2)=(40-30)/(140-30)=0.091

按单壳程、双管程结构，温差校正系数应查有关图表，但R=10的点在图上难以读出，因而以1/R代替，PR代替P，查同一图线，可得ψΔt=0.82 所以平均传热温差Δtm=0.82×39=32℃ (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，隔板采用正方形排列，取管心距a=1.25d0

a=1.25×25=31.25≈32㎜

横过管束中心线的管数nc= 1.19 N = 1.19 116=13（根）

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（5）壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径为 D=1.05a N/η=1.05×32× 116/0.7 =432.5mm 圆整可取D=450mm (6）折流板

采用弓形折流板，取方形折流板圆缺高度为壳体内径的25 %，则切去的圆缺高度h=0.25×450=112.5mm ,故可取h=110mm

取折流板间距B=0.3D ,则B=0.3×450=135mm ,可取B=150mm 折流板数NB=（传热管数/折流板间距）－1=6000/150－1=39(块) 折流板圆缺面水平装配。 （7）接管

壳程流体进出口接管，取接管内油品流速u=1.0m/s

则接管内径为d= 4v/πu = 4×6000/(3600×825)/3.14×1.0 =0.05m/s 取标准管径为50mm

管程流体进出口接管，取接管内油品流速u=1.5m/s

则接管内径为d= 4v/πu = 4×32353/(3600×994)/3.14×1.5 =0.08m/s

4换热器核算 （1）热量核算 ①壳程对流传热系数

对圆缺形折流板，可采用凯恩公式： λ

α0=0.36( ) Re00.55Pr1/3(μ/μw)0.14 de

当量直径，由正三角心排列得de=4( 3/2a2－π/4d02 )/πd0=4(3 /2a2－π/4d02 )/πd0=0.020m

壳程流通截面积

S0=BD(1-d0/a) de=0.15×0.45×(1-0.025/0.032)×0.020=0.01476m2 壳程流体流速及Re分别为：

u0=V/S0=6000/(3600×825)/0.01476=0.0137m/s

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Re0= d0u0ρ0/μ0 =(0.02×0.0137×825)/0.000715=316.1 Pr=Cp0μ0/λ0=(2.22×103×715×10-6)/0.140=11.34 年度校正(μ/μw)0.14≈1

所以α0=0.36(λ/ de) Re00.55Pr1/3(μ/μw)0.14=0.36×(0.14/0.02)×316.10.55×11.341/3=476W(m·℃) ②管程对流传热系数

αi=0.023(λi/di)Re0.8Pr0.4

管程流通截面积Si=0.0785×0.022×116/2=0.0182m2 管程内流速及Re分别为：

ui=V/Si=32353/(3600×994)/0.0182=0.497m/s Rei= diuiρi/μi=(0.02×0.497×994)/0.000725=13628 Pr=Cpiμi/λi=(4.08×103×725×10-6)/0.626=4.73

所以αi=0.023(λi/di)Re0.8Pr0.4=0.023×(0.626/0.02)×136280.8×4.730.4=2721W(m·℃) ③总传热系数K

1 1

K= = d0 d0 b d0 1 0.025 0.0025×0.025 1

＋Rsi ＋ ＋Rso＋ ＋0.000344× ＋0.000172＋

0

αidi di λdm α2721×0.020 45×0.0225 476

=310.2 W(m·℃) ④总传热面积

S=Q/kΔtm=(366.7×103)/(310.2×32)=36.9m2 该换热器的实际传热面积为Sp

Sp=πd0lN=3.14×0.025×(6-0.06)×(116-13)=48.0m2 该及换热器的面积裕度为H=（Sp-S）/S×100%=30.1%

由以上可以看出传热面积裕度合适，该换热器能完成生产任务。 （2）换热器内流体流动阻力

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①管程流动阻力 ΣΔpi=(Δp1+Δp2)FtNsNp Ns=1 Np=2 Ft=1.5

Δp1=λi(l/d)(ρu2/2) Δp2=ζ(ρu2/2)

由Re=13628，传热管相对粗糙度ε=0.01/20=0.005 查莫狄图得，λi=0.037W(m·℃) 流速ui=0.497m/s

Δp1=λi(l/d)(ρui2/2)=0.037×(6/0.02)×(994×0.4972/2)=1362.7Pa

Δp2=ζ(ρui2/2)=3×(994×0.4972/2)=368.3Pa

所以ΣΔpi=(Δp1+Δp2)FtNsNp=（1362.7+368.3）×1×2×1.5=5193Pa<10KPa 由此可知，管内流动阻力在允许范围之内 ②壳程流动阻力

ΣΔp0=(Δ＇p1+Δ＇p2)FtNs Ns=l Ft=l

流体流经管束的阻力Δ＇p1=Ff0nc(NB+1)ρu02/2 F=0.5

f0=5×3161-0.228=0.7926 nc=13 NB=39 u0=0.137

所以Δ＇p1=Ff0nc(NB+1)ρu02/2=1202 Pa 流体流经折流板缺口的阻力为 Δ＇p2=NB（3.5-2B/D）ρu02/2 B=0.15m D=0.45m

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所以Δ＇p2=NB（3.5-2B/D）ρu02/2=636.2 Pa

ΣΔp0=(Δ＇p1+Δ＇p2)FtNs=（1202+636.2）×1×1=1838.2 Pa<10 KPa 由此可知，壳程流动阻力在允许范围之内。

第三节 换热器主要结构尺寸和计算结果

3.1 主要结构尺寸和计算结果

换热管形式： 带膨胀节的固定管板式换热器 换热面积： 48.0 m2 工艺参数

名称 管程 壳程 物料名称 循环水 油 操作压力 0.4MPa 0.4MPa 操作温度 30/40 40/140 流量 32353kg/h 6000kg/h 流体密度 994kg/m3 825kg/m3 流速 0.497m/s 0.137m/s 传热量 366.7KW 总传热系数 310.2W/(m3·℃)

对流传热系数 2721 W/(m3·℃) 476W/(m3·℃) 污垢系数 0.000344 m2·W/ ℃ 0.000172 m2·W/ ℃ 程数 2 1 推荐使用材料 碳钢 碳钢 管程规格 φ25㎜×2.5㎜ 管数 116 管长 6000mm 管心距 32mm 排列方式 正三角形 折流板形式 上下 折流板间距 150mm 壳体内径 450mm 面积裕度 30.1% 切口高度 25% 共19页 第 18 页

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3.2 设计感想

通过本次课程设计，使我对食品工程原理这门课程有了更深入的理解。食品工程原理是一门实践性较强的课程，为了学好这门课程，必须在掌握理论知识的同时，加强上机实践。一个人的力量是有限的，要想把课程设计做的更好，就要学会参考一定的资料，吸取别人的经验，让自己和别人的思想有机的结合起来，得出属于你自己的灵感。 设计的过程需要有耐心，有些事情看起来很复杂，但问题需要一点一点去解决，分析问题，把问题一个一个划分，划分成小块以后就逐个去解决。再总体解决大的问题。这样做起来不仅有条理也使问题得到了轻松的解决。 在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。生活生活生活生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程制作，可是平心而论，也耗费了我不少的心血，这就让我不得不佩服开发技术的前辈，才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！ 对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！ 通过这次的课程设计我对于专业课的学习有了更加深刻的认识，以为现在学的知识用不上就加以怠慢，等到想用的时候却发现自己的学习原来是那么的不扎实。以后努力学好每门专业课，让自己拥有更多的知识，才能解决更多的问题！

3.3 参考文献

1.马江权，冷一欣.化工原理课程设计.北京：中国石化出版社，2009 2.申迎华，郝晓刚.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，2009.5 3.李芸,化工原理及设备课程设计.北京：化学工业出版社，2011.8 4.李功样等，常用化学单元设备设计.广州：华南理工大学出版社，2003 5.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

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6.匡国柱，史良才.化工单元过程及设备课程设计.北京：工业出版社，2007.10 7.钱颂文，换热器设计手册.北京：化学工业出版社，2002,8 8.于国宗，化工容器及设备.天津：天津大学出版社，1980

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