日产50t冷却牛奶换热器毕业设计.docx
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日产50t冷却牛奶换热器毕业设计
日产50t冷却牛奶换热器毕业设计
食品工程原理课程设计
说明书
设计题目
英文题目Nissan50tcoolingmilkHeatExchangerDesign
学生姓名班级学号专业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
11课程设计题目
日产50t冷却牛奶换热器设计
12设计任务与操作要求
com处理能力
牛奶产量50td
com设备形式
列管式换热器
com操作条件
牛奶入口温度76℃出口温度20℃
冷却介质稀盐水入口温度10℃出口温度17℃
牛奶定性温度下的物性数据
物性密度ρo
kgm3比热容Cpo
kJkg·K粘度μo
Pa·s导热系数λo
Wm2·K牛奶103537650002106913设计标准与要求
试设计一台适宜的列管式换热器完成该生产任务
14工作方案
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
15设计成果要求
com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
com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
21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那么温度较低吸收热量
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到达换热目的体积庞大不能完全防止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垢的物料
2U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
22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℃
23设计标准
1JB1145-73?
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
3JBT4715-1992?
固定管板式换热器型式与根本参数?
4中华人民共和国国家标准GB16749-1997?
压力容器波形膨胀节?
5HGT207018-2000?
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
31确定设计方案
com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
com材质选择及流速确实定
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应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适宜流速表1管内循环冷却水的流速初选为u10ms管子选用φ25×25mm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ms1020081505310530壳程流速ms05150515021505215表1
com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
32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ρo
kgm3比热容Cpo
kJkg·K粘度μo
Pa·s传热系数λo
Wm2·K牛奶1035376500021069稀盐水在135℃定性温度下的有关物性数据如下
物性密度ρi
kgm3比热容Cpi
kJkg·K粘度μi
Pa·s传热系数λi
Wm2·K稀盐水99944189000120579
四工艺设计计算
41估算传热面积
com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
com平均传热温差
按单壳程多管程进行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
761688K
2068K
17626K
1050K
com稀盐水用量
稀盐水流量
com传热面积A确实定
由查得稀盐水与牛奶之间的传热系数在233582Wm2K初步设定K250Wm2K
42主要工艺尺寸确实定
com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ф19×2mmф25×2mmф25×25mm
选用ф25×25传热管碳钢管管内径di0025-00025×2002mm取管内流速1ms
com和传热管数
根据?
化工原理课程设计[7]?
P62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md0管子外径m
×253125≈32mm
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
com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η08得壳体内径为
的取值范围如下正三角形排列2管程070854管程以上0608
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159mm273mm400mm500mm600mm800mm等根据以上标准可取D400mm
com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外表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那么切去的圆缺高度为
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取两者中的较大值因此取折流板间距B04D那么B04×400160mm取板间距B200mm
折流板数
com接管
壳程流体进出口接管取接管内牛奶流速为u=10ms那么接管内径为
d0038m
经圆整采用Φ45mm×35mm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u=10ms那么接管内径为
d0103m
经圆整采用Φ121mm×9mm热轧无缝钢管GB8163-87取标准管径为121mm
43换热器主要传热参数核算
com热流量核算
com1壳程对流传热系数
雷诺系数计算得
由?
化工原理课程设计参考资料?
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
com2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n04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
com3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Rso0000172m2oCw
循环水侧的热阻Rsi000058m2oCw
钢的导热系数为λ45Wm·K2195Wm·℃
com4传热系数K
根据?
化工原理[2]上?
P227公式4-41
解得K4257Wm2OC
传热面积
所选用的换热器的实际传热面积m2
com5传热面积裕度
换热器的面积裕度为
传热面积裕度适宜该换热器能够完成生产任务
com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
04×1706×10128℃
05×762048℃
64544
8448
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T48℃壳体壁温和传热管壁温之差为℃<50℃该温差正好
com换热器内流体的流动阻力压强降
com1管程流动阻力
根据?
化工原理[3]上?
P284公式4-121得
∑△pi=△p1△p2FtNsNp
其中
∑ΔPi管程总压力降Pa
ΔP1ΔP2分别为单程直管阻力与局部阻力Pa
Ft污垢校正系数对于Φ25mm×25mm管子取Ft14对于
Φ19mm×2mm管子取Ft15这里取Ft14
Ns壳程数Ns1
Np管程数Np2
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
λ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ms
ρ流体密度kgm3
由326471105设管壁粗糙度ε01mm那么相对粗糙度εdi0005查莫狄图得λi003Wm·℃流速ui10msρ9994
总压强降
com2壳程流动阻力压强降
其中
壳程总压力降Pa
流体流过管束的压力降Pa
流体流过折流板缺口的压力降Pa
结垢校正系数对于液体Fs115对于气体或可凝蒸汽Fs10这里取Fs115
壳程数Ns1
其中流体流过管束的压力降
流体通过折流板缺口的压力降
式中
N每一壳程的管子数目
NB折流板数目
B折流板间距m
D壳体内径m
F管子排列方式对压力降的校正因数对于正三角形排列F05对于正方形斜转45°F04
f0壳程流体的摩擦系数当Re500时f050
其中Redeuρμ
nc横过管束中心线的管数管子按正三角形排列nc11管子按正方形排列nc119
u0壳程流体横过管束的最小流速ms
Vs壳程流体的体积流量m3s
根据管子排列方法这里是正三角形取F05
Reo67324f050Re0113
B200mmD400mmρ1035kgm3u000683ms
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mm1储存罐Comprocess公司CNC型1储罐容量1000L50000L
所需功率2KW3000×3000×40002清洗槽Q-1021超声波清洗46×595×2953巴氏杀菌机上海锐元机械设备RY-BS1占地面积23m2
杀菌温度65℃-99℃
设备材质罐体为优质SUS304316L2B1700×1200×19004高压均质机ER2000101输出转速4200rmp
标准线速度23ms
马达功率15KW进出口尺寸
DN50DN50
5红外线电脑超高温瞬时杀菌机DHLX-HCSM1生产能力1000Kgh
灭菌温度100℃150℃
灭菌时间35s
出液温度30℃50℃3400×1050×18506脱气机CRT1功率8KW
电压220V380V190×140×567包装机天津星火灌装机械1生产效率35004000袋h
电压220V
功率15KW
灌装容量100500ml袋750×750×1750
六设计结果汇总表
换热器主要结构尺寸和计算结果见下表
换热器型式浮头式列式换热器换热器面积㎡1918工艺参数名称管程壳程物料名称稀盐水牛奶操作温度℃10177620流量kgs832116流体密度kg99941035流速ms1000683传热量kw24403总传热系数w㎡·℃4257对流传热系数w㎡·℃645448448污垢系数㎡·kw0000580000176阻力降Pa1678992665045程数21使用材料碳钢碳钢管子规格Φ5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壳程流体进出口接管45mm35mm管程流体进出口接管接管121mm9mm传热面积25434m2面积富裕度2251
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根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确实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拟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稳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]?
化工根底实验?
福建师范大学化学与材料学院编2021
[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]?
化工设备机械根底?
董大勤编化学工业出版社2006
[6]?
化工设备机械根底?
第三册化工设备机械根底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kJkg·K
粘度Pa·s导热系数Wm2·K
质量流量㎏sQ热流量kW
A传热面积m2K总传热系数Wm2·K
u馆内流体流速ms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
η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PaFt污垢校正系数
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- 日产 50 冷却 牛奶 换热器 毕业设计