日产50T冷却牛奶换热器设计说明.docx
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日产50T冷却牛奶换热器设计说明.docx
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日产50T冷却牛奶换热器设计说明
......
设计题目:
日产50t冷却牛奶换热器设计
英文题目:
Nissan50tcoolingmilkHeatExchanger
Design
学生姓名:
班级:
学号:
专业:
食品科学与工程
2012-9-30
.下载可编辑.
......
3
5
7
9
22
23
24
25
25
.下载可编辑.
......
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
牛奶产量:
50t/d
1.2.2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
20℃
2)
冷却介质:
稀盐水
入口温度10℃
出口温度17℃
3)牛奶定性温度下的物性数据:
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......
物性
密度ρo
比热容Cpo
粘度μo
导热系数λo
(kg/m3)
(kJ/(kg·K))
(Pa·s)
(W/(m2·K))
牛奶
1035
3.765
0.0021
0.69
1.3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,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
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......
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。
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......
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。
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......
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
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......
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
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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φ25×2.5mm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1.0—2.00.8—1.50.5—3>1.05—30
(m/s)
壳程流速0.5—1.50.5—1.50.2—1.5
>0.5
2—1.5
(m/s)
表1
3.1.3流向的选择
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......
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
76
20
48℃
壳程牛奶定性温度:
T
2
10
17
13.5℃
管程稀盐水定性温度:
T
2
根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
物性
密度ρ
比热容Cp
o
粘度μ
传热系数λ
o
o
o
(kg/m3)
(kJ/(kg·K))
(Pa·s)
(W/(m2·K))
牛奶
1035
3.765
0.0021
0.69
牛奶在48℃定性温度下的有关物性数据如下:
稀盐水在13.5℃定性温度下的有关物性数据如下:
物性
密度ρi
比热容Cpi
粘度μi
传热系数λi
(kg/m3)
(kJ/(kg·K)
(Pa·s)
(W/(m2·K))
稀盐水
999.4
4.189
0.0012
0.579
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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:
Wh
50
10
3
12
4166.67kg/h
h
ph1
2
4166.673.765(76
20)244.03kW
QWC
(T
-T)
4.1.2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
76oC=168.8K
20oC=68K
17oC=62.6K
10oC=50K
tm
t2
t1(168.868)
(62.650)
t
168.8
42.42K
2
68
ln
ln
50
t1
62.6
4.1.3稀盐水用量
Q
244.033600
稀盐水流量:
Wc
t1)
29959.32kg/h
Cpc(t2
4.189(1710)
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......
4.1.4传热面积A的确定
由<<化工原理>>查得稀盐水与牛奶之间的传热系数在233—582W/(m2.K),初
步设定K=250W/(m2.K)。
AP
Q
244.03
1000
19.18m2
K
tm
300
42.42
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:
ф19×2mm、ф25×2mm、ф25×2.5mm。
选用ф25×2.5传热管(碳钢管),管内径di=0.025-0.0025×2=0.02mm,取管内流
速ui=1m/s
4.2.2管程数和传热管数
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
V
29959.32/999.4
3600
26.527根
ns
0.785
0.022
1
2
ui
di
4
按单管程计算,所需的传热管长度为
L
A
19.18
9.05m
d0
ns3.140.02527
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,
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......
9,12m等。
换热器的换热管长度与壳径之比一般在6-10。
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
L
9.05
(2
管程)
Np
6
l
热管总根数NTNpns
227
54(根)
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=1.25d0(d0为管子外
径),则t=1.25×25=31.25≈32(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
nc1.1N1.154(9根)
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St/2632/2622mm,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η=0.8,得壳体内径为:
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......
N
54
276mm
D1.05t
1.0532
0.8
的取值范围如下:
正三角形排列,2
管程,
=0.7—0.85,4管程以上,
=0.6—0.8。
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
h0.25D0.25400100mm
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
B=0.4D,则
B=0.4×400=160mm取板间距B=200mm
折流板数NB
传热管长
1
6000
29块
折流板间距
1
200
4.2.6接管
壳程流体进出口接管:
取接管内牛奶流速为u=1.0m/s,则接管内径为
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......
d=
4V
4(4166.67/3600)/1035
=
=0.038m
u
3.141.0
经圆整采用Φ45mm×3.5mm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u=1.0m/s,则接管内径为
d=
4V
=
4(29959.32
/3600)/999.4=0.103m
u
3.14
1.0
经圆整采用Φ121mm×9mm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:
deu0
0.0200.06831035
Reo
673.242000
0.0021
由《化工原理课程设计参考资料》P68,公式(2-27)得:
0.6
0.14
0
0.23
0
d0u
P
1/3
d0
r
w
0.14
其中:
取
1
w
壳程流通截面积A0,由《化工原理(上)》P253,公式(4-80),得:
.下载可编辑.
...
..
.
A0BD
1
d0
0.150.
0.025
0.0164m
2
t
1
0.032
壳程流体流速为:
V0
1.16/1035
0.0683m/s
u0
0.0164
A0
普兰特准数:
Cp
4.192.1
12.8
Pr
0.69
0
d0u0
0.6
0.14
0
0.230
P1/3
d0
r
w
0.69
0.025
0.0683
0.6
1
1035
12.83
1
0.23
0.0021
0.025
844.8W/(m2
oC)
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
i0.023iRe0.8Pr0.4di
其中:
管程流通截面积
di
2
N
3.140.022
54
0.0042m4
2
Ai
4
4
4
4
管程流体流速以及其雷诺数分别为
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......
29959.32/(3600
999.4)
ui
1.96m/s
0.00424
diui
0.02
1.96999.4
Rei
3264.71
0.0012
普朗特准数
Cp
4.189
1.2
Pr
0.579
8.68
故管程对流换热系数
i
0.0230.57932647.10.88.680.4
6454.4W(/
m2oC)
0.02
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=0.000172m2oC/w
循环水侧的热阻Rsi=0.00058m2oC/w
钢的导热系数为λ=45W/(m·K)=219.5W/(m·℃)
4.3.1.4传热系数K
根据《化工原理[2](上)》P227,公式(4-41)
1
d0
Rsi
d0
bd0
Rso
1
K
idi
di
dm
0
0.025
0.00058
0.025
0.0025
0.025
0.000172
1
6454.4
0.02
0.02
219.5
0.0225
802.6
解得K=425.7W/(m2.OC)
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......
传热面积S''
Q
244030
20.76m2
K
tm
425.7
27.61
所
选
用
的
换
热
器
的
实
际
传
热
面
积
S'
dlN
3.14
0.0256
5425.434m2
4.3.1.5
传热面积裕度
换热器的面积裕度为
S
25.434
1.23
S
16.69
H
S'S''
100%
25.434-20.76100%22.51%
S'
20.76
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
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- 日产 50 冷却 牛奶 换热器 设计 说明