食品工程原理课程设计(换热器设计).pdf
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1、食品工程原理 课 程 设 计 说 明 书 米糠油冷却用列管式换热器的设计 姓名:马 坦 学号:201111010704 班级:食工 1107 2013 年 12 月 13 日 1 目 录 一、设计依据及指导思想-3 二、主要参数说明 -3 三、设计计算 -5 1、确定设计方案 -5 2、确定物性数据 -5 3、计算总传热系数 -6 4、计算传热面积 -7 5、工艺结构尺寸 -7 6、换热器核算 -9 1)热量核算 -9 2)换热器内流体的流动阻力-11 3) 换热器主要结构尺寸和计算结果总表-13 7、离心泵的选择 -13 四、设计结果 -16 五、参考文献 -16 2 一、设计依据及指导思想
2、 换热器广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业。在食品工业中 的加热、 冷却、蒸发和干燥的单元操作中,我们也经常见到换热器应用于食品物料的加热或冷却。 在众多类型的换热器结构中,管壳式换热器应用最为广泛,因此要根据特定的工艺要求设计合理 的换热器,以满足不通场所的需求。 选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洁,符合实际需要等原则。换热器分为几 大类:夹套式换热器,沉浸式蛇管换热器,喷淋式换热器,套管式换热器,螺旋板式换热器,板 翅式换热器,列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。在众多类型的换热器中,浮头 式换热器应用较为广泛。它的结构简单, 其优点有介质间
3、温差不受限制,可在高温, 高压下工作, 可用于结垢比较严重的场合,可用于管程易腐蚀场合,尤其是其内管束可以抽出,以方便清洗管 及壳程,管束在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束,不会产生温差压力,所以,首选浮头式 换热器。 3 二、主要参数说明 B折流板间距,m; C系数,无量纲; d管径, m ; D换热器外壳内径,m ; f 摩擦系数; F系数; h圆缺高度,m ; K总传热系数,W/(m 2 ); L管长, m; m程数; n指数; N管数; NB 折流板数; Nu怒赛尔特准数; P压力, Pa; Pr普兰特准数 q热通量, W/m 2; Q传热速率,W; r半径, m; R热阻, 2 /
4、;mC W Re雷诺数; S传热面积,m2; t 冷流体温度,; T热流体温度,; u流速, m/; W质量流量,kg/s; a对流传热系数, 2 / ()wmC 有限差值; 导热系数,/ ()wm C; 粘度, Pa.s; 密度, kg/m 3; 校正系数; 下标 c冷流体; h热流体; i管内; m平均; o管外; s污垢 . 4 三、设计计算 1.确定设计方案 工艺要求: 某油厂用井水将从反应器出来的米糠油从135冷却到45,井水进、 出口温度分别为10 和 30,米糠油的流量为【学生学号最后两位数100+3400】kg/h, 若要求换热器的管程和壳程 压强降均不大于30kPa,试选择合
5、适型号的列管式换热器。 ( 1)选择换热器的类型 两流体温度变化情况: 热流体进口温度135, 出口温度45, 冷流体 (循环水 )进口温度10, 出口温度30。浮头式换热器的一端管板与壳体固定,而另一端的管板可在壳体内自由浮动。壳 体和管束对热膨胀是自由的,故当两种介质的温差较大时,管束与壳体之间不产生温差应力。浮 头端设计成可拆结构,使管束能容易的插入或抽出壳体,这样为检修,清洗提供了方便。 ( 2)流动空间及流速的确定 由于循环冷却水较易结垢,为便于水垢清洗, 应使循环水走管程,油品走壳程。 选用 25 2.5 的碳钢管,管内流速取 i u=0.8m/。 2确定物性数据 定性温度:可取流
6、体进口温度的平均值。 壳程米糠油的定性温度为T= 13545 2 =90() 管程冷却水的定性温度为t= 1030 2 =20() 根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 米糠油在90下的有关物性数据如下: 密度 0=952 kg/m 3 定压比热容 0 p c =2.261kJ/(kg) 导热系数 0 =0.176W/(m ) 粘度 0 =0.744 Pas 循环冷却水在20下的物性数据: 5 密度 i =998.2kg/m 3 定压比热容 i p c =4.183 kJ/(kgk) 导热系数 i =0.5985W/(m k) 粘度 i =0.0010042 Pas 3计算总传
7、热系数 (1)热流量 Qo=Wocpo to=3800/3600 2.261 (135-45)=214.80(kW) (2)平均传热温差 12 1 2 (13530)(4510) 13530 lnln 4510 m tt t t t 63.72( (3)冷却水用量 0 214.80 3600 9243.13 4.183 (30 10) i i pi Q w ct (kg/h) (4)总传热系数K 管程传热系数 0.40.8 0.020.8 998.2 15904.4 0.0010042 0.023 i iii e i pi iiii i iii d u R c d u d 0.4 3 0.8
8、0.59854.183 100.0010042 0.02315904.43447.25 0.020.5985 W/( m 2 ) 壳程传热系数 假设壳程的传热系数 0=400 W/(m 2 ); 污垢热阻 i s R=0.000172m 2 /W , 0 s R=0.000516m 2 /W 管壁的导热系数 =45.4 W/( m ) 6 000 0 0 2 1 1 1 0.0250.0250.00250.0251 0.0001720.000516 3447.250.0200.02045.40.0225400 273.61/() sis iiim K ddbd RR ddd Wm 4计算传热面
9、积 3 2 214.80 10 12.32() 273.61 63.72 m Q sm Kt 考虑15的面积裕度.S=1.15 S=1.1512.32=16.17(m 2)。 5工艺结构尺寸 (1)管径和管内流速 选用 25 2.5 传热管(碳钢),取管内流速ui=0.8m/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 7 2 2 9243. 13/ (998.2 3600) 12 0.785 0.020.8 4 s ii V n d u (根) 按单程管计算,所需的传热管长度为 0 16.17 17.17() 3.140.02512 s S Lm d n 按单管程设计,传
10、热管过长,宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m,则该换热器管程数为 17.17 =2.86 6 P L N l 取管程为4 传热管总根数N =12 4=48(根) (3)平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 13545 3 4010 4010 0.24 13510 R P 按单壳程,双管程结构,温差校正系数应查有关图表,可得 t=0.835 平均传热温差 tm= ttm=0.801 63.72=51.04() 由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流量较大,故取单壳程合适。 (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,隔板两侧采用正方形排列。取管心距
11、 t=1.25 0 d,则 t=1.25 25 32(mm)各程相邻管的管心距为44m 横过管束中心线的管数 1.11.1 488 c nN(根) (5)壳体内径 采用多管程结构,取管板利用率 0.71,则壳体内径为 1.05/1.05 3248/ 0.71276.27()DtNmm 圆整可取400mm (6)折流板 8 采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20,则切去的圆缺高度为h 0.20 40080(mm) ,故可取h80 mm。 取折流板间距B0.3D,则 B0.3 400120 (mm) 则可取 B 为 150 折流板数 B N=传热管长 /折流板间距 -1=6000/1
12、50-1=39( 块) 折流板圆缺面水平装配。 ( 7)接管 壳程流体进出口接管:取接管内油品流速为u1.5 m/s,则接管内径为 44 3800/ (3600 952) 0.031( ) 3.14 1.5 V dm u 取标准管径为50 mm。 管程流体进出口接管:取接管内循环水流速u1.1m/s,则接管内径为 /4 9243.13 / (3600998.2) 0.055() 3.141.1 4 i W dm u 6换热器核算 ( 1)热量核算 壳程对流传热系数对圆缺形折流板,可采用公式 0.14 0.5071/3 0 0.36 er ew RP d 当量直径,由正三角形排列得 2222 0
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