日产20吨浑浊桃汁固定管板式换热器教材

1、山东理工大学食品工程原理课程设计题目：日产 20 吨浑浊桃汁固定管板式换热器及辅助设备的设计选型学 院：轻工与农业工程学院 专 业： 食品科学与工程 学生姓名：蔡丽梅( 0512205886) 指导教师： 赵 亚课程设计(论文)时间：二八年七月一日七月十三日共两周摘要摘要本设计介绍了日生产 20 吨的混浊桃汁换热器设计，文中通过桃汁的生产工艺 流程，换热器型式和型号的合理选择，换热管数、管心束及管距，折流板间距及块 数，热量衡算等方面，对桃汁加热杀菌阶段的列管式换热器作出了合理的选择，以 满足生产的需要同时尽量的节约能源。关键词： 列管式，换热器，热量衡算，辅助设备目录目录摘 要 I 目 录

2、II 第一章引言 1 第二章生产工艺流程及工艺要点 22.1 桃汁的生产工艺流程 22.2 桃汁的生产工艺要点 22.3 质量要求 5 第三章工艺计算及主要设备设计选型 63.1 物料衡算 63.2 换热器的设计计算 6 第四章辅助设备的计算与选型 164.1 辅助设备选型 164.2 辅助设备选型列表 18 第五章设计结果一览表 20 结束语 22 参考资料 23 致 谢 24II第一章 引言第一章 引言在不同的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称换热器。在换热器中至少 要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放出热量；另一种流体则温度低，吸 收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中

3、广泛使用各种换热器，它们可 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。换热器的设计、制造，结构的改进到传热机理的研究一直十分活跃，一些新型 高效换热器相继问世。由于工业生产中所使用的换热器的目的和要求各不相同，换 热器设备的类型也多种多样。按换热设备传热方式划分主要有直接接触式、蓄热式 和间壁式三类。间壁式换热器从其结构上大致可分为管式换热器和极式换热器。管 式换热器虽然在传热性能和设备紧凑性上不及板式换热器，但它具有结构简单，加 工制造设计较容易，结构坚固，性能可靠等优点，因此在工业生产中被广泛使用， 特别是列管式换热器，为了更全面熟悉其工艺计算，下面我就对列管式

4、换热器进行 设计计算。第二章 浑浊桃汁的生产工艺流程及工艺要点第二章 浑浊桃汁的生产工艺流程及工艺要点2.1 桃汁的生产工艺流程原料选择 洗果热烫破碎打浆 过滤 调配 脱气均质杀菌灌 装封口。2.2 生产工艺要点2.2.1 原料制汁桃子要求酸味和涩味适当， 香味浓，汁液丰富，取汁容易， 酶褐变不明显。 原料桃子要健全完好且成熟度适宜。2.2.2 选果、清洗和去皮质量要求：选取具有良好的风味和芳香，色泽稳定，酸度适中，并在加工和贮 存过程中仍然保持这些优良品质并且液汁丰富，出汁率较高的桃子，加工过程中要 剔除烂果、霉变过、病虫果以及枝、叶等，以充分保证最终产品的质量。洗涤：通过清洗可以去除果蔬表

5、面的尘土、泥沙、微生物、农药残留以及携带 的枝叶等。通常的清洗方法是浸洗，喷洒或两者相结合。去皮：经优选的桃子用 5%碱液（99 ）热浸或喷洒 30 秒后进行去皮（或者采 用 100蒸汽烫 23 分钟）后立即喷洒凉自来水或浸泡在凉自来水中。2.2.3 防色处理去皮后的桃子立即用抗坏血酸溶液或柠檬酸溶液处理，以防变色。从而以保证 果汁原有色泽。2.2.4 破碎为了提高出汁率，在榨汁前要进行破碎。破碎的桃块要大小适宜且均匀。果块 过于小，在榨汁时，桃块中的果汁很快的被榨出，果渣被压实，内部果汁流出使通第二章浑浊桃汁的生产工艺流程及工艺要点道被堵塞， 出汁率降低。 如果破碎后的果块太大， 压榨时出汁

6、率也会降低。 破碎时， 果快最好在 34mm。应尽量避免物料与空气的接触，以防止果肉的褐变。破碎的 方法有热破碎法和冷破碎法，生产中一般采用热破碎法。因为适当加热可改变果肉 细胞通透性，使果肉软化，果胶水解，降低果汁黏度，利于果汁分离，也利于色素 和风味物质渗出，并能抑制酶的活性。2.2.5 榨汁 榨汁是获取原汁的主要方法，也是一个关键工序。破碎后的桃子被均匀的铺放在两条带之间，当两条带绕过转筒时，物料受到压力，压力逐渐增加，榨出的桃汁 通过带孔和转筒上的孔流至下面的集液盘。由于桃中果胶量较多，在榨汁前应进行 果胶酶处理，以利于果胶的分解，提高出汁率。果胶酶的用量应根据桃原料的果胶 含量来确定

7、，一般在 0.3% 0.4%左右，酶解温度为 40，处理时间为 2h。2.2.6 澄清、过滤和离心分离 生产澄清果汁时，必须进行澄清处理，通过物理化学或机械方法除去果汁中含 有的混浊物质或易于引起混浊的各种物质。 果蔬汁中的混浊物主要来源于以下几个 方面： a果蔬汁中的酚类物质与其它物质相互作用形成的悬浮物； b 含淀粉较多的 果蔬在制汁时，淀粉进入到汁液中，加热时形成凝胶夹带杂志颗粒； c 果蔬汁中含 有的蛋白质； d 果蔬汁中含有的果胶类物质； e果蔬汁中含有的金属离子如 Fe3+等。果蔬汁经过澄清后必须进行过滤，通过过滤把所有沉淀出来的混浊物从果蔬汁 中分离出来，使果汁澄清。2.2.7

8、脱气和均质脱气的目的在于除去或脱去果汁中的氧气。因此，存在于果实细胞间隙中的氧 气、氮、和呼吸产生的二氧化碳等气体，在果汁加工过程中能以溶解态进入果汁中 或留在果肉微粒和胶体的表面，同时由于果肉与大气接触的结果，更增加了气体含 量，因此制得的果汁中必然存在多量的氧，氮和二氧化碳等气体。脱除氧气可以降 低或避免果汁成分的损耗，降低果汁色泽和风味的变化，避免悬浮粒吸附气体而漂第二章 浑浊桃汁的生产工艺流程及工艺要点浮于液面，以及防止装罐和杀菌时产生泡沫等。均质的目的是使果蔬汁中的悬浮果肉颗粒进一步破碎细化，大小更为均匀，同 时促进果肉细胞壁上的果胶溶出，果胶均匀分布于果蔬汁中，形成均一稳定的分散

9、体系。2.2.8 芳香回收生产桃浓缩汁是须进行芳香回收。桃的挥发性成分中，含有低沸点的醇、脂、 羰基化合物等，故容易从果汁中蒸发分离含有芳香成分的蒸汽，经精馏塔浓缩得到 的天然香精一般使用 200 倍浓度。如果有腐败果混入的话，回收的香精中有名显得 腐臭感，选果时必须特别注意。2.2.9 浓缩将混合后的桃浆转入真空蒸发器中蒸发浓缩，将桃浆浓缩至商品所需浓度为 止。桃原浆通常含可溶性固形物 815，必须经浓缩排除大量水分， 才能达到制 品所需求的 60的浓度。浓缩方法有使用开口浓缩锅的常压法和使用真空浓缩锅的 真空法两种，以真空浓缩法的制品质量较好。即在减压的条件下使桃汁中的水分迅 速蒸发，浓缩

10、时间很短，能很好地保存果蔬汁的质量。2.2.10 灌装和杀菌桃汁的包装与杀菌是产品得以长期保存的关键。在进行杀菌时，一方面需要杀 死桃汁中的致病菌和钝化桃汁中的酶，同时要考虑产品的质量如风味、色泽和营养 成分以及物理性质如黏度、稳定性等不能受到太大的影响，因此杀菌温度和杀菌时 间是两个重要参数。果汁的灌装方法有热灌装、冷灌装和无菌灌装等种。热灌装是将果汁加热杀菌 后立即灌装到清洗过的容器内， 封口后将瓶子倒置 1030min，对瓶盖进行杀菌， 然 后迅速冷却至室温。使用玻璃瓶时，要对瓶子预热。若使用塑料瓶，先将果汁冷却 40以下，再进行灌装封口。若灌装后杀菌，是先将果汁输入瓶内并封口，再放入

11、杀菌釜内用 90温度杀菌 1015min。也可装入回转式杀菌设备中，以 85的温度第二章 浑浊桃汁的生产工艺流程及工艺要点杀菌 5min。以上两种方法是目前常用的方法。 热灌装比较简单， 但由于灌装过程中 易受到污染，货架寿命较短。但灌装后杀菌较彻底，货架寿命较长，只是要求容器 能承受高温。2.3 质量要求果肉饮料是浑浊饮料中的一种，要求原果浆含量不低于 40%，汁液浑浊均匀，久置后允许稍有沉淀。黄桃做原料生产的果肉饮料应呈橙黄色或深黄色。白桃果肉 饮料呈白色或黄白色。具有应有的风味，可溶性固形物含量 14%以上（按折光计），酸含量 0.37%以上（以柠檬酸计）第三章 生产工艺计算和设计设备选

12、型第三章 生产工艺计算和设计设备选型3.1 物料衡算通过计算，求出原料、半成品、产品、副产品及与物料衡算有关的废水废料等的规格和参数，并根据这些参数进行有关设备选型和设计计算。由新鲜桃子到原桃汁，桃子利用率 50.5%，日产 20t 浑浊桃汁，灌装时损失 0.8%，则：灌装前桃汁量为 20(1+0.8%)=20100.8%=20.16t调配后糖含量为 20.16 15%=0.08t原果浆含量为 20.16 50%=10.08t加入 Vc 含量为 10.08 0.05%=0.005t原果浆中糖含量为 10.08 9%=0.91t原果浆中柠檬酸含量为 10.08 0.2%=0.02t添加柠檬酸的量

13、为 0.08-0.02=0.06t添加 60%过滤糖浆量为( 3.02-0.91)60%=3.52t添加水量为 20.16-10.08-3.02-0.08=6.98t由新鲜桃子到桃汁，桃子利用率为 50.5%，制 20t 浑浊桃汁需新鲜桃子 10.08 50.5%=19.96t3.2 换热器的设计计算列管式换热器的设计：在加热杀菌过程中，需将 840Kgh 的浑浊桃汁从 50加热到 90，采用蒸汽入口温度 120，出口温度 100。第三章 生产工艺计算和设计设备选型3.2.1 确定换热器的设计方案和物性数据（1）确定设计方案 选择换热器类型两种流体温度变化情况：热流体（水蒸气）进口温度 120

14、，出口温度 100， 冷 流 体 （ 浑 浊 桃 汁 ） 进 口 温 度 50 ， 出 口 温 度 90 ， 平 均 温 差 T=（120+100） -（502+90） 2=4060,压降较低。因此初步选用固定管板式换热器。 流动空间及流速的确定由于浑浊桃汁发粘，温度高会发生糊化，为便于水清洗，应使桃汁走管程，水 蒸气走壳程。选用 ?252 的不锈钢管。（2）确定物性数据年产量： 6000t允许压降：不大于 0.25Mpa（绝压）设备工作情况： 300天年， 24h天连续生产（忽略热损失）定性温度：可取进出口温度的平均值壳程水蒸气的定性温度为 T=（120+100） /2=110管程流体的定性

15、温度为 T= （50+90）/2=70根据定性温度分别查取壳程和管程流体的有关物性数据水蒸汽在 110下的有关物性数据如下：3密度： =951kg/m定压比热容： Cp0 =4.233kj/（kg.）导热系数： 0 =0.6844w/（m.k）粘度： 0 =0.2589mPaS7第三章 生产工艺计算和设计设备选型桃汁在 70下的有关物性数据3密度：i =1050 kg/m定压比热容： c pi =4.183 kj/(kg.)导热系数 : i =0.534 w/(m.k)粘度： i =0.6 m pa S3.2.2 计算总传热系数和换热面积(1)计算传热系数热流量Qi= cpi mi t i =

16、840 4.183 (90-50)=1.41 10 kj / h =39.17 kw平均传热温差 ttm=( t1 t2)/ t 2 =(120-50)-(100-90)/ 7=30.83 水蒸气用量Q5w0= vh =1.41 10 kj / h /2205.2=63.94 kg/h总传热系数 KR =d iuiRe管程传热系数i =0.021 0.2 1050/0.6 103 =73500.4i =0.0230.8=0.023 0.534 0.021 735034.710第三章 生产工艺计算和设计设备选型=1345.6w/.壳程传热系数假设壳程传热系数0=600污垢热阻Rsi=0.0002

17、33 /WRso =0.000116 /W管壁的导热系数 =17.4 w/（m.k）K=d0idiR d 0 bd0 Rsi d i dm1=325.7W/2）计算传热面积3S=3.9039.17 10325.7 30.83考虑到 15%的面积裕度 s=3.90 1.15=4.486（）3.2.3 工艺结构尺寸（1）管径和管内流速选用 ?252 的不锈钢管，取管内流速 u=0.2m/s2）管程数和传热管数依传热管内径和流速确定单程传热管数nsV24diu8403600 105020.785 0.021 0.2= 3.214（根）第三章生产工艺计算和设计设备选型按单程管计算，所需的传热管长度为S

18、4.486L= = 14.28 （ m）d 0ns3.14 0.025 4按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管长 L=4m则换热器的管程数为N p = Ll = 144.28 4 （管程）传热管总根数 N=44=16 （根）（3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数R=热流体温降 /冷流体温升 =（120-100） /（90-50）=0.5P=（90-50）/（120-50）=0.57 按单管程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表得 = 0.91t/平均传热温差tm=t tm =0.91 30.83 = 28.06 （）（4）传热管排列和分程方法 采用组合排列法，

19、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 t=1.25d 0 ，则t=1.25 25=31.25 m3m2横过管束中心线的管数10第三章 生产工艺计算和设计设备选型nc =1.19 N =1.19 16 =4.76 5（根）壳体内径采用多管程结构，取管板利用率 = 0.7 ，则壳体内径为D=1.05t N / =1.05 32 16/ 0.7 =160.6 （mm）圆整可取 D=200mm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 h=0.25 200=50mm故可取 h=50mm 取折流板间距 B=0.3D, 则 B=0.3200

20、=60mm，可取 B=100mm 折流板数N B = 4000 1 =39（块）B 100折流板圆缺面水平装配。3.2.4 换热器核算1）热量核算 壳程对流传热系数0 = 0.36 0 R de0.55eo对圆缺形折流板，采用克恩公式0.1413 0prw4（ 3t2 d 2） 当量直径，由正三角形排列得 de = 2 t 4d0 = 0.020 （m） d ed011第三章 生产工艺计算和设计设备选型壳程流通截面积0=BD(1d 0) =1.641mm)壳程流体流速及其雷诺数分别为u0=63.943600 9511.641 10 3= 0.0114m/s)0.021 0.0114 951Re

21、o = 0.2589 10 3= 879.37普兰特准数pr=cp= 4.233 0.2589= 0.6844= 1.600.14粘度校正0.6844 0.55 10 = 0.36 0.06.80424 879.370.55 1.60 3 1 = 482.6w/( ) 管程对流传热系数i 0.8 0.4 i=0.023dii Re pr管程流通截面积2 16 3si =0.785 0.0212 146= 1.38 10 3()管程流体流速和雷诺数ui=8403600 10350 = 0.16m / s1.38 10 312第三章 生产工艺计算和设计设备选型Re=0.021 0.16 13050

22、= 58800.6 10普兰特准数pr=cp4.183 0.6i = 0.0230.534= 4.70.534 0.800.503214 58800.80.44.7 0.4 =1125.62 w/. 传热系数 KK=d0 R d0 bd 0 idi Rsi did m= 315.8w/.RS0传热面积 S= 4.42（）Q 39170S= =K tm 315.8 28.06该换热器的实际传热面积 SPSP= d0L（N nc） = 5.18（）该换热器的面积裕度sp S 5.18 4.42H= p 100=100 = 17.2S 4.42传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务（2）换热器内

23、流体的流动阻力 管程流动阻力13第三章 生产工艺计算和设计设备选型pi=( p1p2)F tNsN pF t = 1.4 ， N p =4 ， N =1p1= i dl u2 ，p2=3u22由 Re =5880 ，传热管相对粗糙度i =0.051 w/m , ui =0.16 m/s/p1 =F f 0nc(NB 1)2 u0 2F=0.5 ，0.2281.07，nc=5 ， NB=39 u0=0.0114140.21/21=0.01，查莫狄图的3 =1050 kg/m 所以p1= i l u = 0.051 4 1050 0.16 =130.56( pa)1i d 2 0.021 2 a2

24、1050p2=320.16 = 40.32( pa)pi=( p1p2)F tNsN p =(130.56+40.32)41.4 1=956.9( pa)管程流动阻力在允许范围内 壳程阻力/p0=( p1p2 )FtNF t =1.15N s =1流体流经管束的阻力第三章 生产工艺计算和设计设备选型2p1 = 0.5 1.07 5 （39 1） 951 0.01 = 5.09（ pa）流体流经折流板缺口的阻力2/ 2BP2/=NB（3.5 2DB） 2u = 3.71 （pa）总阻力为p0 =5.09+3.71=8.80（ pa ）壳程流动阻力也比较适宜15第四章 辅助设备的设计选型第四章 辅

25、助设备的设计选型4.1 设备选型要点4.1.1 选果机选用江苏科威机械有限公司生产的 GXJ 型滚杠喷淋选果机。 该设备适用于球形 或长圆形果蔬的选果挑选或分级。4.1.2 清洗机选用江苏科威机械有限公司生产的 CXJ 型冲浪式清洗机。 该设备在气泡、冲浪、 提升、喷淋等联合工作下，具有洗洁净高、节能节水、设备稳定可靠等特点。适用 于果蔬原料的清洗；冲洗水经过过滤后循环使用；自带提升、方便联线。4.1.3 破碎机选用锯齿式破碎机。这种破碎机破碎室由一高速回转的人字形打击板和一个固 定的齿刀筒构成，锯齿刀由特种硬质钢材制成，安装在固定筒的下半部分缝隙内， 可根据原料成熟度不同更换不同的刀具，一般

26、新鲜的或较硬的果实用细刀具，过熟 或绵软的果实用粗刀具。工作时，桃进入破碎室后，被打击板抛向齿刀筒壁，并沿 筒壁做圆周运动，被锯齿刀切割而破碎。4.1.4 榨汁机选用江苏科威机械有限公司生产的水果榨汁机。该机适用于压榨果蔬汁液 . 该 设备主要特点是：螺旋推进挤压；全自动完成浆果、仁果及蔬菜类果蔬榨汁、排渣 工序；与物料接触部分为优质不锈钢制造。4.1.5 过滤机选用江苏科威机械有限公司生产的 ZGJ 型振动式过滤机。该设备适用于各种果 蔬汁及喊有纤维颗粒液体的过滤。果蔬汁由进料口均匀的分流欲过滤网上，由于倾 角的存在及滤筛振动，滤渣自动排出，并由另配的螺杆泵回前道工序，果蔬汁由饮16第四章

27、辅助设备的设计选型料泵入下道工序。4.1.6 加热杀菌机选用以上计算规格的固定管板式换热器4.1.7 冷凝器将加热杀菌的桃汁灌装后要将其从 83迅速的降温至 35，选用低温冷凝器 将其快速的冷却，然后运输出去装箱。4.1.8 离心分离机选用广州市大昭食品机械工程有限公司生产的卧式离心分离机。该设备是利用 惯性离心力进行固 -液、液-液或液 -液-固相离心分离的机械设备， 用高速旋转的转鼓 产生离心力把固体颗粒截留并自动卸出，液体经转鼓过滤分离出来，从而达到液固 分离目的。4.1.9 调和罐选用温州贝诺机械有限公司生产的调和罐， 该设备有节能、 耐蚀、生产能力强、 清洗方便 、结构简单等优点，主

28、要用于奶品和食糖、饮料、食糖及其他元素和各 种药物在调合后进行搅拌均匀作用。 是制造乳品、 饮料、制药厂家不可缺少的设备。4.1.10 真空脱气机真空脱气法是利用气体在液体内的分压成正比的原理，进行真空脱气，液面上 的压力逐渐降低，溶解在饮料中的气体不断逸出，直至降低至饮料的蒸汽压时，达 到平衡状态，这时所有的气体被脱除。达到平衡所需要的时间取决于溶解的气体逸 出速度和气体排至大气的速度。脱气机的脱气效果受真空度、饮料的温度、饮料喷出表面积和脱气时间等因素 影响。为充分脱气应注意以下几点：（1）真空设备的真空度应维持在 90.7-93.3kPa；17第四章 辅助设备的设计选型（2）料液应加热到

29、 45-75。4.1.11 灌装封盖机选用上海龙宏包装机械有限公司龙宏牌 ZG 系列全自动直线灌装生产线 。ZG系 列全自动直线灌装机优 点是：1.适用于各种类型的瓶子灌装，该机集欧洲先进国家技术，采用灌装缸定量原 理，灌装量连续可调，具有功能齐全，能耗低，投资规模较小的特点。2.该机优点是设计新颖，灌装精度高，结构紧凑，整机自动化程度高，适应性 强，操作方便，安全可靠，占地面积小等，可广泛应用于食品、饮料、医药、乳品、 化工等领域，对有粘度有泡沫的液体更为适合。4.2 辅助设备选型表 4-1 设备选型列表序号设备名称型号生产能力（ t/h ）功率（ kw ）外型尺寸长 宽高 （mm）1选果机

30、GXJ-31-30.3730007009002冲浪式清洗机CXJ221.47230091016003破碎机PS-52-51.591061011754榨汁机LZ-2.51.02.511220060015605过滤机ZGJ-220.1812008006306杀菌机RP6L201.522.3110090016007离心分离机WF-6301.5-22.2127010807708真空脱气器TQ-2.52.52.21500 930 22009灌装机ZG-2020-25251805 1358 2110封罐机XG-20201512570045018第四章 辅助设备的设计选型生产工艺流程中的管径大小由流量大小决定，本设计中连接换热器进料口、出 料口的接管管径计算方法如下壳程流体进出口接管：取接管内水蒸气流速为 u=1.0m/s，则4 63.94接管内径为 d= 4v = 3600 951 =4.88 mm u 3.14 1.0取标准管径为 5mm管程流体进出口接管：取接管内桃汁流速为 u=0.5m/s，则4 840接管内径为： d= 3600 1050 =23.8 mm3.14 0.5取标准管径为 25mm19第五章 换热器主要结构尺寸和计算结果表第五章换热器主要结构尺寸和计算结果表5-1 物性参数表名称管程壳程物料名称桃汁水蒸气定性温度 70110操作温度 50/90120/100流量