日产50T冷却牛奶换热器设计说明

1、.设计题目：日产 50t 冷却牛奶换热器设计英文题目：Nissan 50t cooling milk Heat ExchangerDesign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 .目录一、设计任务书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.下载可编辑 .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处理能力牛奶产量： 50t/d1.2.2设备形式列管式换热器1.2.3操作条件1

2、)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 物性密度 o比热容 Cpo粘度 o导热系数 o（kg/m3）(kJ/(kg ·K)(Pa·s)(W/(m2·K)牛奶10353.7650.00210.693) 牛奶定性温度下的物性数据：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.下载可编辑 .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

3、，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）1.5设计成果要求通过查阅

4、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：.下载可编辑 .（ 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

5、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.下载可编辑 .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，

6、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。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。.下载可编辑 .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

7、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.下载可编辑 .（ 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

8、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。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

9、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 25×2.5mm的碳钢换热管（换热管标准： GB8163）。.下载可编辑 .管程流速（ m/s ）壳程流速（ m/s ）循环水新鲜水一般液体易结垢液体气体1.0 2.00.8 1.50.5 3>1.05300.5 1.50.5 1.50.2 1.5>0.52 1.5表 1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

10、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壳程牛奶定性温度： T762048 2管程稀盐水定性温度：101713.5 T2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:.下载可编辑 .物性密度 o比热容 Cpo粘度 o传热系数 o（kg/m3）(kJ/(kg ·K)(Pa·s)(W/(m2·K)牛奶10353.7650.00210.69稀盐水在 13.5 定性温度下的有关物性数据如下：物性密度 i比热容 Cpi粘度 i传

11、热系数 i（kg/m3）(kJ/(kg ·K)(Pa·s)(W/(m2·K)稀盐水999.44.1890.00120.579四、 工艺设计计算4.1估算传热面积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： W h50103124166.67kg / hhph 124166.67 3.765 （7620） 244.03kWQ W C(T- T )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.下载可编辑 .根据化工原理 1 （上） P213，公式（ 4-45 ）得逆流传热温差为76 o C =168.8K20 o C =68K

12、17 o C =62.6K10 o C =50Kt mt 2t1 （168.8 68)(62.6 50)t168.842.42K268lnln50t162.6稀盐水用量Q244 .03 360029959 .32 kg / h稀盐水流量： W c4.189 (17 10 )C pc ( t 2 t1 )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2，初步设233582W/(m.K)2定 K=250W/(m.K) 。A PQ244 .03100019 .18 m 2Kt m30042 .424.2主要工艺尺寸的确定管径和管内流速我国列管式换热

13、器常采用无缝钢管，规格为外径×壁厚，常用的换热管的规格： 19×2 mm、 25×2 mm、 25×2.5 mm。选用 25× 2.5 传热管 ( 碳钢管 ) ，管内径 di =0.025-0.0025 ×2=0.02mm，取管内流速 u i = 1m/s.下载可编辑 .管程数和传热管数根据化工原理课程设计7P62，公式 3-9 可依据传热内径和流速确定单程传热管数V29959.32 / 999.4360026.5 27根ns0.7850.02212uidi4按单管程计算，所需的传热管长度为LA19.189.05md 0n s3.14

14、 0.025 27L 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 ，9，12等。换热器的换热管长度与壳径之比一般在610。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L9.05（2管程）N p6l热管总根数 N T N p ns2 2754（根）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

15、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=1.25d（ d0 为管子外径） ，则 t=1.25 × 25=31.250 32(mm)。.下载可编辑 .由化工原理2（上）P282，公式（ 4-119 ），得横过管束中心线的管数为nc1.1 N1.154（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 S t/2 632/2 6 22mm ，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。壳体内径采用 2

16、 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=0.8 ，得壳体内径为：D1.05tN1.05 3254276 mm0.8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。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

17、折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h0.25 D0.25400100mm.下载可编辑 .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N B传热管长16000折流板间距1 29块200接管壳程流体进出口接管：取接管内牛奶流速为u 1.0 m/s ，则接管内径为d=4 V=4(4166.67 / 3600) / 1035 =0.038mu3.141.0经圆整采用 45mm×3.5mm 热轧无缝

18、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 1.0 m/s ，则接管内径为d=4 V= 4 ( 29959.32/ 3600 ) / 999.4 =0.103mu3.141.0经圆整采用 121mm× 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热流量核算壳程对流传热系数雷诺系数计算得：de u00.020 0.0683 1035Reo673.24 20000.0021.下载可编辑 .由化工原理课程设计参考资料P68，公式（ 2-27 ）得：0.60.1400.230d0uP1

19、 / 3d0rw0.14其中：取1w壳程流通截面积 A ，由化工原理（上）P253，公式（ 4-80 ），得：0A0BD1d00.15 0.1 0.0250.0164m2t0.032壳程流体流速为：uV 01.16 / 10350A 00.0683m / s0.0164普兰特准数：PrCp4.19 2.112.80.6900.60.1400.23 0d0u0P1/3d0rw0.690.0250.06830.610.23103512.8310.0250.0021844.8 W /(m2 oC )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

20、n=0.4 ，得i 0.023 i Re0.8Pr0.4 di.下载可编辑 .其中：管程流通截面积A idi2N3.14 0.022540.00424m24444管程流体流速以及其雷诺数分别为ui29959.32 /(3600999.4)0.004241.96m / sdi ui0.02 1.96 999.4Rei32647.10.0012普朗特准数PrCp4.189 1.20.5798.68故管程对流换热系数i0.023 0.579 32647.10.88.680.46454.4 W （/m 2 o C）0.024.3.1.3污垢热阻和管壁热阻查阅化工原理（上）P354，附录 20，得2o牛

21、奶侧的热阻 Rso=0.000172m C/w循环水侧的热阻si2 oC/wR =0.00058 m钢的导热系数为=45 W/(m· K)=219.5 W/ （ m·）传热系数 K根据化工原理 2 （上）P227，公式（ 4-41 ）.下载可编辑 .1d0R sid0bd0R so1Ki dididm00.0250.000580.0250.00250.0250.00017216454.40.020.02219.50.0225802.6解得 K=425.7 W/(m2.OC)传热面积 S''Q24403020.76m 2K t m425.727.61所选用的换

22、热器的实际传热面积S'dlN3.140.025654225.434m4.3.1.5传热面积裕度换热器的面积裕度为S25.4341.23S16.69HS' S''100%25.434 - 20.76 100%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

23、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.下载可编辑 .Tmt m壁温。于是有 : t wcn ，式中液体的平均温度 tm 和气体的平均温度分别计11cn算为 :tm0.4 × 17+0.6 ×10=12.8 Tm0.5 ×（ 76+20）=48ci6454.4ho844.8传热管平均壁温为 tw16.87 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=48。壳体壁温和传热管壁温之差为t4816.8731.13 50。该温差正好 .换热器内流体的流动阻力（压强降）管程流动阻力根据化工原理 3 （上）P284，公式（ 4-

24、121 ）得 pi （ p1+p2）Ft Ns Np其中： Pi 管程总压力降 , Pa ；P1 、P2 分别为单程直管阻力与局部阻力, Pa ；Ft 污垢校正系数 , 对于 25mm×2.5mm 管子 , 取Ft = 1.4；对于19mm×2mm管子 ,取Ft = 1.5；这里取 Ft = 1.4；Ns壳程数， Ns=1；.下载可编辑 .Np 管程数，Np=2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:l u2P1 i d 2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:P23u22式中：摩擦阻力系数 ;l 传热管长度 , m;

25、di传热管内径 , m;ui管内流速 , m/s;流体密度 , kg m3。由 Rei =32647.1<105，设管壁粗糙度 =0.1mm，则相对粗糙度 /d i =0.005 ，查莫狄图得 i =0.03W/m·，流速 ui =1.0m/s ， =999.4.下载可编辑 .P16999.41.024497.3Pa0.0320.02P3999.41.021499.1Pa22总压强降：Pi4497.3 1499.11.4 1 216789.92Pa50kPa壳程流动阻力（压强降）P0P1P2FsNs 6其中：P0 壳程总压力降 , Pa ;P '1 流体流过管束的压力降

26、 , Pa;P' 2 流体流过折流板缺口的压力降, Pa;Fs 结垢校正系数 , 对于液体 , Fs = 1.15 ；对于气体或可凝蒸汽， Fs = 1.0 ；这里取 Fs = 1.15 ；Ns壳程数， Ns=1。其中 ,流体流过管束的压力降，Ff 0 nc N Bu02P112流体通过折流板缺口的压力降2P ,NB3.5- 2hu02D2.下载可编辑 .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 ,F =0.5; 对于正方形斜转 45° , F = 0.4;f 0壳程流体的摩擦

27、系数 , 当Re0 > 500 时, f 0 = 5.0Re 0 .2282;0其中 , Re0 = ( deu)/。n横过管束中心线的管数,管子按正三角形排列:nN ;管子按正cc = 1.1方形排列 : nc = 1.19N ;u壳程流体横过管束的最小流速, m /s ,0V壳程流体的体积流量, m3s。s根据管子排列方法（这里是正三角形） ，取 F=0.5Reo=673.24f0=5.0Re00.2282 =1.13nc1.1 N 1.1 54 （9根）N B6000 - 1 29（块）200B=200mmD=400mm=1035kg/m3u 0=0.0683m/sP10.51.1

28、39291 103520.0683368.27Pa，2P 293.5- 20.11035 0.06832210.03Pa20.42.下载可编辑 .总压强降：P0368.27210.031.15665.045Pa50kPa 符合设计要求。五、 辅助设备的计算及选型序号名型 号数主要性能参数外形尺寸称量长* 宽* 高 mm1储存Comproces1储罐容量： 1000L 50000L3000×3000×4000罐s 公司 CNC型所需功率： 2KW2清洗Q-1021超声波清洗46× 595×295槽3巴氏上海锐元机1占地面积： 23 m21700×

29、1200×1900杀菌械设备有限杀菌温度： 65 -99 机公司 RY-BS设备材质：罐体为优质SUS304/316L 2B4高压ER2000/101输出转速： 4200rmp进出口尺寸：均质标准线速度： 23m/sDN50 / DN50机马达功率： 15KW5红外DHLX-HCSM1生产能力： 1000Kg/h3400×1050×1850线电灭菌温度： 100 150脑超灭菌时间： 35s高温出液温度： 30 50瞬时杀菌机6脱气CRT1功率： 8KW190×140× 56机电压： 220V/380V7包装天津星火灌1生产效率： 3500 4

30、000 袋750×750× 1750机装机械有限/h公司电压： 220V功率： 1.5KW灌装容量： 100500ml/ 袋.下载可编辑 .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（）：19.18工艺参数名称管程壳程物料名称稀盐水牛奶操作温度，10/1776/20流量， kg/s8.321.16流体密度， kg/ m3999.41035流速， m/s1.00.0683传热量， kw244.03总传热系数， w/·425.7对流传热系数， w/ ·6454.4844.8污垢系数，· k/w0.

31、000580.000176阻力降， Pa16789.92665.045程数21使用材料碳钢碳钢管子规格 252 .5管数 54管长， mm 6000.下载可编辑 .管间距， mm32排列方式正三角形折流挡板型式上下间距， mm 200切口高度 225mm壳体内径， mm400保温层厚度， mm壳程流体进出口45mm 3.5mm管程流体进出口121mm9mm接管接管接管传热面积25.434m2面积富裕度22.51%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基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的确定实验方案、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，经过反复的分析比较，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