食品工程原理课程设计花生油换热器的设计

1食品工程原理课程设计任务书1.1设计题目年处理量为31万吨花生油换热器的设计1.2操作条件花生油：入口温度110°C，出口温度40°C。冷却介质：采用循环水，入口温度20C，出口温度30C；井水，入口压强0.3MPa。每年按330天计，每天24小时连续生产。花生油定性温度下的物性数据p=845kg/m3^=7.15x10-4Pa.Sc=2.22kJ/(kg.0c)人=0.14w/(m.0c)允许压强降：不大于30kPa。换热器热损失：以总传热量的5%计。油侧污垢热阻0.000176m2.K/W，水侧污垢热阻0.00026m2.K/W。1.3设计任务选择适宜的列管式换热器并进行核算。工艺设计计算包括选择适宜的换热器并进行核算，主要包括物料衡算和热量衡算、热负荷及传热面积的确定、换热器主要尺寸的确定、总传热系数的校核等。(注明公式及数据来源)结构设计计算选择适宜的结构方案，进行必要的结构设计计算。主要包括管程和壳程分程、换热管尺寸确定、换热管的布置、折流板的设置等。(注明公式及数据来源)绘制工艺流程图绘制设备工艺条件图一张或设备装配示意图(2号图纸)；CAD绘制。编写设计说明书设计说明书的撰写应符合规范与要求。2概述与设计方案的选择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。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50°C以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。列管式换热器有以下几种：1、固定管板式固定管板式换热器的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，（或膨胀节）。当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。

固定管板式换热器1一封头；2—法兰；3一排气口；4一壳体；5一换热管；6一波形膨胀节;7一折流板（或支持板）；8一防冲板；9一壳程接管；10一管板；11一管程接管；12一隔板；13—封头；14一管箱；15—排液口；16一定距管；17一拉杆；18一支座；19—垫片；20、21一螺栓、螺母2、U形管式U形管式换热器每根管子均弯成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。U形管式换热器1—中间挡板；2—U形换热管；3一排气口；4一防冲板；5一分程隔板3、浮头式换热器两端的管板，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。

浮头式换热器1一防冲板；2一折流板；3一浮头管板；4一钩圈；5一支耳填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是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。填料函式换热器的优点是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；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。图A4填料函式换热器1一活动管板2—填料压盖3-填料4一填料函5—纵向隔机2.2设计方案的选择2.2.1选择换热器的类型本次设计为花生油冷却器的工艺设计，工艺要求花生油（热流体）的入口温度110°C，出口温度40C。采用循环冷却水作为冷却剂，冷却水的入口温度20C，出口温度30C。根据列管式换热器的分类与特性表，结合上述工艺要求，选用固定管板式换热器或浮头式换热器，而鉴于浮头式换热器的造价一般比固定管板式换热器的造价高出二十多个百分点，以降低投资成本为目的，故因选用带膨胀节的固定管板式换热器。2.2.2流动空间及流速的确定根据流体流径选择的基本原则，循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且循环冷却水的推荐流速大于花生油的推荐流速，故选择循环冷却水为管程流体，花生油为壳程流体。根据流体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为Uj=1.0m/s，管子选用425x2.5mm的较好级冷拔换热管（换热管标准：GB8163）。3.工艺设计计算3.1确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程流体的定性温度为：T=旦尝=75C2管程流体的定性温度为；t=*=25C2根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。（食品工程原理附录一：3水的物理性质）花生油在75°C下的有关物性数据 循环冷却水在25°C下的物性数据密度Po=845kg/m3密度Pi=996.95kg/m3定压比热容Cpo=2.22kJ/(kg-K)定压比热容Cp「4.18kJ/(kg-K)导热系数入o=0.140W/(m-K)导热系数入i=0.6078W/(m-K)粘度uo=0.000715Pa-s粘度ui=0.0009027Pa-s3.2热负荷及传热面积的确定3.2.1热流量31X31X10-7330x24=3914麻/h热流量Q0'=mCAt0=39141x2.22x（100-40）=6082511kJ/h=1689.6kw（化工单元工程及设备课程设计式3—1）换热器热损失以总传热量的5%计，则Qo=105%Qo'=6082511x105%=6386636.55kJ/h=1744kw3.2.2平均传热温差At=F=(110-30):黑-20)=43.3C(化工单元工程及设备课程设计式3—6)m At 110—30ln1 ln At 40—202

3.2.3传热面积3.2.3.1管程传热系数:假设R=22088§0.6078P=M=4.1784x103:Q0009027=6.206(食品工程原理表2—2)r人i0.60780.02a=0.023土R0.8P0.3=0.023x0.6078x220880.8x6.2060.4=4334.2w/(E・k)(食品工程原理式2一0.02i d%与i10a)3.2.3.2壳程传热系数:假设壳程的传热系数是:a假设壳程的传热系数是:ao=700w/(E・k)污垢热阻：R=0.00026E・k/wR=0.000176E・k/wsi so管壁导热系数：人=50w/(m•k)管壁厚度：b=0.025m内外平均厚度：七=0.0225m在下面的公式中，以外管为基准，代入以上数据得K= 1 TOC\o"1-5"\h\z土+R妇二+R+-1ads’d Md soa=440=440W/m2-C（化工单元工程0.025 0.0250.0025x0.025 1 +0.00026x + +0.000176+——4334.2x0.02 0.02 50x0.0225 700及设备课程设计式3—21)则估算的传热面积为S'=-^=1744X103=91.5m2（化工单元工程及设备课程设计式3—35）KM 440x43.3考虑15%的面积裕度则：S=1.15S'=1.15x91.5=105m23.3换热器主要结构尺寸的确定3.3.1管径和管内流速选用425x2.5较高级冷拔传热管（碳钢10）,取管内流速七=1.0m/s3.3.2管程数和传热管数冷却水用量m=—如=一6386636一=152863kg/h=42.5知（化工单元工程及设备课程设iCZ4.178x（30-20）计式3—5）依据传热管内径和流速确定单程传热管数n=一^=152863/（3600x996§5）=136根（化工单元工程及设备课程设计式3—9）s兀八 0.785x0.022x1.0—d2u4ii按单程管计算，所需的传热管长度为：L=—-—= =10m（化工单元工程及设备课程设计式3—10）兀d0n 3.14x0.025x136按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用非标准设计，现取传热管长为l=6m，则该换热器的管程数为：Np=L/1=10/6牝2根（化工单元工程及设备课程设计式3—11）传热管总根数：Nt=136x2=272根（化工单元工程及设备课程设计式3—12）3.3.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数：R=（110-40）/（30-20）=7（化工单元工程及设备课程设计式3—13a）P=（30-20）/（110-20）=0.11（化工单元工程及设备课程设计式3—13b）按单壳程，2管程结构，温差校正系数查表得&Z=0.85（食品工程原理图2—13a）平均传热温差菩=色燮=0.85x43.3=37°C（食品工程原理式2—59）由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。3.3.4传热管排列和分程方法管子在管板上的排列方式有：正三角形排列、正方形排列、正方形错列，采用正三方形排列可以在同样的管板面积上排列最多的管数，应用最为普遍，但管外不易清洗，常采用清洁流体。正方形排列或正方形错列，由于可以用机械方法清洗，因此适用与结垢的流体。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(化工单元工程及设备课程设计图3—13)。取管心距t=1.25d0，则t=1.25X25=31.25R32mm通过管束中心线的管数：n=1.19阿=1.19^.''272^20根3.3.5壳体直径米用多管程结构，取管板利用率门=0.7，则壳体内径为N '272D=1.05t■—=1.05乂32\：寿=662.33mm(化工单元工程及设备课程设计式3—19)按卷制壳体的进级档，圆整可取D=700mm3.3.6折流板设置折流板的目的是为了提高流速，增加湍动，改善传热，在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常用的有弓形折流板(图1-20)和圆盘-圆环形折流板(图1-21)，弓形折流板又分为单弓形［图1-20(a)］、双弓形［图1-20(b)］、三重弓形［图1-20(c)］等几种形式。单弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h为壳体公称直径Dg的15%〜45%，最好是20%，见图1-22(a)；在卧式冷凝器中，折流板底部开一90°的缺口，见图1-22(b)。高度为15〜20mm，供停工排除残液用；在某些冷凝器中需要保留一部分过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头，这时可采用堰的折流板，见图1-22(c)。在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一部分液体停滞起来，形成对传热不利的“死区”。为了消除这种弊病，宜采用双弓形折流板或三弓形折流板。888888C\odoooo/

xjooooq/图1-20弓形折流板888888C\odoooo/

xjooooq/图1-20弓形折流板图】⑵圆盘-圆环形折流板 图1-22单弓形折流板综合上述，本设计采用弓形折流板，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=0.2x700=140(mm)(化工单元工程及设备课程设计P69折流板和支承板)折流板间距B=0.3D,则B=0.3X700=210mm,B可取250mm。折流板数NbN\传热管长-1=竺-1=23块B折流板间距 2503.3.7接管壳程流体进出口接管：取接管内花生油流速〃=1.0m/s,则接管内径为:八 '4V ;4x39141/(3600x845)D= =。 =0.128m,取官内径为130mm1扑"] 3.14x1管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.0m/s,则接管内径为可：4x152863/(3600x996.95)八土土 =.,, =0.233m=233mm|兀"2 七 3.14x1.0圆整可取D2=240mm4换热器核算4.1传热面积校核4.1.1壳程表面传热系数可采用克恩公式：（化工单元工程及设备课程设计式3-22）ao= 0.36 £Reo0.55Pr14换热器核算4.1传热面积校核4.1.1壳程表面传热系数可采用克恩公式：（化工单元工程及设备课程设计式3-22）ao= 0.36 £Reo0.55Pr13eo当量直径，由正三角排列得：（化工单元工程及设备课程设计式3-23b）匡12MdJI2 4oJd= Je ndL3 )4x丑x0.0322-0.785x0.02522―^ J=0.020m3.14x0.025(dj(0.025jS=BD1—ItJ=0.25x0.7x1I 0.032J=0.038m2壳程流体流速及其雷诺数分别为:o壳程流通截面积：（化工单元工程及设备课程设计式3-25）39141%=?=—勇00、84»=0.33(m/s)or 结=0.02x0.33x845=78000旦0.000715oo——o普朗特准数「C日 2.22x103x715x10-6Pr=o0.140=11.34粘度校正、0.14a=0.36dReo55PrK「a=0.36dReo55PrK「Ei=0.36x— x78000.55x11.343x1=782.7W/(m2・K)0.024.1.2管内表面传热系数管内表面系数：（化工单元工程及设备课程设计式3-32）a=0.023—Re0.8Pr0.3idi

管程流体流通截面积：（化工单元工程及设备课程设计式3-33）S=-d2N=0.785x0.022x竺=0.04m2i4iNp 2管程流体流速及其雷诺数分别为:152863/(3600x996.95),八，，0.04=1.06m/s0.04Re=°.02106x"S'5=23413.5i0.0009027普朗特准数陀冬*鲍些=陀冬*鲍些=6.20.6087a=0.023匕Re0.8Pr0.3=0.023x0.6078x23413.50.8x6.20.4=4539W/(m2・K)i d 0.02i4.1.3污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻 Ro=0.000172m2-K/W管内侧污垢热阻Ri=0.000344m2.K/W管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为入=50W/（m・K）。（化工单元工程及设备课程设计表3—11）K= —K= —1 土+R do+灯+R+_!adsid Xd soa1so一 一一一 =474W/m2-C0.025 0.0250.0025x0.025 1 +0.00026x + +0.000176+ 4539x0.02 0.020 50x0.0225 782.74.1.5计算传热面积传热面积S:（化工单元工程及设备课程设计式3—35）Q1744x103mS= = =99m2KM 474x37

该换热器的实际传热面积:Sp=兀d0L(N-n)=3.14x0.025x(6-0.06)x(272-20)=117.5m2面积裕度：(化工单元工程及设备课程设计式3-36)H=SP—Sx100%=117.5-99x100%=18.7%S 994.2壁温核算因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按式t=T气±L兰h计算。由于传热管内测污w La+1ah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。t=L^m^w 1a+1a式中冷却水的平均温度和花生油的平均温度可由式t=0.4t2+0.6t1=0.4x30+0.6x20=24r（化工单元工程及设备课程设计式3—44）T=0.4〈+0.6T=0.4x110+0.6x40=68r（化工单元工程及设备课程设计式3—43）a=a=4539w/(m2•k)ah=a=782.7w/(m2•k)传热管平均壁温t=传热管平均壁温t=684539+24782.714539+1782.7=30.5r壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=68°C壳体壁温和传热管壁温之差为At=68-30.5=37.5C根据温差确定本设计的换热器为带膨胀节的固定管板式换热器或浮头式换热器，而鉴于浮头式换热器的造价一般比固定管板式换热器的造价高出二十多个百分点，以降低投资成本为目的，选择带膨胀节的固定管板式换热器。4.3换热器内压降的核算4.3.1管程流体阻力△p=（^p+Ap）NsNpFs（化工单元工程及设备课程设计式3—47）△p,=X，d气2（化工单元工程及设备课程设计式3—48）i△p=&些（化工单元工程及设备课程设计式3—49）r2△p为单程直管阻力；△p为局部阻力；N为壳程数；N为管程数；F为管程结垢校正系数，r S P S可近似取1.5；Ap^管程总阻力；七为摩擦系数；&为局部阻力系数，一般情况下取3。由Re=22375,传热管对粗糙度0.2/20=0.01，查莫迪图得人=0.04,流速u=1.06m/s，p=996.95kg/m3i所以A八~6 996.95x1.062△p=0.04x002x 2 =6721pa996.95x1.062△p=3x 2 =1680pa△p=（6721+1680）x1x2x1.5=25203pa<30Kpa管程流体阻力在允许范围之内4.3.2壳体阻力△p=0+^p）FsNs（化工单元工程及设备课程设计式3—50）Fs为壳程结垢阻力校正系数，液体取1.15流体流经管束的阻力△p广FfNC（Nb+1）与2（化工单元工程及设备课程设计式3—51）式中F为管子排列形式对阻力的影响，正三角形排列是取0.5；f为壳程流体摩擦因子，f=5.0xRe-0.228=5.0x7800-0.228=0.65；NC=1.1NtQ5=1.1x2720.5=18（正三角形排列时）；Nb=23；u=0.33；845x0.332Ap=0.5x0.65x18x24x 2 =6460pa流体流经折流板缺口的阻力Ap=Nf3.5-芝］蜡(化工单元工程及设备课程设计式3—52)ib"D)2B=0.25，D=0.7Accfeu2x0.25)845x0.332所以Ap=23x3.5一 x =2948paiI0.7) 2Ap=(Ap+Ap.)F、N、=(6460+2948)x1.5x1=14112pa<30Kpa壳程阻力在允许范围之内。5设计结果汇总表参数管程壳程参数管程壳程流量kg/h152863流量kg//出口温度/°c20/30110/40压力/MPa0.3定性温度/c2575密度/(kg/m3)996.95845定压比热容/[kj/(kg・k)]4.182.22粘度/(Pa-s)0.00090270.000715热导率(W/m-k)0.60780.14形式固定管板式壳程数壳体内径/mm700台数管径/mm中25X2.5管心距/mm管长/mm6000管子排列管数目/根272折流板数/个传热面积/E117.5折流板间距/mm管程数2材质主要计算结果管程壳程流速/(m/s)1.060.33表面传热系数/[W/(E・k)]4539782.7污垢热阻/(E・k/W)0.000260.000178压降Pa2520314112热流量/KW1689.6传热温差/K37.5传热系数/[W/(E・k)]47418.7%物性设备结构参数6结果与讨论作为食品科学与工程专业的学生，我深知《食品工程原理》是一门非常重要的专业基础课程，进行适当的设计训练对于加深我对课程的