食品工程原理课程设计

食品工程原理课程设计摘要：本课程设计围绕换热器展开，阐述了换热器的选型依据、设计计算过程以及相关参数的确定。通过对给定热流体和冷流体的参数分析，选择了适宜的换热器类型，经详细计算得出换热器的各项尺寸参数，为实际工程中的换热器设计提供了参考。

一、引言换热器作为化工、食品等众多行业中广泛应用的设备，对于实现热量传递、提高能源利用效率起着至关重要的作用。本次食品工程原理课程设计旨在通过对给定工况下换热器的设计，加深对换热器工作原理、设计方法及相关计算的理解与掌握。

二、设计任务及原始数据

（一）设计任务设计一台用于食品工业的换热器，实现热流体与冷流体之间的热量交换。

（二）原始数据1.热流体：某食品加工过程中的高温物料，流量为5000kg/h，进口温度120℃，出口温度80℃。2.冷流体：冷却水，流量为6000kg/h，进口温度20℃。3.允许的压力降：热流体和冷流体的压力降均不超过100kPa。

三、换热器选型根据热流体和冷流体的性质以及设计要求，考虑到食品工业对卫生要求较高，且流量相对适中，选择管壳式换热器。管壳式换热器具有结构简单、制造方便、适应性强等优点，能较好地满足本次设计任务。

四、物性参数计算（一）热流体物性参数计算1.确定热流体的比热容通过查阅相关食品物性手册，根据热流体的成分估算其比热容。假设热流体为某种含糖溶液，查得在平均温度[(120+80)/2]=100℃时，比热容约为3.8kJ/(kg·K)。2.计算热流体的雷诺数热流体的流量$m_1=5000kg/h=1.39kg/s$，管径初选$d=25mm$。热流体的流速$u_1=\frac{m_1}{\rho_1A_1}$，假设热流体密度$\rho_1=1050kg/m^3$，管内截面积$A_1=\frac{\pi}{4}d^2=\frac{\pi}{4}\times(0.025)^2=4.91\times10^{4}m^2$，则$u_1=\frac{1.39}{1050\times4.91\times10^{4}}=2.7m/s$。热流体的雷诺数$Re_1=\frac{du_1\rho_1}{\mu_1}$，查得在100℃时热流体的粘度$\mu_1=0.0015Pa·s$，则$Re_1=\frac{0.025\times2.7\times1050}{0.0015}=47250$，流体呈湍流状态。

（二）冷流体物性参数计算1.确定冷流体的比热容查得水在平均温度[(20+t2)/2]（t2为冷流体出口温度，未知待求）时的比热容$c_p2=4.18kJ/(kg·K)$。2.计算冷流体的雷诺数冷流体的流量$m_2=6000kg/h=1.67kg/s$。假设管程结构与热流体相同，管径$d=25mm$，管内截面积$A_2=4.91\times10^{4}m^2$，则冷流体流速$u_2=\frac{m_2}{\rho_2A_2}$，水在20℃时密度$\rho_2=998kg/m^3$，则$u_2=\frac{1.67}{998\times4.91\times10^{4}}=3.4m/s$。冷流体的雷诺数$Re_2=\frac{du_2\rho_2}{\mu_2}$，查得水在20℃时的粘度$\mu_2=0.001Pa·s$，则$Re_2=\frac{0.025\times3.4\times998}{0.001}=84830$，流体呈湍流状态。

五、传热计算

（一）热负荷计算根据热流体的流量、比热容和进出口温度，计算热负荷$Q$：$Q=m_1c_p1(T_1T_2)$$=5000\times3.8\times(12080)/3600=211.1kW$

（二）对数平均温差计算1.初步假设冷流体出口温度$t_2=50℃$。2.计算对数平均温差$\DeltaT_m$：热流体进出口温度$T_1=120℃$，$T_2=80℃$；冷流体进出口温度$t_1=20℃$，$t_2=50℃$。$\DeltaT_m=\frac{(T_1t_2)(T_2t_1)}{\ln\frac{T_1t_2}{T_2t_1}}=\frac{(12050)(8020)}{\ln\frac{12050}{8020}}=64.9℃$

（三）传热系数计算1.管内对流传热系数$\alpha_1$采用迪图斯贝尔特公式计算：$\alpha_1=0.023\frac{\lambda_1}{d}Re_1^{0.8}Pr_1^{0.4}$查得热流体在100℃时的导热系数$\lambda_1=0.3W/(m·K)$，普朗特数$Pr_1=10$。$\alpha_1=0.023\times\frac{0.3}{0.025}\times47250^{0.8}\times10^{0.4}=3120W/(m^2·K)$2.管外对流传热系数$\alpha_2$水在管外流动，采用相同公式计算，假设管外传热系数关联式中的特征尺寸为管外径$d$。$\alpha_2=0.023\frac{\lambda_2}{d}Re_2^{0.8}Pr_2^{0.4}$查得水在平均温度[(20+50)/2]=35℃时的导热系数$\lambda_2=0.62W/(m·K)$，普朗特数$Pr_2=5.4$。$\alpha_2=0.023\times\frac{0.62}{0.025}\times84830^{0.8}\times5.4^{0.4}=5480W/(m^2·K)$3.污垢热阻查食品工业换热器污垢热阻，管内污垢热阻$R_s1=0.0002m^2·K/W$，管外污垢热阻$R_s2=0.0001m^2·K/W$。4.管壁热阻假设管壁材料为碳钢，壁厚$\delta=2mm$，导热系数$\lambda=45W/(m·K)$。管壁热阻$R_w=\frac{\delta}{\lambda}=\frac{0.002}{45}=4.44\times10^{5}m^2·K/W$5.传热系数$K$$K=\frac{1}{\frac{1}{\alpha_1}+R_s1+\frac{\delta}{\lambda}+\frac{1}{\alpha_2}+R_s2}$$=\frac{1}{\frac{1}{3120}+0.0002+4.44\times10^{5}+\frac{1}{5480}+0.0001}=1870W/(m^2·K)$

（四）换热器面积计算根据传热方程式$Q=KA\DeltaT_m$，可得换热器面积$A$：$A=\frac{Q}{K\DeltaT_m}=\frac{211100}{1870\times64.9}=17.6m^2$

（五）核算冷流体出口温度根据热平衡方程$Q=m_2c_p2(t_2t_1)$，可得：$t_2=t_1+\frac{Q}{m_2c_p2}=20+\frac{211100}{6000\times4.18}=28.4℃$与假设的50℃相差较大，重新假设冷流体出口温度$t_2=28.4℃$，重复上述计算过程。再次计算对数平均温差：$\DeltaT_m=\frac{(12028.4)(8020)}{\ln\frac{12028.4}{8020}}=75.4℃$重新计算传热系数$K$：$K=\frac{1}{\frac{1}{\alpha_1}+R_s1+\frac{\delta}{\lambda}+\frac{1}{\alpha_2}+R_s2}=1850W/(m^2·K)$重新计算换热器面积$A$：$A=\frac{Q}{K\DeltaT_m}=\frac{211100}{1850\times75.4}=15.1m^2$

六、阻力计算

（一）管程阻力计算1.直管阻力管程直管阻力$h_f1=\lambda\frac{l}{d}\frac{u_1^2}{2}$假设管程长度$l=3m$，摩擦系数$\lambda$采用柏拉修斯公式计算，对于湍流$Re>4000$，$\lambda=0.3164/Re_1^{0.25}=0.3164/47250^{0.25}=0.02$。$h_f1=0.02\times\frac{3}{0.025}\times\frac{2.7^2}{2}=29.2Pa$2.局部阻力管程进出口等局部阻力系数$\sum\xi=1.5$，局部阻力$h_f2=\sum\xi\frac{u_1^2}{2}=1.5\times\frac{2.7^2}{2}=5.5Pa$管程总阻力$h_p=h_f1+h_f2=29.2+5.5=34.7Pa<100kPa$

（二）壳程阻力计算1.折流板阻力壳程折流板阻力$h_f3=\frac{3u_2^2}{2}$（经验公式）$h_f3=\frac{3\times3.4^2}{2}=17.3Pa$2.进出口阻力壳程进出口阻力系数$\sum\xi'=1$，进出口阻力$h_f4=\sum\xi'\frac{u_2^2}{2}=1\times\frac{3.4^2}{2}=5.8Pa$3.管束阻力管束阻力$h_f5=\frac{Nu_2^2}{2}$（N为管子数目，需根据换热器结构确定，假设N=100）$h_f5=\frac{100\times3.4^2}{2}=5780Pa$壳程总阻力$h_s=h_f3+h_f4+h_f5=17.3+5.8+5780=5803.1Pa<100kPa$

七、换热器结构设计

（一）管程结构1.管径选择：根据计算及实际情况，选用$\phi25\times2mm$的无缝钢管。2.管程数：确定为单管程。3.管子排列方式：采用正三角形排列。

（二）壳程结构1.壳体内径：根据换热器面积和管程结构，初步确定壳体内径为500mm。2.折流板：采用弓形折流板，折流板间距为200mm。3.接管尺寸：热流体进出口接管直径为50mm，冷流体进出口接管直径为65mm。

八、结论通过本次课程设计，完成了一台食品工业用换热器的