果汁课程设计任务书资料

一、课程设计任务书
1.设计任务：
某生产过程中，需要将从反应器出来的高温果汁冷却。

冷却介质为循环水池内的池水。

试设计一个换热器，并选择一台冷却水输送泵，完成将果汁冷却的任务。

2.设计条件：
（1）.果汁流量=5700（kg/h）；
（2）.果汁初始温度80℃，冷却后的温度为38℃。

（3）.循环水池内水的入口温度：16℃，出口温度：24℃。

要求进入换热器时的压力不小于0.2MPa。

（4）.冷却水输送系统，泵进口段管长5米，标准90°弯头1个，底阀1个；泵出口段管长14米，标准90°弯头2个；球阀1个。

水池水面距换热器进水口的垂直距离为6米。

二、设计方案的确定
1.选择换热器的类型
由设计条件可知，果汁需要从80℃冷却至38℃，循环水（16℃）作为冷却剂。

考虑到管板式换热器效率高，紧凑灵活，冬季操作时温度较低，管壁问和壳壁温相差较大，因此确定选用带膨胀节的固定管
板式换热器。

2.管程安排
由于循环冷却水交易结垢，为便于水垢清洗，使循环水走管程，果汁走壳程，选用25*2.5Φ的碳钢管，管内流速ui=1m/s
三、确定物性数据
定性温度：可取流体进口温度的平均值。

壳程果汁的定性温度为：8038
=
=592T +（℃） 管程流体的定性温度：1624
==202
T +（℃） 根据定性温度，查取果汁和水的有关五行数据：
由于果汁大部分有水组成，其物性特征和水基本相似。

故以水为基准估计果汁在59℃下的物性数据如下： 密度：3o = 1060 Kg/m ρ
定压比热容：o p =3.188KJ /kg*C （℃） 导热系数：o = 0.5608w/m*λ（℃） 粘度：3o = 1.48710a P S μ-⨯⋅ 循环冷却水在20℃下的物性数据： 密度：3i = 998.2g /m K ρ 定压比热容：3o = 1060 Kg/m ρ 导热系数：i = 0.5985w /(m λ⋅℃） 粘度：3i = 1.004210a P S μ-⨯⋅
四 总传热系数
1.热流量
5o o o =p t =5700 3.18842=7.6310kJ/h=212.002kw Q W C ⨯⨯⨯⨯⨯
2.平均热温差
12m 1t t 80382416)
t =
=20.5ln()ln
2416t2
∆-∆---∆=-∆，（）（℃ 3.冷却水用量
o i i i 763207.2=
== 22806kg /h p t 4.1838
Q W C ∆⨯ 五 传热面积
假设总传热系数2= 380w /m K ⋅（℃）
3
2m 212.00210=== 27.21m t 38020.5
Q S K ⨯''∆⨯
考虑15%的面积裕度，
2=1.15=1.1527.21= 31.29m S S ''⨯⨯
六 工艺结构尺寸
1.管径和管内流速
选用25 2.5φ⨯传热管，取管内流速i =1.2m/s μ
2.管程数和传热管数
22i 22806/998.23600n=
=
=16.90.7850.02 1.2
d u
4
V
π
⨯⨯⨯（）
取整数17根
按单程管计算，所需的传热管长度为o 31.29
==23.45d n 3.140.02517
S L π=
⨯⨯m 按单程设计，传热管过长，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23.45
=
=3.91l
6
P L N =取整为4 传热管总根数：17468(N =⨯=根） 3.平均传热温差矫正及壳程数 平均传热温差系数
8038
=
=5.252416R -- 2416==0.198038P -- 按单壳程，双管结构，温差校正系数应查有关图表。

但R=5.25的点在图上难以读出，因而相应以1/R 代替R ，PR 代替P ，查同一曲线，
可得o t=0.80A &&&&，平均传热温差m t =otA
A &&&&&&， m t =0.8020.5=16.4⨯℃
4.传热管排列，隔板两侧采用正方形排列 取管心距0t=1.25d
t=1.2525=31.2532mm ⨯≈
横过管束中心线的管数c n 10≈根
5.壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率=0.6ε，则壳体内径为
D =⨯
圆整可取D=450mm
6.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=0.25450=112.5⨯mm ，故可取h=110mm 取折流板间距B=0.3D,则=0.3450=135mm B ⨯，可取B 为160
折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=8000/160-1=49（块）。

折流板圆缺面水平装配。

7.接管
壳程流体进出口接管：去接管内果汁流速为u=1.5m/s ，则接管内径为
，所以取标准管内径为36mm 管程流体进出后接管：取接管口内循环水流速u=2m/s ，则接管内径为
七 换热器核算
1 热量核算
（1）壳程对流传热系数对圆缺折流板，可采用凯恩公式
当量直径，有正三角排列的
22
0e 0
4d 24d =
0.020d ππ-） 壳程流通面积
00d 0.025(1=0.160.451=0.01575t 0.032
S BD =-
⨯⨯-）（） 壳程流体流速及其雷诺指数分别为
05700/36001060u =
=0.0950.01575
⨯（）
03
0.020.0951060Re ==1354.41.48710-⨯⨯⨯ 普兰特指数
33
3.18810 1.48710Pr ==8.450.5608
-⨯⨯⨯
粘度校正 w
1μμ≈（
） 0.551/3
00.5108=0.361354.48.45=989.950.02
α⨯
⨯⨯（）（） （2）管程对流传热系数
0.80.4i
i i
=0.023
Re Pr d λα
管程流通截面积
2i =0.7850.0268/2=0.0107S ⨯⨯ 管程流体流速
i 22806/3600998.2u =
=0.5930.0107
⨯（）
m/s
030.020.593998.2Re ==117891.004210-⨯⨯⨯
普特兰准数
33
4.18310 1.004210Pr ==7.020.5985
-⨯⨯⨯
0.80.4
i 0.5985=0.023117897.02=2712.70.02
α⨯
⨯⨯（）（） （3）传热系数
污垢热阻：21s =0.00021m /w R ℃ 22s =0.00015m /w R ℃
000si so i i i m o
1
=
=513.9d d bd 1
d d d K R R αλα++++w/(m*℃)
（4）传热面积S
3m 212.00210===20.13t 513.920.5
Q S K ⨯∆⨯ 该换热器的实际传热面积Sp
2o p=d l 3.140.27.0025(60.06)(6810)27.0m S N π=⨯⨯-⨯-=
该换热器的面积裕度为
p 27.020.13
100%=100%=34.1%20.13
S S H S --=
⨯⨯ 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务
2 换热器内流体的流动阻力 1）管程流动阻力
1
2
i=)t s p AP
AP AP F N N +∑&&&&&&（ Ns=1，Np=2，Ft=1.4
22
1i
2l u u =d 22
P P ρρλς∆∆=， 由Re=11789，传热管相对粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄图i e =0.035w /m ⋅&&℃
流速i u =0.593m/s ，3=998.2km/m ρ，所以
2
16998.20.593=0.035=1842.80.022P ⨯∆⨯
⨯ 2
2998.20.593=3=526.52
P ⨯∆⨯
i
=1842.8526.52 1.4=8055.62a 10kpa P P ∆+⨯⨯≤∑（）
（）（） 管程流动阻力在允许范围内。

2）壳程阻力
(12)t s O
AP
AP
AP F N =+∑&&
&&&& Ns=1，Ft=1.16 流体流经管束的阻力
2
o 1o c u =f n 1
2
B P F N ρ'∆+（））
F=0.5
0.228o f =51354.4=0.9658-⨯ c o n =1049u =0.095B N =，，
2
110600.0950.50.965810(491)1154.92
P ⨯'∆=⨯⨯⨯+⨯
= (pa) 流体流过折流板缺口的阻力
2
o 1u 2=N 3.5)2
B B P D ρ'∆-（
B=0.16（m ），D=0.45（m ）
2
220.1610600.095=49 3.5=653.90.452
P ⨯⨯'∆⨯-⨯（）（pa ）
总阻力o
=1154.9653.9=1808.8AP +∑&&（pa ）10kpa ≤ 壳程流动阻力也比较适宜。

3）换热器主要结构尺寸和计算结果。

表1 换热器主要结构尺寸和计算结果
管口表
八、离心泵的初选
1.管径初选
m1q =31.86/hr=6.335kg/s T
3m1v 1
q 6.335q ==3600=23m /hr 998.2ρ⨯ 初取水经济流速 u=1.5m/s
2m212q 6.335===0.0042m u 998.2 1.5
A ρ⨯
2l =d 4A π
⇒
由于73mm 不是标准管径，因此确定l d =75mm
经计算
2
6.335u==1.44m/s 998.20.7850.075⨯⨯ 符合经济流速范围
故确定l d =75mm u=1.44m/s
2.压头He
在水槽页面及压力表2出列伯努利方程，
2
2f a u e=z g g 2g
P H H ρρρ++∆++ 取=0.15/d=0.002εε，
5l 0.075998.2 1.44Re =d u /==1.1100.0010042
ρμ⨯⨯⨯ 查图得=0.025λ
局部阻力：
底阀1个 =8.5
ξ 标准90°弯头2个 =0.752ξ⨯
球心阀1个 =9.5
ξ 流入换热器 =1ξ
流出换热器 =0.5
ξ 故=8.5+20.75+9.5+1+0.5=21ξ∆⨯
换热器压降t =6246ϑ∆
因此
22t t l u 145 1.446246==0.02521=3.53d 2g g 0.07529.81998.29.81
H ϑλξρ∆+++⨯+⨯+⨯⨯∑（）（） 所以62
0.210 1.44e=8 3.53=32.05998.29.8129.81H ⨯+++⨯⨯ 3.泵型号的选择
由设计条件和计算数据查表可得所选泵型号为75BP 2000250--
九、设计体会
这是第一次做关于专业课的课程设计，通过这次设计我深深的体会到了做工程的不易，学好专业课更不容易。

虽然不是第一次做课程设计，但是在开头的时候还是有些摸不着头脑，对整个设计没有完整
的理念，所以第一天的时间我全花在找资料和看例子上面。

做了一天的准备虽然有了些头绪，在第二天的计算中还是遇到了很多的问题，比如说参数的确定，选好管子算流速，由于流速比较小算出来的雷诺数比较小导致果汁始终处于层流程等等。

虽然算的过程很纠结，也很烦躁，但是这些问题还是在老师的指导和同学们的帮助下得到解决，并完成了计算还是很开心的。

虽然设计计算过程很艰辛，也没少犯错误，但是我通过这次设计还是学到了很多的东西。

比如word我文档公式的运用，Excel在数据处理方面的运用等。

还有要有一颗执着的求知心，不能遇到点困难就自暴自弃、烦躁，要有耐心。

要用脑子去积极地思考问题，将问题考虑的全面化，不然设计出来的作品有可能出现重大的事故等等....总之通过这次设计任务我深刻地体会到了自己对知识的掌握还不够好，不够牢固，对事物整体认知程度还不够。

所以在以后的学习中要主动地接近知识，积极、认真、全面地思考问题，为自己未来的职业生涯打好基础。

十、参考资料
1．杨同舟, 于殿宇. 食品工程原理（第二版）. 中国农业出版社. 2011
2．贾绍义. 化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）. 2002 3．匡国柱, 史启才.化工单元过程及设备课程设计. 北京:化学工业出版社.
2002
4．汤金石. 化工过程及设备课程设计(第2版). 1998
5．天津大学化工原理教研组.化工原理课程设计. 天津:天津大学出版社. 2002 6．涂伟萍, 陈佩珍,程达芳.化工过程及设备设计. 北京:化学工业出版社. 2000 7．柴诚敬. 化工原理课程设计. 1994
8．潘国昌, 郭庆丰. 化工设备设计. 北京:清华大学出版社. 1996
9．刘光启. 化工物性算图手册. 北京:化学工业出版社. 2002
目录
一、课程设计任务书 (1)
1.设计任务： (1)
2.设计条件： (1)
二、设计方案的确定 (1)
1.选择换热器的类型 (1)
2.管程安排 (2)
三、确定物性数据 (2)
四总传热系数 (3)
1.热流量 (3)
2.平均热温差 (3)
3.冷却水用量 (3)
五传热面积 (3)
六工艺结构尺寸 (4)
1.管径和管内流速 (4)
2.管程数和传热管数 (4)
3.平均传热温差矫正及壳程数 (4)
4.传热管排列，隔板两侧采用正方形排列 (5)
5.壳体内径 (5)
6.折流板 (5)
7.接管 (5)
七换热器核算 (6)
1 热量核算 (6)
2 换热器内流体的流动阻力 (8)
八、离心泵的初选 (11)
1.管径初选 (11)
2.压头He (11)
3.泵型号的选择 (12)
九、设计体会 (12)
十、参考资料 (13)
食品工程原理
课程设计说明书
题目：果汁冷却的操作单元设计
姓名：***
学号： ********** 班级： ************
2013 年 12 月 30日。