食品工程原理设计参考

食品工程原理
课程设计说明书题目：×××××××
专业班级：
学号：
姓名：
任务期限：2015.12.21~2015.12.25
目录
一课程设计任务书 (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 (1)
三确定物性数据 (1)
四计算总传热系数 (2)
1 热流量 (2)
2 平均传热温差 (2)
3 冷却水用量 (2)
4 总传热系数K (2)
五计算传热面积 (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 平均传热温差校正及壳程数 (4)
4 传热管排列和分程方法 (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)
八离心泵的选择 (10)
1 管径初选 (10)
2 压头He (11)
3 泵型号的选择 (12)
九、流程示意图 (12)
十总结 (12)
十一主要参考文献 (12)
一 课程设计任务书
某生产过程中，需将5200 kg/h 的牛奶从95℃冷却至35℃；冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.2MPa ，循环水入口温度18℃，出口温度为26℃。

试设计一台换热器，并选择一台冷却水输送泵，完成将牛奶冷却的任务。

二 设计方案的确定
1 选择换热器的类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度95℃，出口温度35℃冷流体(循环水)进口温度18℃，出口温度26℃。

该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。

2 管程安排
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，牛奶品走壳程。

选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取u i=0.5m/ｓ。

三 确定物性数据
定性温度：可取流体进口温度的平均值。

壳程牛奶的定性温度为℃652
65
95T =+=
(℃) 管程流体的定性温度为℃222
18
26T =+=
(℃) 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65℃下的有关物性数据如下： 密度 ρo=1029.99 kg/m 3
定压比热容 c po=4.05 kJ/(kg·℃)
导热系数 λo=0.61W/(m·℃) 粘度 μo=0.00065 Pa·s 循环冷却水在22℃下的物性数据： 密度 ρi=997.7 kg/m 3
定压比热容 c pi=4.08 kJ/(kg·℃) 导热系数 λi=0.602 W/(m·℃) 粘度 μi=0.0009636 Pa·s
四 计算总传热系数
1 热流量
Q o=W o c po Δt o=5200×4.05×(95-35)=1.26×106
kJ/h=351kW)
2 平均传热温差
℃）（）（3718-3526-95ln 18-35-26-95ln
-t t t t t 2
1
21'
m
==∆∆∆∆=∆(℃)
3 冷却水用量
(kg/h)
4 总传热系数K
管程传热系数
W/(m·℃)壳程传热系数
假设壳程的传热系数αo=290 W/(m2·℃)；
污垢热阻R si=0.000344 m2·℃/W , R so=0.000172 m2·℃/W
管壁的导热系数λ=45 W/(m·℃)
=219.5 W/(m·℃)
五计算传热面积
(m2)
考虑 15％的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×42.8=49.2(m2)。

六工艺结构尺寸
1 管径和管内流速
选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速u i=0.5m/s。

2 管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
按单程管计算，所需的传热管长度为(m)
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=6m，则该换热器管程数为(管程)
传热管总根数 N=58×2=116(根)
3 平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。

但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得φΔt=0.82
平均传热温差Δt m=φΔtΔ′t m=0.82×39=32(℃)
4 传热管排列和分程方法
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。

取管心距t=1.25 d0，则
t=1.25×25=31.25≈32(mm)
横过管束中心线的管数(根)
5 壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为
(mm)
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＝
0.25×450＝112.5(mm)，故可取h＝110 mm。

取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×450＝135(mm)，可取B为150。

折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=6000/150-1=39(块)
折流板圆缺面水平装配。

7 接管
壳程流体进出口接管：取接管内牛奶品流速为u＝1.0 m/s，则接管内径为
取标准管径为50 mm。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u＝1.5 m/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形折流板，可采用凯恩公式
当量直径，由正三角形排列得
(m)
壳程流通截面积
(m)
壳程流体流速及其雷诺数分别为
普兰特准数
粘度校正
W/(m2·℃) （2）管程对流传热系数
管程流通截面积(m2) 管程流体流速
普兰特准数
W/(m2·℃) （3）传热系数K
=310.2 W/(m·℃)
（4）传热面积S
(m2)
该换热器的实际传热面积Sp
( m2)
该换热器的面积裕度为
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
∑ΔP i=(ΔP1+ΔP2)F t N s N p
N s=1, N p=2, F t=1.5
由Re＝13628，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.005，查莫狄图得λi＝0.037 W/m·℃，流速ui＝0.497 m/s，ρ＝994 kg/m3，所以
管程流动阻力在允许范围之内。

（2）壳程阻力
∑ΔP o=(ΔP′1+ΔP′2)F t N s
N s＝l，F t＝l
流体流经管束的阻力
流体流过折流板缺口的阻力
总阻力∑ΔP o＝1202＋636.2＝1838.2(Pa)＜10 kPa
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换热器主要结构尺寸和计算结果见表1。

表1 换热器主要结构尺寸和计算结果
八 离心泵的选择
1 管径初选
初取水经济流速
由于87mm 不是标准管径，因此确定
hr
m q q s
kg hr T q m v m 311132360099785
.885.886.31=⨯====ρs m u 5.1=2220059.05.199785.8m u q A m l =⨯==ρmm d l 87=mm d l 75=
经计算
符合经济流速范围
故确定
2 压头He
在水槽液面及压力表2处列柏努利方程 ，如图
取
查图得 λ=0.025 局部阻力：
底阀1个 标准90°弯头3个 球心阀1个
流入换热器
流出换热器
故
换热器压降
因此
所以
s m u 0.2075
.0785.099785
.82
=⨯⨯=
mm
d l 75=s
m u 0.2=f e a H g u z g p H g p ++∆+=+22
2ρρmm 15.0=ε002.0/=d ε5107.1Re ⨯==μρu d l 5.8=ξ375.0⨯=ξ5.9=ξ()()
96.05.0/075.0112
22221=-=-=A A ξ()()
49.05.0/075.015.015.02212=-=-=A A ξ7.2149.096.05.9375.05.8=+++⨯+=∆ξPa t 3544=℘∆m g g u d l H t f 2.681.9997354481.920.27.21075.0515025.0222=⨯+⨯⨯⎪⎭⎫
⎝⎛++⨯=℘∆+⎪⎭⎫ ⎝⎛∑+=ρξλm H e 4.162.681.920.2881.999781.9102.02
4=+⨯++⨯⨯⨯=
3 泵型号的选择
九、流程示意图
十总结
十一主要参考文献。