食品工程原理课程设计--换热器设计

0.4
= 2737.01 W/( m2·℃)
壳程传热系数 假设壳程的传热系数 σ 0 =400 W/(m2·℃)； 污垢热阻
R s i =0.000172m2·℃/W , Rs0 =0.000516m2·℃/W
管壁的导热系数 λ=45.4 W/( m2·℃)
3
K=
1 d0 d 0 bd 0 1 + Rsi + + Rs 0 + α i di α0 di λ d m
5
取折流板间距 B＝0.3D，则 B＝0.3×400＝120 (mm) 则可取 B 为 150 折流板数 N B =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：取接管内油品流速为 u＝1.5 m/s，则接管内径为
d=
取标准管径为 50 mm。
考虑 15％的面积裕度.S=1.15×S′=1.15×23.6=27.2(m2)。 5．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 ui=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
4
ns =
π
4
V di2u
=
9431.47 / (994 × 3600) = 17 （根） 0.785 × 0.022 × 0.5
α 0 = 0.5 ×
②管程对流传热系数 α i = 0.023 管程流通截面积
λi
di
Re0.8 Pr 0.4
Si =
管程流体流速
π
4
d 02 N / N p = 0.785 × 0.022 × 68 / 4 = 0.005338(m 2 )
ui =
Wi / ρ 9431.47 = = 0.49376(m / s ) 3600 × 994 × 0.005338 Si di ui ρi
二、主要参数说明
B——折流板间距， m ； C——系数，无量纲； d——管径，m； D——换热器外壳内径，m； f——摩擦系数； F——系数； h——圆缺高度，m； K——总传热系数，W/(m2·℃)； L——管长，m； m——程数； n——指数； N——管数；
NB——折流板数；
Nu——怒赛尔特准数； P——压力，Pa； Pr——普兰特准数 q——热通量，W/m2； Q——传热速率，W； r——半径，m； R——热阻， m ⋅°C / W ;
④传热面积 S
S=
该换热器的实际传热面积 Sp
Q 320.67 × 103 = = 24.3(m 2 ) K Δtm 315.1× 41.8
S p = π d0lN = 3.14 × 0.025 × (6 − 0.06) × (68 − 10) = 27.05(m2 )
7
该换热器的面积裕度为
H=
Sp − S S
1 0.025 0.025 0.0025 × 0.025 1 + 0.000172 × + + 0.000516 + 2709.92 × 0.020 0.020 45.4 × 0.0225 400 = 266.7W / (m ⋅ ℃) =
4．计算传热面积
s '' =
Q 320.67 × 103 = = 23.6(m 2 ) K Δtm 266.7 × 50.9
L 20.4 = ≈ 4(管程） 6 l
130 − 50 = 2.7 50 − 20 50 − 20 = 0.273 P= 130 − 20 R=
按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表，可得 φΔt=0.822 平均传热温差 Δtm=φΔtΔ′tm=0.822×50.9=41.8(℃) 由于平均传热温差校正系数大于 0.8，同时壳程流量较大，故取单壳程合适。 （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 d 0 ，则 t=1.25×25≈32(mm) 各程相邻管的管心距为 44m 横过管束中心线的管数
2
下标
c——冷流体； h——热流体； i——管内； m——平均； o——管外； s——污垢.
1
三、设计计算
1.确定设计方案 工艺要求： 某生产过程中，需将 6500 kg/h 的大豆油从 130℃冷却至 50℃，压力为 0.3MPa；冷却介质采 用循环水，循环冷却水的压力为 0.4MPa，循环水入口温度 20℃，出口温度为 50℃。管路布置如 图所示，已知泵进口段管长 L进 = 6米 ，泵出口段管长 L出 = 12米 （均不包括局部阻力损失） 。试 设计一台列管式换热器并选用一台合适的离心泵，完成该生产任务。 （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 130℃， 出口温度 50℃， 冷流体(循环水)进口温度 20℃， 出口温度 50℃。浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动。壳 体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮 头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体，这样为检修，清洗提供了方便。 （2）流动空间及流速的确定 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， 油品走壳程。 选用 ф25×2.5 的碳钢管，管内流速取 ui =0.7m/ｓ。 2．确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。
×100% =
27.05 − 24.3 ×100% = 11.28% 24.3
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 ∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNp Ns=1, Np=4, Ft=1.4
Re0 =
普兰特准数
μ0
=
0.02 × 0.1684 × 825 = 3886.15 0.000715
6
Pr =
⎛ μ ⎞ 粘度校正 ⎜ ⎟ ⎝ μw ⎠
0.14
c p0 μ0
λ0
=
2220 × 0.000715 = 11.34 0.14
≈1 0.14 × 3886.150.507 × 11.341/3 = 519.4W / ( m 2 ⋅ C ) 0.020
λ0 =0.140 W/(m·℃)
μ0 =0.000715 Pa·s
循环冷却水在 35℃下的物性数据：
2
密度
ρi =994 kg/m3
定压比热容 导Biblioteka Baidu系数 粘度
cpi =4.08 kJ/(kg·℃)
λi =0.626 W/(m·℃) μi =0.0007225 Pa·s
3．计算总传热系数 （1）热流量 Qo=WocpoΔto=6500/3600×2.22×(130-50)=320.67(kW)
选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洁，符合实际需要等原则。换热器分为几 大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板 翅式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。在众多类型的换热器中，浮头 式换热器应用较为广泛。它的结构简单，其优点有介质间温差不受限制，可在高温，高压下工作， 可用于结垢比较严重的场合，可用于管程易腐蚀场合，尤其是其内管束可以抽出，以方便清洗管 及壳程，管束在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差压力，所以，首选浮头式 换热器。
按单程管计算，所需的传热管长度为
L=
S 27.2 = = 20.4(m) π d 0 ns 3.14 × 0.025 × 17
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
NP =
传热管总根数 N =17×4=68(根) （3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数
壳程流通截面积
S0 = BD (1 −
d0 0.025 ) = 0.15 × 0.40 × (1 − ) = 0.013(m 2 ) t 0.032
壳程流体流速及其雷诺数分别为
u0 =
qm / ρ 0 6500 / (3600 × 825) = = 0.1684(m / s ) 0.013 S0 d 0 × u0 × ρ 0
K=
1 d0 d bd 1 + Rsi 0 + 0 + Rs 0 + di λ d m α i di α0 1
=
0.025 0.025 0.0025 × 0.025 1 + 0.000172 × + + 0.000516 + 2709.92 × 0.020 0.020 45.4 × 0.0225 519.4 2 = 315.1W / (m ⋅ ℃)
2
Re——雷诺数； S——传热面积，m2； t——冷流体温度，℃； T——热流体温度，℃； u——流速，m/ｓ； W——质量流量，kg/s； a——对流传热系数， w / (m i C ) Δ——有限差值； λ——导热系数， w / ( mi C ) ； μ——粘度，Pa.s； ρ——密度，kg/m3； φ——校正系数；
' （2）平均传热温差 Δtm =
Δt1 − Δt2 (130 − 50) − (50 − 20) = = 50.9 （℃） Δt1 130 − 50 ln ln Δt 2 50 − 20
（3）冷却水用量
wi =
Q0 320.67 × 3600 = = 9431.47 (kg/h) c pi Δti 4.08 × (50 − 20)
（4）总传热系数 K 管程传热系数
Re =
di ui ρi
μi
=
0.02 × 0.5 × 994 = 13757.79 0.0007225
0.8 0.4
i
λ ⎛ d u ρ ⎞ ⎛ c p μi ⎞ α i = 0.023 i ⎜ i i i ⎟ ⎜ ⎟ di ⎝ μi ⎠ ⎝ λi ⎠
3 0.626 0.8 ⎛ 4.08 × 10 × 0.0007225 ⎞ = 0.023 × × (13757.79 ) ⎜ ⎟ 0.02 0.626 ⎝ ⎠
nc = 1.1 N = 1.1 68 = 10 (根)
（5）壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率 η＝0.71，则壳体内径为
D = 1.05t N / η = 1.05 × 32 × 68 / 0.71 = 338.6(mm)
圆整可取 400mm （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 20％，则切去的圆缺高度为 h＝ 0.20×400＝80(mm)，故可取 h＝80 mm。
①壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用公式
α 0 = 0.5
当量直径，由正三角形排列得
λ
de
R
0.507 1/3 e r
P
⎛ μ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ μw ⎠
0.14
⎛ 3 2 π 2⎞ ⎛ 3 ⎞ π × 0.0322 − × 0.0252 ⎟ t − d0 ⎟ 4 ⎜ 4⎜ 2 4 ⎠ 2 4 ⎠ = 0.020(m) = ⎝ de = ⎝ π d0 3.14 × 0.025
Rei =
普兰特准数
μi
=
0.02 × 0.49376 × 994 = 13586.1 0.0007225
Pri =
C pi μi
λi
4.08 ×103 × 0.0007225 = = 4.71 0.626
α i = 0.023 ×
③传热系数 K
0.626 ×13586.10.8 × 4.710.4 = 2709.92W / m 2 ⋅ K 0.02
130 + 50 =90(℃) 2 20 + 50 管程冷却水的定性温度为 t= =35(℃) 2
壳程大豆油的定性温度为 T= 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 大豆油在 90℃下的有关物性数据如下： 密度
ρ
0
=825 kg/m3
定压比热容 导热系数 粘度
cp0 =2.22kJ/(kg·℃)
一、设计依据及指导思想
换热器广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业。在食品工业中 的加热、 冷却、 蒸发和干燥的单元操作中， 我们也经常见到换热器应用于食品物料的加热或冷却。 在众多类型的换热器结构中，管壳式换热器应用最为广泛，因此要根据特定的工艺要求设计合理 的换热器，以满足不通场所的需求。
4V 4 × 6500 / (3600 × 825) = = 0.043(m) 3.14 ×1.5 πu
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u＝1.1m/s，则接管内径为
d=
Wi / ρ
π
=
4
6．换热器核算 （1）热量核算
u
4 × 9431.47 / (3600 × 994) = 0.055(m) 3.14 ×1.1