果汁冷却器课程设计报告

工程原理课程设计说明书题目：果汁冷却器的设计
目录
设计任务书 (1)
一、方案简介 (2)
二、方案设计 (3)
1.确定设计方案 (3)
2.确定物性数据 (3)
3.基本量计算 (3)
4.工艺结构尺寸 (4)
5.换热器核算 (4)
三、设计结果一览表 (8)
四、设计过程中的体会 (9)
五、参考文献 (10)
六、主要符号说明 (11)
七、Key words (12)
设计任务书
（一）设计题目
果汁冷却器的设计。

（二）设计任务及操作条件
（1）处理能力1980吨/年
（2）设备形式套管式换热器
（3）操作条件
①果汁：入口温度75℃，出口温度20℃。

②冷却水：入口温度6℃，出口温度16℃。

③允许压降：不大于1MP
④每年按330天计，每天24小时继续运行。

（三）设计要求
选择适宜的套管式换热器并进行核算。

画出工艺设备图及列管布置图。

一、方案简介
本设计任务是利用冷流体（水）给果汁降温。

利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。

下图（图1）是工业生产中用到的套管式换热器。

通常，热流体（A流体）由上部引入,而冷流体（B流体）则由下部引入。

套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。

内管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。

每程传热管的有效长度取4～7米。

这种换热器传热面积最高达18米2, 故适用于小容量换热。

当内外管壁温差较大时,可在外管设置U 形膨胀节（图中b）或内外管间采用填料函滑动密封（图中c）,以减小温差应力。

管子可用钢、铸铁、陶瓷和玻璃等制成,若选材得当,它可用于腐蚀性介质的换热。

选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,符合实际需要等原则。

换热器分为几大类：夹套式换热器，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。

套管式换热器的主要结构是由两种大小不同的标准管组成的同轴套管。

它的程数可以根据所需传热面积大小随意增减，套管式换热器适合于高温、高压、小流量流体的传热，它具有较高的总传热系数，除此之外，它还有耐高温、结构简单，制造方便、传热面积易于调整等优点。

二、方案设计
1．确定设计方案
由于果汁的黏度比水的大，水的对流系数一般较大，且易结垢，因此冷却水走内管，果汁走外管，这样的选择可以使果汁通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。

2、确定物性数据
定性温度：可取流体进口温度的平均值。

外管果汁的定性温度为：
℃
＝＝
5.472
20
75T + 内管流体的定性温度为： ℃＝＝
112
16
6t + 根据定性温度，分别查取外管和内管流体的有关物性数据。

果汁在47.5℃下的有关物性数据如下： 密度 ρo =1080 kg/m 3
定压比热容 c po =3.187kJ/(kg ·℃) 导热系数 λo =0.559 W/(m ·K) 黏度 μo =0.0015 Pa ·s
冷却水在11℃下的物性数据： 密度 ρi =999.7kg/m 3
定压比热容 c pi =4.191 kJ/(kg ·℃) 导热系数 λi =0.5745W/(m ·℃) 黏度 μi =0.0012713Pa ·s
3．基本量计算
3.1热流量
果汁的质量流量 W o =1980⨯103360024330÷÷÷=0.069kg/s
果汁的热流量 Q o =W o c po ΔT=0.069×3.187()2075103-⨯⨯=41022.1⨯J/s 3.2平均传热温差
T 1=75℃ T 2=20℃ t 1=6℃ t 2=16℃
Δt 1=T 1-t 2=59℃ Δt 2=T 2-t 1=14℃ Δt m =
2121ln t t t t ∆∆∆-∆=14
59ln 14
59-=31.28℃
3.3冷却水用量
s g Q W O /k 29.061610191.4101.22t c 3
4
i pi i =-⨯⨯⨯=∆=）
（ 3.4传热面积
假设总传热系数K=350 W/(m 2·℃)
传热面积24
m 1.128
.313501022.1t m K Q S =⨯⨯=∆=
估 考虑 15％的面积裕度，S ’=1.15×S=1.15×1.1=1.3m 2
4. 工艺结构尺寸
4.1管径和管内流速及管长
内管选用ф19.5×2.25mm 传热管(碳钢)，外管选用ф56×3mm(碳钢） 取管内流速ui=1.7m/s 4.2传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
()根实
196.07.1015.04
14.37
.99929
.0u d 4
2
2
i s ≈=⨯⨯=
=
πA N
按单管程设计，所需的长度为
9.201
0195.014.33
.10=⨯⨯==s n d S L π
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46
9.20l L p ≈==N
传热管总根数 N=4 (根)
5.换热器核算
5.1热量核算
5.1.1外管对流传热系数
m d 05.00= m d e 0305.00195.005.0=-=
s m q V /1043.61080
069
.0350
0-⨯==
=
ρ ()()()()[]23
2
2
2
1
2
2
01066.10195.005.04
4
m d d A -⨯=-=-=
ππ
外管流体流速及其雷诺数分别为
()
层流20008780015
.0108004.00305.0e /m 04.010
66.11043.6u 0o 3
5
o <=⨯⨯===⨯⨯=--μρo e u d R s
普朗特准数
55.8559
.00015.010187.3r 30
0=⨯⨯==
λu C P p
格拉晓夫常数
()()()
6232
3
2
23107.8105.110800195.0045.0207581.90011.0⨯=⨯⨯-⨯-⨯⨯=∆=-μρβtl g G r (β为流体的膨胀系数，10011.0-=C β) 努塞尔数
05.08
.0124
.014
.005.045.002.1r e r e u G d d l d P R N ⨯⎪
⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫
⎝⎛⨯⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⨯=μμ =-()
05
.06
8
.04.05
.045
.010
7.80195.005.060305.095.055.887802.1⨯⨯⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯
=34.2
℃）（⋅=⨯=
=
20
o m /6262.340305
.0559
.0W N d u e
λα 5.1.2内管对流传热系数
s m q V i
i /109.27
.99929
.034-⨯==
=
ρ
()
242
108.1015.04
42
m d A i i -⨯==
=
π
π
内管流体流速及雷诺数分别为
s m A v u i i i /6.11077.1109.24
4
=⨯⨯==--()湍流1000188730012713
.07.9996.1015.0Re i
>=⨯⨯==i i i u d μρ 普朗特准数
℃）
⋅=⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯==⨯⨯==245
.04.08.045
.0124.08.0i 3i /(8.86380195.005.027.918873023.0015.05745.0023.027
.95745
.00012713.010191.4r m W d d P R d Cp P r ei i i i i λ
αλμ
5.1.3总传热系数K
污垢热阻 Rs1=0.00021m 2℃/w Rs2=0.0015m 2℃/w 管壁热阻 λ=45w/m ℃
℃）
（＋
＋＋＋＋＋＋＋⋅=⨯⨯⨯⨯=
=
2o
so m 121i 2i 1m /4.2796.6261
00151.002.0450195.000225.0015.00195.000021.0015.08.86380195.01
1d bd d d d d 1
W R R K αλα
5.1.4传热面积S'
24m '
'39.128
.3141.2791022.1t m K Q S =⨯⨯=∆=
该换热器的实际传热面积Sp
2o p m 47.1460195.014.3l d ≈⨯⨯⨯==N S π
该换热器的面积裕度为
%639
.139
.147.1%100'
'p =-=
⨯-=
S
S S H
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

5.2换热器器内流体的压力降
5.2.1内管流动阻力
∑ΔPi=(ΔP 1+ΔP 2)NsNp Ns=3 Np=4
2
u 2u d l 2
22i
1⋅=∆⋅=∆ρξρλP P ， 由Re ＝18873，传热管相对粗糙度0.25/15＝0.017，查莫狄图得λi ＝
0.046W/m ·℃，
流速u i ＝1.6m/s ，ρ＝999.7kg/m 3，所以
a
9.9993734.191949.23544a 4.19192
6.1
7.9995.1a 9.2354426.17.999015.06046.0i 2
22
1P P P P P P =⨯+⨯=∆=⨯⨯=∆=⨯⨯⨯
=∆∑
内管压力降在允许范围之内。

5.2.2外管流动阻力
()内
总压力也在允许范围之总压力降之内
外管压力降在允许范围则得摩擦系数层流由）（
Mp P p P s
m u R R NsN P P P a
a e p
15.999856.479..999376.4749.119.112
04.010800305.0607.0p /04.007.064
87802
'
10e
'2
'
1
o
<=+==⨯=∆=⨯⨯⨯=∆====∆+∆=∆∑∑λ
三、设计结果一览表
换热器形式：套管式换热器
换热面积（m2）:1.47
工艺参数
名称内管外管物料名称冷却水果汁
操作压力，Pa 未知未知
操作温度，℃6/16 75/20
流量，kg/s 0.29 0.069 流体密度，kg/m3999.7 1080 流速，m/s 1.6 0.04
传热量，J/s 12200 总传热系数，W/m2·K279.41
传热系数，W/（m2·℃）8638.8 878 污垢系数，m2·K/W0.00021 0.00151 阻力降，Pa 99937.9 47.6 程数 4 1 推荐使用材料碳钢碳钢
管子规格Ф19.5×2.25
mm（内管）
管数1 管长m:6 Ф56×3mm（外
管)
四、设计过程中的体会
初次接触化工原理课程设计，根本不知道该做什么，虽然学过理论课，可运用到实际中还是觉得无从下手，感觉好难。

刚开始的几周都是在忙着找一些参数，比如果汁的密度、黏度、热导率等，找了好长时间也没有结果，最后在老师的引导下，终于在图书馆找到了所需要的数据。

找到了数据，本以为很快就会做好的，却没想到中间的过程会那么曲折。

选好管子开始算流速，结果流速非常小从而导致雷诺数很小，管外的果汁始终处于层流区。

换了好多次管子的规格，结果都一样。

后来大家商量把处理能力扩大十倍，可算完的压力降又超过了允许范围，于是又开始重新选管子。

没办法只好又找老师帮忙，最终在老师的帮助之下，用Excel终于找到了合适的管子规格，虽然果汁还是处于层流区，好在也找到了应用于层流区的公式。

又经过了几番折腾终于算出了数据并成功地进行了校核。

看着自己辛辛苦苦整理出来的设计方案，十分开心，虽然过程有些纠结，但看到自己的努力有了成果，一切辛苦都很值得。

其实，在整个过程中，虽然遇到了很多问题，也犯了不少错误，但是自己真的学到了很多东西，比如word文档公式的运用，Excel在数据处理方面的运用等。

以前这些办公软件根本就没得到很好地利用。

另外如何查找数据也很重要，假如自己查不到数据，接下来的工作就没办法做，如果查的数据是错误的，那设计出来的东西也是错误的，很可能会导致严重的后果。

在找数据的过程中，我明白了，查数据不能就在一本书上找，图书馆的资源很丰富，一定要有耐心，不能浮躁，也不能盲目地寻找，要按着你所需数据的应用范围寻找，不要轻易就说放弃，任何事情都会有解决的办法。

同时，我也学到了要从不同角度思考问题，比如说如何使自己的设计更加合理，这就要求自己在设计前要详细的考虑各种可能出现的问题和解决办法，才能达到事半功倍的效果。

五、参考文献
[1]柴诚敬，王军，张缨编，《化工原理课程设计》天津科学技术出版社，2006.
[2]周巍主编，《食品工程原理》中国轻工业出版社，2002.
[3]马连湘，列光启，王文中编.《化工设备算图手册》
[4]《食品工程原理（上）》，中国轻工业出版社，1997.
[5]《食品工程与原理例题与习题》，化学工业出版社，2007.
[6]杨祖荣主编.《化工原理》（第二版）.北京: 化学工业出版社,2010
[7]潘国昌，郭庆丰主编.《化工设备设计手册》.北京:清华大学出版社,1998
[8]中国石化集团上海工程有限公司编.《化工工艺设计手册》（第三版）.北京:化学工业出版社,1987
[9]周大军主编.《化工工艺制图》北京:化学工业出版社,2003
[10]韩冬冰主编.《化工工程设计》北京:学苑出版社,2000
[11] 刘苏编著.《 AutoCAD2002应用教程》北京:科学出版社,2003
[12] 潘永亮等编.《化工设备机械设计基础》北京:科学出版社,1991
六、主要符号说明
物理性质
符号 物理性质
符号 果汁的定性温度 T 冷却水定性温度 t
果汁定压比热容 c po 冷却水定压比热容 c pi 果汁导热系数 λo 冷却水导热系数 λi 果汁粘度 μo 冷却水粘度 μi
热流量 W o 冷却水流量 i W
热负荷 Q o
平均传热温差 m t ∆
总传热系数 K
雷诺数 e R
内管传热系数 i α
外管传热系数
o α
初算初始传热面积 ''S 传热管数 s N 初算实际传热面积 S'
管程数 p N 壳程压力降
∑∆o P
面积裕度
H
七、Key Words
套管式换热器 double-pipe heat exchanger
对流传热 convectrive heat transfer
逆流 countercurrent flow
传热速率 heat transfer rate
对数平均温度差 logmean temperature difference 总传热系数 overall heat transfer coefficient 污垢热阻 fouling resistance
热导率 thermal conductivity
热通量 heat flux
质量流量 mass velocity
平均流速 average velocity
层流 laminar flow
湍流 turbulent flow
摩擦系数 friction coefficient
相对粗糙度 relative roughness
当量直径 equivalent diameter
局部阻力 local resistance
流体阻力 friction loss。