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1、学学 号：号： 课课 程程 设设 计计 题题 目目 年处理年处理 ？万吨牛奶换热器设计万吨牛奶换热器设计 学学 院院 环境与资源学院 专专 业业 食品科学与工程 班班 级级 2013 食品？班 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 常海军 周文斌 2015 年12 月31日 重庆工商大学课程设计成绩评定表 学院： 环资学院 班级： 2013 食品？班 学生姓名： 学号： 优秀 (100x90) 良好 (90x80) 中等 (80x70) 及格 (70x60) 不及格(x1.00.8-1.8 0.5-1.55-30 壳程流速，m/s 0.5-1.50.5-1.50.2-1.50.50.4-1.0
2、0.3-0.82-15 1.5 材质的选择 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 1.5.1 碳钢 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀 性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为 10 号 和 20 号碳钢。 1.5.2 不锈钢 奥氏体系不锈钢以 1Crl8Ni9Ti 为代表，它是标准的 18-8 奥氏体不锈钢，有稳定的奥 氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。 1.6 管程结构 介质流经传热管内的通道部分称为管程。 1.6.1 换热管布置和排列问距 常用换热管规格有 192 mm、252 mm、252.5 mm。 标
3、准管子的长度常用的有 1500mm，2000mm，3000mm，6000mm 等。当选用其他尺寸的 管长时，应根据管长的规格，合理裁用，避免材料的浪费。 换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同 心圆排列，如下图所示。 (a) 正方形直列 （b）正方形错列 (c) 三角形直列 （d）三角形错列 （e）同心圆排列 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器， 外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列； 浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都
4、采用正三角形排列，而在各程之 间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。 1.6.2 管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。 1.7 壳程结构 介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。 壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。 由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以 此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳 侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、 纵向挡板。旁路挡板等；另一类是为了管
5、束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导 轨以及缓冲板等。 1.7.1 壳体 壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。直径小于 400mm 的壳体通常用钢管制成，大于 400mrn 的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度 选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。 介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远 小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。用两个换热器串联也可得到同样的效果。 为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。 壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。计算式如下： 单管程 0 )32() 1(dntD c
6、式中 t管心距，mm； d0换热管外径，mm； nc横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。 正三角形排列： 正方形排列： 多管程 式中 N排列管子数目； 管板利用率。 正角形排列：2 管程 =0.70.85 4 管程 =0.60.8 正方形排列：2 管程 =0.550.7 4 管程 =0.450.65 壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。 1.7.2 折流板 在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度， 以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。 折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。 圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水
7、平圆缺和垂直圆缺两种。切缺 率(切掉圆弧的高度与壳内径之比)通常为 2050。垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再 沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶 部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。弓形折流板有单弓形和双弓形， 双弓形折流板多用于大直径的换热器中。 折流板的间隔，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值 为壳内径的 1/5 或者不小于 50 mm，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。 1.7.3 壳程接管 壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高 速流体流入壳程时，对换热管会造成很大
8、的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大， 即将接管做成喇叭形，以起缓冲的作用；或者在换热器进口处设置挡板。 2 设计方案简介 2.1 选择换热器的类型 因为我们要加热的材料是果汁，流体压力不大，管程与壳层温度差较大，并考虑易清 洗性，所以初步确定选用固定管板式换热器。 2.2 流体流动空间及流速的确定 因为本次所要处理的果汁与冷却水的进出口温差都大于 50C，所以需要焊接膨胀节。 由于果汁较水有腐蚀性，而管子及管箱用耐腐蚀材料造价低,故应使果汁走管程，冷 却水走壳程。 考虑到要进行加热的是果汁，所以选用不锈钢材质的管。 综上所述，选用带膨胀节的固定管板式换热器，选用 25*2.0 的不锈钢管
9、，管内流 速取 u=0.5m/s. （二）工艺及设备设计计算（二）工艺及设备设计计算 1 确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值 壳程水的定性温度为： 11 2 616 T 管程果汁的定性温度为： t =50 2 2080 根据定性温度，查得： 果汁在 50下的有关物性数据如下： 密度 = 1050 kg/ i 3 m 定压比热容 =3.98 kJ/(kgK) ci p, 导热系数 =W/(mK) i 61 . 0 黏度 =0.00215Pas i 冷却水在 11下的有关物性数据如下： 密度 =999.7 kg/ o 3 m 定压比热容 =4.191 kJ/(kg) co p, 导热
10、系数 = 0.5741 W/(m) o 黏度 =0.001271Pas o 2 计算总传热系数 2.1 热流量 =20003.98(80-20)=477600 kJ/h=132.7(kW) i ip ii tmQ c, 2.2 平均传热温差 =（） m t90.32 6-20 16-80 ln 6)-(20-16)-(80 ln t- 2 1 21 t t t 2.3 冷却水用量 kg/h11396 )616(191 . 4 477600 , oop i tC Q Wo 2.4 总传热系数 K 管程传热系数 2300Re10000过渡流5128 00215 . 0 10505 . 002 .
11、0 i iii e ud R Q Pr=160Pr7 . 003.14 61 . 0 00215 . 0 1098 . 3 3 i i pc i 流体被冷却n=0.3 3 . 08 . 0 PrRe023 . 0 i i i d = 3 . 08 . 0 03.145128 021. 0 61. 0 023. 0 =2415W/() 2 m 8 . 1 5128 600000 1 ） 2 /(1198874 . 0 1371mW i 壳程传热系数 假设壳程的传热系数 W/()1600 0 2 m 污垢热阻 () / W0005 . 0 si R 2 m () / W000172 . 0 so
12、R 2 m 管壁的导热系数 .4 W/(m)，17 故 0 0 000 1 1 s mi si ii R d bd d d R d d K = 1600 1 000172 . 0 023 . 0 4 . 17 025 . 0 002 . 0 021 . 0 025 . 0 0005 . 0 021 . 0 1198 025 . 0 1 = 398 W/() 2 m 3 传热面积的计算 S= （）13.10 90.32398 10 7 . 132 3 m i tK Q 2 m 考虑 15%的面积裕度，S=1.15S=1.1510.13=11.65（） 2 m 4 工艺结构尺寸 4.1 管径和管内
13、流速 选用 25mm2.0mm 的不锈钢管，管内流速取 ui=0.5m/s。 4.2 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 =3.05 根4 根 s n ii ud V 2 4 5 . 0021 . 0 785 . 0 )10503600/(2000 2 按单管程计算，所需的传热管长度为： L=49.4m s nd S 0 3025 . 0 65.11 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 =6m，则该换热器的管程l 数为: N =9(管程) p 2 . 8 6 4 . 49 l L 传热管总根数为：N=3)(279根 4.3 平均传热温差校正及壳程数 平
14、均传热温差校正系数 R =6 616 2080 冷流体的温升 热流体的温降 P =0.135 6-80 616 两流体的最初温升 冷流体的温升 按单壳程，三管程结构，温度校正系数 查表得： =0.93 t 平均传热温差 = m t 6 . 30 9 . 3293 . 0 mt t 4.4 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（焊接法） ，则 t=1.25 25=31.25 mm 32 （mm） 0 d 横过管束中心线的管数 618 . 6 2719 . 1 19 . 1 Nnc)(根 4.5 壳体内径 采用多管程结构，取
15、管板利用率=0.7，则壳体内径为： D=1.05t/N=1.05 32=208.7（mm）7 . 0/27 圆整可取 D=273mm。 4.6 折流板数 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=0.25 273=68.25（mm） ， 故可取 h=65mm 。 取折流板间距 B=0.3D,则 B=0.3 273=81.9（mm） ，可取 B 为 150mm 。 折流板数 N =-1=-1=39（块） B 折流板间距 传热管长 150 6000 折流板圆缺面水平装配。 4.7 接管 壳程流体进出口接管:取接管内流速为 u=1.0 m/s,则接管内径为： =0.0635（m） 4V d= u 0 . 114 . 3 ) 7 . 9993600()113964( 取标准管径为 60 mm 。 管程流体进出口接管:取接管内流速为 u=1.5 m/s,则接管内径为： 0.0212（m） 5 . 114 . 3 )10503600/(20004 d 取标准
