换热器或冷却设备设计

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1、食品工程原理课程设计说明书大豆油冷却设备的设计姓名：耿栋辉学号：201320010514班级：国食科F303班2015年12月21日设计任务书一、设计依据及指导思想 3二、主要参数说明 3三、设计计算 51、确定设计方案 52、确定物性数据 53、计算总传热系数64、计算传热面积 75、工艺结构尺寸 76、换热器核算 91）热量核算 92）换热器内流体的流动阻力 113）换热器主要结构尺寸和计算结果总表13四、设计结果16五、参考文献16一、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

2、器应用于食品物料的加热或冷却介质间的热交换。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，以满足不同场所的需求。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

3、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。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一换热器外壳内径， mf 摩擦系数；F系数；h圆缺高度，m；K总传热系数， W/（m2 ：C）；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qW/m 2；Q 传热速率，W；rm；Rm2 /WRe-一雷诺数；S一m2；t 冷流体温度，；冷流体温度，c；T-热流体温度，c；u流速，m/ s ;W 质量流量， kg/s ；a对流传热系数，w/ （m2goC） 有限差值； 导热系数，w/（mgC）

4、； 光度，Pa.s ; 密度，kg/m3； 校正系数；下标c冷流体；h热流体；i 管内；m 平均；o管外；s?垢.三、设计计算1 . 确定设计方案工艺要求：某生产过程中，需将5600 kg/h 的大豆油从130冷却至30，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15，出口温度为25。（ 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 30， 冷流体 （循环水）进口温度15，出口温度25 。 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，

5、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625mm 2.5mm的碳钢管，管内流速取 Ui=0.5m/ s 。2 .确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程大豆油的定性温度为T= 130 50 =90( C )2管程冷却水的定性温度为 t= 20 50 =35( C)2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 c下的有关物性数据如下：密度 0 =825 kg/m3定压比热容Cp0 =2.22kJ

6、/(kg C)导热系数 0 =0.140 W/(m G)粘度0 =0.000715 Pas 循环冷却水在35 c下的物性数据：密度i =994 kg/m3定压比热容cpi =4.08 kJ/(kg C) 导热系数i =0.626 W/(m C)粘度i =0.0007225 Pa s -3 .计算总传热系数(1)热流量Qo= WoCpoAto=6500/3600 2400=120 (mm)则可取 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：取接管内油品流速为 u=1.5 m/s,则接管内径为4

7、6500/(3600 825)3.14 1.50.043(m)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=1.1m/s,则接管内径为Wi /4 9431.47/(3600 994)d 白 J-3(m)取标准管径为60mm。(8)壳体厚度计算-PD- C2 P6.换热器核算(1)热量核算壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用公式0.140.5071/300.36 RePrdew当量直径，由正三角形排列得de3 224 t d024d0.324 0.032 2_ 20.02543.14 0.0250.020(m)壳程流通截面积cd00.0252S0 BD(1 ) 0.15 0

8、.40 (1-) 0.013(m2)t0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为Uoqm/ 0So6500/(3600 825)0.0130.1684(m/s)Red0 u0000.02 01684 8250.0007153886.15普兰特准数PcP0 02220 0.000715rp11.3400.140.14粘度校正1wc cc 0.140.5071/32 o .0 0.36 3886.1511.34519.4W / m C0.020管程对流传热系数i0.023Re0.8 Prndi管程流通截面积Sid2N 4_22/Np 0.785 0.022 68/4 0.005338(m2)管程流体流

9、速普兰特准数UiReiWi /Si9431.473600 994 0.0053380.49376(m/s)0.02 0.49376 994 13586.10.0007225PrCpi i4.08 103 0.0007225/4.710.6260.0230.6260.0213586.10.8 4.710.4 2709.92W/m2 K传热系数K1dd0也&1RsiRs0ididi dm01 0.000516 519.410.025cc 0.025 0.0025 0.0250.000172 -2709.92 0.0200.020 45.4 0.0225314.8W/(m2 C)传热面积SQK tm

10、320.67 103314.8 41.33224.65(m2)该换热器的实际传热面积 Sp2Spd0lN 3.14 0.025 6 68 32.03(m2)该换热器的面积裕度为Sp S32.03 24.65H 100% 100% 29.9%S24.65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管程流动阻力E 由=(ZP+AP2)FtNsNpNs=1, Np=4, Ft=1.4Pilu21 d 2由Re= 13757.79,传热管相又界1糙度0.01/20 = 0.005,查莫狄图得 1 = 0.04,流速 U1 =0.49376m/s, p= 994kg/m3,所

11、以- 一 一 21454(Pa)363.5( Pa)cc, 6994 0.493760.04 0.022u2994 0.4937623 22Pi (1454 363.5) 1.4 4 10178( Pa) 1at管程流动阻力在允许范围之内。壳程阻力汇乎o=( ZP1+AP2)FtNsF%，Nb 12U02F 0.5f0 5 3886.15 .228 0.76nc 10,Nb 39,u0 0.1684 _ _ _ _ _P 0.5 0.76 101778.08 Pa825 0.1684239 1 2流体流过折流板缺口的阻力总阻力P2Nb 3.5B 0.15m, DP2393.52BD0.4m2U

12、022 0.150.4825 0.1684221254.6 PaP0 1778.08 1254.6 3032.68 Pa10kPa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换热器主要结构尺寸和计算结果换热管形式：浮头式换热面积：27.05m2艺参数名称管程壳程物料名称冷却水大豆油麋作压力Mpa0.40.3卜作温度C3590流量，kg/h9431.476500流体密度kg/m3994825流速m/s0.489760.1679传热量kw320.67总传热系数 W/(m2 ?C )315.1对流传热系数W/(m2?C)2709.92519.4污垢系数m

13、2?C /W0.0001720.000516阻力降MPa0.0101780.00303268程数41推荐使用材料碳素钢碳素钢管子规格 25X 2.5mm管数68管长mm6000管间距mm44排列方式每程内均按正三角形排列，隔板两侧米用正方形排列折流板形式弓形折流板间距mm150折流板切口舒度20%壳体内径mm400结构设计(1)圆筒厚度查GB151-99P21表8得圆筒厚度为：8 mm(2)椭圆形封头查JB/T4737-95,椭圆形封头与圆筒厚度相等，即 8mm公称直径DN (mm)曲面高度几(mm)直边高度h2(mm)碳钢厚度6(mm)内表面积A(m2)容积V(m2)质量M(kg)60015

14、02580. 43740. 035327. 47(3)管箱短节厚度查GB151-99P20,管箱短节厚度与圆筒厚度相等，即 8mm(4)压力容器法兰(甲型)DNDD1D3d螺柱 规格数量6007306906454023M202428.62(5)膨胀节因为T户工型君封面ATm 72.715gCtm 37gCTm tm 72.715gC 37gC 35.715gC 50gC,所以不需设置膨胀节(6)管板查(化工单元设备设计P25-27)得固定管板式换热器的管板的主要尺寸:公称 直径DDiD3D4bcd螺栓孔 数kg6007306905986453610232877(7)分程隔板公称直径DN/mm隔

15、板最小厚度/mm碳素钢6008(8)接管液体进出口接管的直径计算di4Vs:4 1400 1000u ; 3600 24 624.89 3.14 2128.4mm采用159 4.5mm热轧无缝钢管，实际已烷进出口管内流速为U14 1400 100024 3600 624.89 3.14 0.1521.82m/s冷却水进出口接管 d2，取u2 =2m/s,则d :29.1532, 994.3 3.14 2193.1mm采用133 4mm热轧无缝钢管，实际已烷进出口管内流速为29.153U23.14 994.3 0.193121.77m/s四.设计结果列表汇总五.参考文献1 .换热器设计手册钱颂文主编，北京：化学工业出版社，2002.82 .化工设计黄璐.王保国编著一北京.化学工业出版社.2001.23 .化工原理（上册）姚玉英主编-2版（修iT版）.天津科学技术出版社会图参考样:.图3管光式换热器国AHO U形管式换热需