环境工程原理课程设计2

l环境工程原理课程设计说明书列管式换热器在牛奶冷却过程中的设计目录一、绪论1、换热器的设计意义与重要性2、灭菌牛奶冷却换热器计算过程中的主要参数说明二、换热器的原理1、列管式换热器的设计原理2、列管式换热器的设计任务三、设计计算1、确定设计方案2、确定物性数据3、计算总传热系数4、计算传热面积5、工艺结构尺寸6、换热器核算（1）热量核算（2）换热器内流体的流动阻力（3）换热器主要结构尺寸和计算结果总表四、参考文献1一、绪论1、换热器的设计意义及其重要性。换热器是各种工业部门最常见的通用热工设备，广泛应用于化工，能源，机械，交通，制冷，空调及航空航天等各个领域。换热器不仅是保证某些工艺流程和条件而广泛使用的设备，也是开发利用工业二次能源，实现余热回收和节能的主要设备。在食品工业中的加热，冷却，蒸发和干燥等的单元操作中，经常见到食品物料与加热或冷却介质间的热交换。各种换热器的作用，工作原理，结构以及其中工作的流体类型，数量等差别很大，而换热器的工作性能的优劣直接影响着整个装置或系统综合性能的好坏，因此换热器的合理设计极其重要。目前国内外在过程工业生产中所用的换热器设备中，列管式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率，结构紧凑性和金属材料消耗等方面，不如其他新型换热设备，但她具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，可靠性高，选用范围广，处理能力大，能承受高温和高压等特点，所以在工程中仍得到广泛应用。2、灭菌牛奶冷却换热器计算过程中的主要参数说明T---牛奶的定性温度，℃t---冷盐水的定性温度，℃---牛奶的密度，kg/m3---牛奶的定压比热容，kJ/(kg·℃)---牛奶的导热系数，W/(m·℃)---牛奶的粘度，Pa·s---冷盐水的密度，kg/m3---冷盐水的定压比热容，kJ/(kg·℃)---冷盐水的导热系数，W/(m·℃)---冷盐水的粘度，Pa·s2Q----热流量，kWK----总传热系数，W/(㎡·℃)mt----进行换热的两流体之间的平均温度差，℃iW----冷却水用量，kg/seR----雷诺准数rP---普兰特准数i----管程传热系数，W/（㎡·℃）0----壳程传热系数，W/siR----冷盐水污垢热阻，㎡·℃/W;oRs----牛奶污垢热阻，㎡·℃/W----管壁的导热系数，W/（㎡·℃）sn---传热管数，（根）L---传热管长度，mPN---换热器管程数N---传热管总根数---温度校正系数cn---横过管束中心线的管数t---管心距，mmD---壳体内径，mmh---弓形折流板圆缺高度，mmB---折流板间距，mmBN---折流板数d---接管内径，mmed---当量直径，mou---壳程流体流速，m/siu---管程流体流速，m/s3S---传热面积，2mpS---换热器实际传热面积，2mH---换热器面积裕度iP---管程压降，Pa1P---管内摩擦压降，Pa2P---管程的回弯压降，PasN---壳程串联数tF---管程压降的结垢修正系数0P---壳程压降，Pa'1P---流体流经管束的阻力，Pa'2P---流体流过折流板缺口的阻力，Pa二、换热器的设计原理1、列管式换热器的设计原理列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体内部装有平行管束，管束两端固定在管板上。一种流体在管内流动，另一种流体则在壳体内流动。壳内往往按照一定数目设置与管束垂直的折流挡板，不仅防止短路、增加流体流速，而且可以迫使流体按照规定的路径多次错流经过管束，使湍动的程度大大提高，实现换热器的换热。2、列管式换热器的设计任务在灭菌后牛奶的冷却过程中，牛奶由70℃降至25℃，牛奶流量为12480kg/h，压力为0.7MPa。该过程采用浓度很稀的冷盐水冷却（因此冷盐水的相关物性数据可参考水的物性数据）。冷盐水入口温度为10℃，出口温度20℃。试设计一台列管式换热器完成该生产任务。三、设计计算1、确定设计方案4(1)、选择换热器类型两流体温度变化情况：热流体进口温度70℃，出口温度25℃；冷流体(冷盐水)进口温度10℃，出口温度20℃。考虑到该换热器的管壁温和壳体壁温相差较大，因此初步确定选用带膨胀节固定的管板式换热器。(2)、流动空间及流速的确定由于冷盐水较易结垢，为便于清洗，另外，粘度大的流体（牛奶）宜于通入管间空间，所以应使冷盐水走管程，牛奶走壳程。选用25×2.5mm的碳钢管。管内流速取=1.1m/s。2、确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值。管程冷盐水的定性温度为壳程牛奶的定性温度为根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。牛奶在47.5℃下的有关物性数据如下：密度=1030kg/m3定压比热容=3.770kJ/(kg·℃)导热系数=0.61W/(m·℃)粘度=0.002128Pa·s冷盐水在15℃下的有关物性数据如下：密度=999.1kg/m3定压比热容=4.189kJ/(kg·℃)5导热系数=0.5894W/(m·℃)粘度=0.00113376Pa·s3、计算总传热系数(1)、热流量(2)、平均传热温差(3)、冷却冷盐水用量(4)、总传热系数管程传热系数壳程传热系数假设壳程的传热系数污垢热阻6管壁导热系数4、计算传热面积考虑20%的面积裕度5、工艺结构尺寸(1)、管径和管内流速选用传热管（碳钢）。管内流速取。(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，所需传热管长度为按单管程设计，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7传热管总根数为(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、两管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得：平均换热温差(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。取管心距横过管束中心线的管数(5)、壳体内径采用多管程结构。取管板利用率，则壳体内径为圆整可取。(6)、折流板8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，故可取h=100mm。取折流板间距。故可取B=150mm。折流板数折流板圆缺面水平装配。(7)、接管壳程流体进出口接管:取接管内牛奶流速为2.0m/s,则接管内径为0.046m取标准管径为50mm管程流体进出口接管:取接管内冷盐水流速为1.5m/s,则接管内径为0.109m取标准管径为100mm6、换热器核算(1)、热量核算○1、壳程传热系数对圆缺形折流板可采用科恩公式当量直径，由正三角形排列得壳程流通截面积9壳程流体流速及雷诺数分别为普兰特准数粘度校正○2、管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速普兰特准数10○3、传热系数K782.9○4、传热面积S该换热器实际传热面积Sp该换热器面积裕度为换热器的面积裕度合适，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Ns=1,Np=2,=1.4由Re=19128，传热管相对粗糙度为，查莫狄图得，流速，11所以故管程流速阻力在允许范围内○2、壳程阻力流体流经管束的阻力流体流过折流板缺口时的阻力12壳程流体阻力也比较适宜(3)、换热器主要结构尺寸和计算结果如下表：换热管型氏：固定管板式换热面积：33.112m工艺参数名称管程壳程物料名称冷盐水牛奶操作压力，MPa0.70.7操作温度，oC10/2070/25流量，kg/h5053712480流体密度，kg/3m999.11030流速，m/s1.0890.256传热量，KW588.1总传热系数，W/2moC782.9对流传热系数，W/2moC41641907污垢系数，2moC/W0.0001720.000176阻力降，MPa0.026880.01135程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格252.5mm管数，mm82管长，mm6000管间距，mm32排列方式正三角形折流板形式上下13折流板间距，mm150折流板切口高度25%壳体内径，mm400面积裕度16.8%四、参考文献：1.贾绍义、柴诚敬.化工原理课程设计.天津：天津出版社，20022.李功样等.常用化学单元设备设计.广州：华南理工大学出版社，20033.匡国柱、史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，20024.涂伟萍等.化工过程及设备设计.北京：化学工业出版社，20005.化工设备设计全书编委会.换热器设计.上海：上海科学技术出版社，19886.中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布，19897.钱颂文主编.换热器设计手册.北京：化学工业出版社，2002.88.钱颂文等著.换热器管束流体力学与传热.中国石化出版社,20029.余国琮等主编.化工容器及设备.天津：天津大学出版社，1980