食品工程原理 课程设计说明书

高温灭菌后牛奶所需冷却器的设计

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目录

一、设计意义-------------------------------------------------------------------------2 二、主要参数及符号说明说明----------------------------------------------------3 三、设计计算-------------------------------------------------------------------------4 1、确定设计方案------------------------------------------------------------------4 2、确定物性数据------------------------------------------------------------------4 3、计算总传热系数---------------------------------------------------------------5 4、计算传热面积------------------------------------------------------------------5 5、工艺结构尺寸------------------------------------------------------------------5 6、换热器核算---------------------------------------------------------------------8 6.1 热量核算--------------------------------------------------------------------8 6.2 换热器内流体的流动阻力----------------------------------------------10 6.3 换热器主要结构尺寸和计算结果总表-------------------------------11 7、离心泵的选择------------------------------------------------------------------12 四、参考文献--------------------------------------------------------------------------12

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一、 设计意义

换热器的目的在于换热，在于节约公司生产成本或达到更好的产品，一个好的设计不仅源自于好的设计理念，设计者的学习素养也必不可少。我们现在就处于培养自己学术水平和学习习惯的阶段。通过本次课程设计，培养我们学生多方位、综合的分析考察工程实际问题的能力。主要体现在以下几个方面： （1） 提高团队意识。一个好的设计往往都是由于一个团队的不懈努力，通

过这次设计的机会大家在一起交流一起努力，提出问题并共同解决，不仅提高了工作的效率也增强了大家的感情。

（2） 设计的表达能力。工程设计完成后，往往交付他人实施或与他人交流，

因此，在工程设计和完成过程中，都需要将设计的理念、理想、设计过程和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。只有完整、流畅、正确地表达出来的工程设计的内容，才可能被他人理解、接受，顺利付诸实施。

（3） 资料的查阅、收集、整理和分析的能力。要科学、合理、有创新地完

成一项设计，往往需要各种数据和相关资料。因此，资料、文献和数据的查找、收集是工程设计必不可少的基础工作。

（4） 工程的设计计算能力和综合评价的能力。为了使设计合理要进行大量

的工艺计算和设备设计计算。计算结束以后还要在一起评价设计的优缺点，并改进。使设计尽量完美。

通过本设计不仅可以进一步巩固所学的相关知识，提高学生学以致用的综合能力。尤其对传热学、流体力学等相关课程的熟悉，同时还可以培养学生尊重科学、注重实践和学习严谨、作风踏实的品格。为以后走上工作岗位打下坚实而且可靠的基础。

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二、 主要参数及符号说明

主要参数：

处理能力：1000kg/h 设备类型：浮头式换热器

操作条件：冷却介质：入口温度：14℃，出口温度：20℃

果浆：入口温度：50℃，出口温度：20℃ 主要符号：

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三、设计计算

牛奶加工过程中，需要将高温灭菌后的牛奶进行冷却。现需将流量为1000kg/h的牛奶从温度50℃冷却至20℃，以河水为冷却介质，可取进水温度为13~26℃，要求换热器的管程和壳程压强降均不大于60kPa。已知牛奶的粘度为2.12mPa·s（35℃）。现需一台换热器满足以上的要求。

1、确定设计方案

本设计将牛奶冷却，使用天然的河水作为冷却介质，河水为较易结垢的物质，所以应该选用浮头式换热器，浮头式换热器两端的管板有一端可以沿轴向浮动，这种结构不仅完全消除了热应力，而且整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。

2、确定物性数据

定性温度：可取流体进出口温度的平均值。 壳程牛奶的定性温度为：

T?50?20?35(℃)2 14?20?17(℃)2

管程冷却水的定性温度为：

T?牛奶在35℃下的有关物性数据：

?m?1029kg?m?30Cp0?3.83kJ?kg?1?0?0.56w?m?1?K?1

?0?0.00212pa?s冷却水在17℃下的物性数据：

?m?998.7kg?m?31Cp1?4.185kJ?kg?1?1?0.5912w?m?1?K?1 ?1?0.0010945pa?s- 4 -

3、计算总传热系数

（1）热流量

1000Q0?w0Cp0?t0?3.83×(50?20)?31.9(kW) 3600×

（2）平均传热温差

(50?20)?(20?14)?tm??14.9℃50?20 ln20?14

（3）冷却水用量

Q031.9?103?1m=??1.27kg?s?4572kg3Cp1?t14.185?10?(20?14)4、计算传热面积

根据经验值假设K值取280，则估计的换热面积为：

h

Q031.9?103A???7.65m2

K?tm280?14.9考虑外界因素影响，取实际传热面积为估算的1.15倍， 则实际传热面积为：

Ap?1.15?A?8.8m5、工艺结构尺寸的设计

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1、选用ф25mm×2.5mm的碳钢管为传热管，管内流速取u=1m/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：

4572Ns?V?4?di2??u3600?998.7?4

20.785?0.02?1- 5 -

Ap8.8单程长度：L???d?0?Ns3.14?0.025?4?28m

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准管设计，现取传热管长L=6m，则该换热器的管程数为： Np?Ll?286?4管程 传热管总根数： n=4×4=16 根 3、平均传热温差校正及壳程数

平均温差校正系数：R?50-2020-14=5

P?20?1450?20?0.2

按单壳程多管程结构，

查图得：

??t?0.85

由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

平均传热温差：?tm???t??tm?0.85?14.9?12.67℃

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4、传热管排列和分程方法

采用正方形错列：

管心距

t?1.250 dt?1.25?25?31.25?32mm

隔板中心到离最近一排管中心的距离：

S??6??6?22mm

22??0.5t325、壳体内经

管板利用率

D?1.05?t?N??1.05?32?160.5?190mm

圆整并根据常用取D=300mm 6、折流板的选取

采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内经的25%， 则切去的圆缺高度为：H板间距：h?0.25?300?75mm

?0.4D?150mm

传热管长6-1=-1=39个传流板间距0.15

折流板数目：

Nb?7、其他附件

拉杆数量与直径按表选取，本换热器壳体内经为300mm，故：拉杆

直径为?12，拉杆数量不得少于4。

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6、换热器核算

6.1热量核算

1、热量核算

（1）壳程对流传热系数 当量直径：

?2?2?4?t?d0?4?0.0322?0.785?0.0252?4??????0.027mde? ?d03.14?0.025 壳程流通截面积：

?d0??0.025?2S0?h?D??1??0.15?0.3?1??0.0098m???

t0.032????1000?3600?1029??0.028m 壳程流体流速：u0?s0.00980.02?0.028?1029?271.8 雷诺数：Re?0.002123.83?103?2.12?10?3?14.5 普兰特准数：Pr?0.56???粘度校正：???w??0.14?0.95

因为Re?500 所以选取凯恩公式：

?0?0.5??d1Re0.507Pr13???????w??0.14

?0.5?

0.56?271.80.507?14.513?0.95?556w2

m?K0.02??- 8 -

2、管程对流传热系数：

管程流体流通截面积：

?1616S1??d12??0.785?0.022??0.00127m2

444 管程流体流速：u1?4572?3600?998.7??1.0m

s0.00127雷诺数：Re?0.02?1?998.7?18249?10000

0.00109454.185?103?1.0945?10?3?7.75 普兰特准数：pr?0.5912?1?0.023??0.023??1d1?Re0.8?pr0.4

0.5912?182490.8?7.750.4?3955w?m2?K?

0.02查表可知污垢热阻：

管内侧污垢热阻：R1?0.000176m管内侧污垢热阻：R02?k?kW?1

?0.00058m2?k?kW?1

传热系数：

Ke?1d0R1?d0b?d01

???R0??1?d1d1??dm?01?335.87w?m2?K?

?0.0250.000176?0.0250.0025?0.0251???0.00058?3955?0.020.0245.3?0.0225556

Q131.9?1032Ac???6.4m计算传热面积为：

Ke??tm335.87?14.9换热器的实际传热面积为：Ap?n???d0?l?16?3.14?0.025?6?7.54

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Ap?Ac7.54?6.4??17.8% Ac6.4传热面积裕度合适（15%~20%），该换热器能够完成生产任务

面积裕度：

6.2、换热器内流体的流动阻力 （1）管程流体阻力

?pt???p1??p2?NsNpFs

Fs?1.4 Np?5 Ns?1

l?u26998.7?1?p1?????0.04???5992.2

d20.022??u2??998.7?12??p2?3????3???2??2??1498.05

??pt??5992.2?1498.05??1.4?5?1?52431.75?60Kpa

管程阻力在允许范围之内。 （2）壳程阻力

?ps???p1???p2??FsNs

Fs?1.15 Ns?1

??u02?p1??F?f0?nc??Nb?1?2

F?0.4（转角正方形） Nb?39

d0?u0??0.025?0.028?998.7??638?500 由于Re0??0.0010945所以：

f0?5.0Re0?0.228?1.15

nc?1.19?16?4.76

998.7?0.0282?p1??0.4?1.15?4.76?40??34.29pa

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折流板缺口的阻力：

2h???u0??p2??Nb??3.5???D?2?2

22?0.15?998.7?0.028??39??3.5??38.62 ??0.3?2??ps??34.29?38.62??1.15?83.85?60kpa

壳程阻力在允许范围之内。

附表1 换热器主要结构尺寸和计算结果 参数 管程 壳程 流量/（Kg/h) 4572 1000 进（出）口温度/℃ 14（20） 50（20） 压力/kPa 52 0.39 定性温度/℃ 17 35 密度/Kg/m3 998.7 1029 定压比热容4.185 3.83 物性 /[kJ/(kg/℃)] 黏度/Pa·s 0.0010945 0.00212 热导率/[W/(m·℃)] 0.5912 0.56 普朗特数 7.75 14.5 形式 浮头式 壳程数 1 壳体内径/mm 300 台数 1 管径/mm Φ25*2.5 管心距/mm 32 设备结管长/mm 6000 管子排列 错正方形 构参数 管数目/根 16 折流板数/个 39 传热面积/m2 7.54 折流板间距/mm 150 管程数 4 材质 碳钢 主要计算结果 管程 壳程 流速/（m/s） 1.0 0.028 表面传热系数[W/(m2·℃） 3955 556 污垢热阻/(m2*℃/W） 0.000058 0.000172 阻力/Pa 52431.75 88.5 热流量/kW 39.1 传热温差/℃ 14.9 传热系数/[W/m2*℃] 335.87 裕度/% 17.8

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7、离心泵的选择

本次任务所设计的牛奶灭菌后冷却系统流量为0.98立方米每小时，需要的离心泵为小型离心泵，由于牛奶有少许固体，所以可以选择食品流程泵，这种离心泵广泛用于食品加工工业部门，常用的SHB型泵为单级单吸悬臂式离心泵。叶轮采用半开式，并可通过调整垫片对叶轮和泵体的轴向间隙进行调整，适用于输送悬浮液或含有悬浮颗粒的液体。

四、参考文献

1.姚玉英，陈长贵，柴诚敬 . 化工原理（第三版）. 天津：天津大学出版社，2010 2.谭天恩，窦梅，周明华. 化工原理（第三版）. 北京：化学工业出版社，2006 3.杨同舟，于殿宇. 食品工程原理（第二版）. 北京：中国农业出版社，2010

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