浮头式换热器
一：设计任务和设计条件
1.设计题目：浮头式换热器的设计．
2.设计条件：
(1)灭菌后的牛奶：
处理量：4200千克/小时，进口温度：60℃出口温度：10℃压力0.7Mpa
(2)冷却水：
进口温度：0℃出口温度：10℃，
以上设计还要求选用一台合适的离心泵，完成相应的生产任务。管路布置如图（参考图），已知泵进口段管长L进=5米，泵出口段管长L出=15米。（均不包括局部阻力损失。局部阻力：底阀1个，标准90°弯头3个，球心阀1个）
3.设计任务：用水将高温灭菌后的牛奶冷却。
(1)根据设计条件选择合适的换热器型号，并核算换热面积，压力降是否满足要求，并设计管道与壳体的连接，管板与壳体的连接，折流板等。
(2)绘制浮头式换热器的装配图。
(3)编写课程设计说明书。
二．设计方案简介
在食品工业中的加热、冷却、冷冻、蒸发和干燥的单元操作中，经常见到食品物料与加热介质活冷却介质的热交换。这就需要用到
进行热交换的设备---换热器。换热器（热交换器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。
1.选择换热器的类型
两流体温度变化情况:①热流体（牛奶）进口温度60℃出口温度10℃；②冷流体（盐水）进口温度0℃，出口温度10℃，由两流体的温差来看，由于两流体温差（60+10）/2-（0+10）/2=30℃<50℃,估计换热器的管壁温度和壳体壁温度不会很大，但冬季操作时，进口温度会发生变化，考虑到该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差增大，同时便于污垢清洗及检修。因此初步确定选用浮头式换热器。
2．管程安排及流动空间的选择：
从两物流的操作压力看，应使走牛奶管程，冷却水走壳程，其原因如下：不易清洗和易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。因为牛奶在高温下容易结垢，所以应使牛奶走管程，冷却水走壳程。当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，所需的传热面积较小。逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流。
三．设计计算：
1.热流量
Q 1=1
11t c m p ?
=4200×3.77×(60-10)=791700kJ/h =219.917kw
冷盐水量: W=Q/Cp(t t 12-) ==18850kg/h
2.确定物性数据：
定性温度：管层盐水的定性温度：T=（10+0）/2=5
壳层牛奶的定性温度：（60+10）/2=35 定性温度下流体的物性：
3.计算两流体的平均温度差： = =2
4.85 P===0.167 ; R==5 查表得：t F =0.82 所以=?m t 24.85x0.82=20.38℃
壳程单程，管侧2程或2n程的换热器温差修正系数4.总传热系数K：
管程传热系数：
Re===12984
5.计算传热面积：
==17.86
=20.54
四.工艺结构尺寸
1.管径和管内流速
选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速u i=1.0m/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
==16.68
L===15.39m
按单程管设计，传热管过长，宜采用多程管结构。现取传热管长l=4.5m。则该换热器的管程数为：
=，
则传热管的总根数为：N=4=68根
从设计考虑，可以去N=72
3.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=1.25
=31.25
横过管束中心线的管数
=1.19=1.19
=10.1
4.壳体内径：
采用多管程结构，取管板利用 率＝0.6，则壳体内径为D=1.05t=1.05=357.7mm
圆整可取D=400mm
5.折流板
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＝0.25×400＝100(mm)，故可取h＝110 mm。
取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×400＝120(mm)，可取B为150。
折流板数 = -1=-1=29(块)
折流板厚度取6mm.
折流板圆缺面水平装配。
6.接管
壳程流体进出口接管：取接管内牛奶流速为u＝2.0m/s，则接管内径为
d===26.8mm
取标准管径为30 mm。
管程流体进出口接管：取接管内冷盐水流速 u＝1.5 m/s，则接管内径为
d===66.7mm
取标准管径为70mm.
7.热量核算
（1）壳程对流传热系数
对圆缺形折流板，可采用克恩公式：
=0.36
0133.0032.0025.014.015.01S 0'o
=??? ??-?=??
? ??-=t d BD (㎡)
=0.15(1-0.025/0.032)=0.0131m
壳程流体流速及其雷诺数分别为
==0.0865m/s
==840.175
普兰特准数
Pr===13.10
=0.36=0.36=1050.58
管程流通截面积：=0.785=0.00534
管程流体流速
==0.981m/s
==12737.71
普兰特准数:
==11.51
=0.023=3303.22W/() （3）传热系数K
==562.1 （4）传热面积S
==19.2
=3.14(4.5-2=
该换热器的面积裕度：H===12.5
五．其他辅助设备的选择：
1.管箱
DN=1200mm,采用封头管箱
2.封头
DN=1200mm,采用圆形封头
①选一合适的离心
管径初选
=18850kg/h
===18.85/h
取水经济流速 u=1.0m/s
==0.00524 所以=82mm
由于82mm不是标准管径，因此确定 =75mm 经计算
符合经济流速范围u==1.2m/s
故确定 =75mm,u=1.2m/s
②压头
在水槽液面及压力表2处列伯努利方程，
He=f e a H g
u z g p g ++?+=+2H p 2
2ρρ
取=0.002,===2.54 查图得
局部阻力：底阀1个 5.8=ξ
标准 90弯头3个 375.0?=ξ 球形阀1个 5.9=ξ 入口突扩 1=ξ 出口突缩 5.0=ξ 故75.215.015.9375.05.8=+++?+=∑ξ 换热器压降 Pa 5.93832.31093.6274t =+=??
=()+=(0.05)+=3.53m =++=+8++3.53=17.72m
由v q 和e H 选泵的型号为 ISW80-160B,则查表得：P=4Kw
== ==23
七：参考文献
1杨同舟. 食品工程原理. 中国农业出版社. 2001
2刘光启. 化工物性算图手册. 北京:化学工业出版社. 2002 3换热器设计手册/钱颂文主编.---北京:化学工业出版社，2002.8
4化工部化工工艺孔管设计. 化工管路手册（上下册）. 北京:化学工业出版社