1、山東理工大學食品工程原理課程設(shè)計年產(chǎn)7萬噸橙汁生產(chǎn)線中換熱器的設(shè)計 學院： 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院 姓名： 田震 學號：班級： 食品1302 指導教師： 李凡月 課程設(shè)計（論文）時間：二一五年七月五日七月十九日共兩周1目錄第一章 前言 1.1 選題的意義4 1.2 立題的意義4 1.3廠址的選擇4第二章 設(shè)計方案簡介 2.1 選題5 2.2 設(shè)計擬定工作內(nèi)容5第三章 工藝設(shè)計 3.1工藝流程圖6 3.2工藝操作要求7第四章 設(shè)計計算4.1 物料衡算84.1.1 各流程物料衡算84.1.2 調(diào)配衡算94.1.3 設(shè)備選型104.2 換熱器的選擇114.2.1確定設(shè)計方案

2、114.2.2工藝計算114.2.3部件結(jié)構(gòu)設(shè)計114.2.4換熱器核算114.2.5設(shè)計結(jié)果概要11第五章 設(shè)計評述12第六章 參考文獻13第一章 前言1 . 1選題的意義橙子是世界上栽培最廣、經(jīng)濟價值最高的橙子類水果，成熟后變成黃色果肉酸甜適度，汁多，富有香氣，是生產(chǎn)飲料的重要原料。橙子營養(yǎng)豐富，含有豐富的維生素C、鈣、磷、鉀、-胡蘿卜素、檸檬酸、皮甙以及醛、醇、烯等物質(zhì)，常常食用可以強化免疫系統(tǒng)，抑制腫瘤細胞生長，明顯減少膽結(jié)石的發(fā)生，增強毛細管韌性，減少人體體內(nèi)的膽固醇吸收，降低血脂，深受人們喜愛。由于橙子出汁率高，有良好的風味，營養(yǎng)豐富，經(jīng)過加工可制成酸甜可口的橙子飲料，既可以保留其

3、大部分的營養(yǎng)成分和風味物質(zhì)，又可以增加其附加價值，為農(nóng)民的創(chuàng)收提供幫助。1 . 2立題的意義作為食品專業(yè)的學生，通過本次果蔬汁加工工藝學設(shè)計，我們已初步通過學習掌握果汁加工原料的質(zhì)構(gòu)與加工特性、果汁加工工藝、果汁加工設(shè)備、果汁在加工生產(chǎn)過程中常見的質(zhì)量問題、果汁加工中物料衡算及管路設(shè)計等相關(guān)基本知識。參考果蔬汁現(xiàn)代生產(chǎn)加工相關(guān)文獻，我們設(shè)計日產(chǎn)72噸橙子生產(chǎn)線，在設(shè)計過程中選擇橙汁加工中合理的工藝流程，選擇合適的加工設(shè)備，為實際生產(chǎn)加工橙子提供一定的用途。1 . 3廠址的選擇橙汁工廠的選擇一般傾向于設(shè)在原材料產(chǎn)地附近，廠址在城市外圍，原材料產(chǎn)地附近的郊區(qū)，有利于銷售，便于輔助材料和包裝材料的獲

4、得，同時還可以減少運輸費用。第二章 設(shè)計方案簡介2.1選題本設(shè)計選擇濃縮橙汁的初步工藝設(shè)計，年產(chǎn)7萬噸濃縮橙汁，一天安排兩班生產(chǎn)，每班12小時，每班產(chǎn)120噸，每小時生產(chǎn)10噸橙汁，日產(chǎn)240噸。2.2設(shè)計擬定的工作內(nèi)容本設(shè)計擬定的工作內(nèi)容包括初步生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計，具體流程操作要求、物料衡算、設(shè)備選型、相關(guān)設(shè)計計算其包括管路計算及泵的計算以及設(shè)備平面布置圖等。( 1 ) 濃縮橙汁的工藝流程及操作要求:查找一般濃縮橙汁生產(chǎn)流程，根據(jù)現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計一條先進生產(chǎn)流程。( 2 )濃縮橙汁物料衡算：以橙子及成品的指標為依據(jù)進行物料衡算，衡算的數(shù)據(jù)作為設(shè)備選型及能源配備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。( 3 )

5、主要設(shè)備選型：根據(jù)每個流程具體要求，選擇其工藝要求選擇合適處理量的設(shè)備，其主要包括選果機、榨汁機、均質(zhì)機、脫氣機、濃縮設(shè)備、殺菌設(shè)備等的選型。( 4 )相關(guān)計算: 在物料處理過程中，根據(jù)其生產(chǎn)量，設(shè)定適合流量及處理量，計算選擇適合管道，設(shè)計其管路以及根據(jù)能量衡算計算選擇合合適的泵。( 5 )設(shè)備平面布置圖：根據(jù)工藝流程及選擇的相應的設(shè)備等，計算生產(chǎn)線長度，選擇合適比例，符合工廠建設(shè)要求，在圖紙上畫出其設(shè)備平面布置圖。第三章 工藝設(shè)計3.1工藝流程圖選果清洗 3.2工藝操作要求1、原料檢驗：原料進廠后按制汁質(zhì)量要求進行原料驗收，棄除病果害、未成熟果、枯果、過熟果和機械損傷果等不合格的果實。2、選

6、果：篩選出直徑大于30毫米的橙子，棄去小于30毫米的果。3、清洗：在洗果機上通過毛刷及水流噴進行橙子的清洗,去除殘留的農(nóng)藥和部分微生物、灰塵、碎葉等，清洗環(huán)節(jié)必須符合食品衛(wèi)生要求。4、除油：在榨汁前橙子先輸送到銼皮機提取精油，銼磨機輕輕的用研磨刺扎橙子的外表皮使果皮有流出，同時可用水噴淋，果皮油隨之流入銼磨機底座，也可以隨著針刺空留下來。本設(shè)計選擇針刺磨油機。5、榨汁：采用全果榨汁機通過上下兩個榨杯擠壓橙子，果汁和部分果肉纖維通過中間的欲慮管流出，果皮和籽渣由兩個通道分開，皮油也有單獨通道。6、過濾、離心：榨出的果汁中含有果皮的碎片和囊衣、粗的過果漿，為除去這些雜物，必須進行粗濾，經(jīng)粗慮的果汁

7、立即送往用離心分離方法分離果汁中的細小顆粒。7、脫氣：采用真空脫氣法脫去果汁中的空氣，防止果汁氧化。8、調(diào)配：根據(jù)生產(chǎn)消費的需要，調(diào)整果汁的口感風味，可添加蔗糖，維生素，檸檬酸等。9、均質(zhì)：采用均質(zhì)使果汁內(nèi)容物進一步破碎細化，大小更為均勻，同時使產(chǎn)品質(zhì)量更為穩(wěn)定，常用高壓均質(zhì)機進行均質(zhì)。10、濃縮：本設(shè)計采用真空濃縮法，一般濃縮到原質(zhì)量的1/4，可以把原果汁糖度由12.25 Brix經(jīng)濃縮后控制最終糖度在49土0.5 Brix。11、殺菌：在進行殺菌時，一方面殺滅果蔬汁中有害微生物以達到商業(yè)無菌和鈍化果蔬汁中的酶，同時盡量保證產(chǎn)品的質(zhì)量不要受到太大的影響。本設(shè)計采用列管式換熱器進行殺菌，將橙汁

8、在室溫（20）下加熱到105進行殺菌。12、冷卻：將濃縮果汁通過板式換熱器冷卻至5以下。13、無菌灌裝：利用無菌灌裝機自帶無菌室，和外界隔離的條件下，利用機械手完成自動開蓋、灌裝、計量、關(guān)蓋等過程。14、凍庫貯存：為了保持品質(zhì)和延長保質(zhì)期，產(chǎn)品因保持在-18以下。第四章 設(shè)計計算4.1物料衡算4.1.1各流程物料衡算項目損失率（%）處理后量（日產(chǎn)量t）原料檢驗21848.09選果6.21733.51清洗0.21730.04除油0.21726.58榨汁(除皮)43.5975.52過濾、離心0.8972.59脫氣0.3874.41調(diào)配-10.339964.81均質(zhì)0.3961.92濃縮75240.

9、48殺菌0240.48冷卻0240.48無菌灌裝0.2240凍庫貯存0240注:損失量指相對與上一步總量百分比。4.1.2調(diào)配衡算成分名稱添加量（%）成分名稱添加量/kg蔗糖10海藻酸鈉0.08苯甲酸鈉0.036維生素C0.023香料水0.08檸檬酸0.12總添加量10.339注：添加百分含量指相對于上一步脫氣后總產(chǎn)量添加。無菌灌裝后：240t冷卻后：240/(1-0.2%)=240.48t殺菌后：240.48t濃縮后：240.48t均質(zhì)后：240.48/(1-75%)=961.92調(diào)配后：961.92/(1-0.3%)=964.81t脫氣后：964.81/(1+10.339%)=874.41

10、t過濾、離心后：964.81/(1-0.8%)=972.59t榨汁后：972.59/(1-0.3%)=975.52t除油后：975.52/(1-43.5%)=1726.58t清洗后：1726.58/(1-0.2%)=1730,04t選果后：1730.04/(1-0.2%)=1733.51t原料驗收后：1733.51/(1-6.2%)=1848.09t日消耗原料：1848.09/(1-2%)=1885.80t所以計算所得原料量1885.80t因此，取日生產(chǎn)240t澄清濃縮橙汁需要原料果橙約1900t4.1.3、設(shè)備選擇：1帶式輸送機8調(diào)配罐14不銹鋼飲料泵2滾杠選果機9高壓均質(zhì)機15提升機3毛刷

11、洗果機10雙效降膜式真空濃縮設(shè)備16雙層保溫不銹鋼儲罐4橙橘磨油機11列管式殺菌機5全果榨汁機12板式換熱器6臥式螺旋卸料過濾離心機13無菌大袋灌裝機4.2列管式換熱器的設(shè)計列管式換熱器應用已有很悠久的歷史?，F(xiàn)在，它被當作一種傳統(tǒng)的標準換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用。列管式換熱器在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中得到廣泛的使用，并占有十分重要的地位。同時，尤其是在化工、石油、能源設(shè)備等部門所使用的換熱設(shè)備中，列管式換熱器仍處于主導地位。而在列管式換熱器的設(shè)計中，首先應根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需要的傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。 列管式換熱器的設(shè)計和分析包括熱力設(shè)計、

12、流動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及強度設(shè)計。其中以熱力設(shè)計最為重要。 熱力設(shè)計指的是根據(jù)使用單位提出的基本要求，合理的 選擇運行參數(shù)，并根據(jù)傳熱學的知識進行計算。流動設(shè)計主要是計算壓降，其目的就是為換熱器的輔助設(shè)備（例如泵的計算）的選擇作準備。結(jié)構(gòu)設(shè)計指的是根據(jù)傳熱面積的大小計算其主要零部件的 尺寸，例如管子的直徑、長度、根數(shù)、殼體的內(nèi)經(jīng)、折流板的長度和數(shù)目、隔板的數(shù)目及布置以及連接管的尺寸，等等。在某些情況下還需要對換熱器的主要部件特別是受壓部件做應力計算，并校和其強度。 對于高溫高壓下工作的換熱器，更要做這方面的計算。  列管式換熱器的工藝設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：  

13、60;根據(jù)換熱器任務和有關(guān)要求設(shè)計方案;   初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸;   核算換熱器的傳熱系數(shù)和流體阻力;   確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。4.2.1確定設(shè)計方案設(shè)計內(nèi)容與要求1.設(shè)計條件：  設(shè)計一列管式換熱器,日(按24小時工作制)處理鮮奶240噸,主要用于加熱殺菌操作。  設(shè)計依據(jù):冷橙汁溫度60,采用高溫短時殺菌,加熱至105。   加熱蒸汽采用鍋爐房送出的飽和水蒸氣溫度為120;   允許壓降:80kp； 2.設(shè)備類型：列管式換熱器；3.圖紙：設(shè)

14、備裝配圖一張，采用A2圖紙。換熱器的類型選擇及流程安排1.選擇換熱器類型：   飽和水蒸氣的溫度為120。牛奶的進口溫度60，出口溫度105。 其定性溫度為：（60+105）/2=82.5。而120-82.5=37.5，溫差較大，所以采用浮頭式換熱器。 2.流程安排：  飽和水蒸氣通入殼程，便于排出冷凝水；橙汁通入管程，便于提高流速，增大傳熱膜系數(shù)。4.2.2工藝計算確定物性參數(shù)1.定性溫度   取流體進出口溫度的平均值。飽和水蒸氣：T=(120+120)/2=120   冷橙汁:t=(60+1

15、05)/2=82.5 2.根據(jù)定性溫度查出有關(guān)物性參數(shù)（根據(jù)飽和水蒸氣物性參數(shù)表）   120下飽和水蒸氣的物性數(shù)據(jù)：     汽化潛熱：r=2205kJ/kg      粘度：=1×10-3pa.s        比容：0.892 密度=1.120kg/m3   熱流體定性溫度下的物性參數(shù)：     

16、60;密度：=980kg/m3          粘度：=1.1×10-3pa.s      導熱系數(shù)：=0.65w/m.k      熱容：Cp=4.266kJ/kg.k估算傳熱面積1.熱負荷：     Q1=mCpt1=10000×4.266×(105-60)=1919700/h=533.25kw熱溫差:  

17、60;  Th1=Th2=120      Tc1=60 Tc2=105   t1=Th1-Tc1     t2=Th2-Tc2     tm=(t1-t2)/lnt1/t2=32.463.傳熱面積:     橙汁的=1.1×10-3Pa.s2×10-3Pa.s,根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù),傳熱系數(shù)k取1000w/m2.k.  &#

18、160;  初步定傳熱面積:S=Q1/Ktm=533.25×103/(1000×32.46)=16.43m2     考慮到估算性質(zhì)的影響,實際傳熱面積S0=1.3×A1=21.36m2 4.蒸汽的使用量：     忽略熱損失    qm=Q1/r=533.25×3600/2205=870.61kg/h(r為飽和水蒸氣的汽化潛熱)傳熱管排列及分程1.管徑選用和管內(nèi)流速計算   管徑：  

19、   由于橙汁是食品，按規(guī)定應該采用衛(wèi)生管，按不銹鋼管規(guī)格表選用25×2mm的管子。   管內(nèi)流速的計算：     橙汁流動的體積流量:qv=m/=240×103/（24×980）=10.2m3/h。橙汁在管內(nèi)流動時以湍流時傳熱效果最好， 所以讓橙汁做湍流流動。由于Re=du/4000時為湍流,故:            由du/=4000 

20、60;代入數(shù)據(jù)得:             0.021×980×u/1.1×10-3=4000         即:u=0.21m/s        故u可取0.5m/s 2.管成數(shù)和傳熱管數(shù)及其排列分程方法   傳熱管單程數(shù)NS     

21、NS= qv /（0.785d2u）=0.43/0.785×(21×10-3)2×0.5×3600=16.4 取整數(shù)17根   確定程數(shù)     按單程數(shù)計算所需要的傳熱管長度:    L=S0/d0NS=21.36/(3.14×0.025×17)=17.01m 取L=18m    取標準管長度l=3m,則管程數(shù)Np=L/l=18/3=6(管程）    所以傳熱管總數(shù)：NT=1

22、7×6=102根 3.管子排列和分程   采用正四邊形排列  管心距t=1.25d0=1.25×25=31.25mm  取t=32mm。   隔板中心到最后一排管中心距s=t/2+17=33mm.各程相鄰管心距為33×2=66mm。4.2.3部件結(jié)構(gòu)設(shè)計殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.6     則殼體內(nèi)徑：D=1.05t(Nt/)0.5=1.05×32×(102/0.6)0.5=438.09  

23、;       D圓整為450mm     長徑比：l/D=3000/450=6.67,在6，10之間。故滿足。折流板、拉桿和緩沖擋板1.折流板:     采用弓形折流板，弓形折流板圓缺高度一般為10%-40%，可取20%。則切去的圓缺高度為：                 h=350&

24、#215;20%=70mm.     折流板的間距:B=0.3D=0.3×350=105mm。 折流板數(shù)目：NB=l/B-1=3000/105-1=28塊。   2.拉桿：     根據(jù)換熱器拉桿選擇標準(附表),本換熱器殼體內(nèi)徑D=350mm,可選用拉桿直徑10mm，拉桿數(shù)目4個。傳熱過程與設(shè)備P102 中國石化出版社 主編：史勇春 廖傳華   3.放沖擋板：     殼程入口處應設(shè)防沖擋板。接管計算管程流體進出口接管，取管

25、內(nèi)橙汁的流速u1=1.0m/s。     則接管內(nèi)徑：D1=(4qv/u1）0.5=(4×10.2/3.14×1×3600)0.5=60.08mm。取D1=61mm     殼程流體進出口接管，取接管內(nèi)流體流速u2=10m/s。     則接管內(nèi)徑：D2=(4qv/u2）0.5=(4×0.892×870.61/3.14×10×3600)0.5=165.77mm。取D2 =170mm4.2.4換熱器核算1 熱

26、能力核算 1.殼程流體傳熱膜系數(shù)0     設(shè)換熱管外壁溫tW=115,則冷凝液膜的平均溫度:(tW+tS)/2=(120+115)/2=117.5。     膜溫在117.5下的水的物性參數(shù)： =950kg/m3      =25×10-5Pa.s    =0.685w/m.k    nc=1.1(Nt)0.5=1.1×(96)0.5=10.78 

27、0; 0=0.725(g23r/n2/3d0t)0.25=10.323×103w/m2  2.管程傳熱膜系數(shù)i    管程流體流通截面積：Si=d2NS/4=3.14×(21×10-3)2×17/4=0.005885m2     管程流體流速:ui=qV/si=10.2/(0.005885×3600)=0.481m/s     管程雷諾數(shù):Re=dui/=(980×21×10-3×0.4

28、81)/1.1×10-3=89994000.管程流體處于湍流。     管程普蘭特常數(shù)：Pr=Cp/i=(4.266×103×1.1×10-3)/0.65=7.22 管內(nèi)傳熱膜系數(shù):i=0.023iRe0.8Pr0.4/d=0.023×0.65×(8999)0.8×(7.22)0.4/0.021=2286.61w/m2  3.污垢熱阻和管壁熱阻     管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ri=0.000172m2/w 不銹鋼導熱系數(shù)=17.45m

29、/w     管壁熱阻Rw=b/=0.00014m2/w 管外污垢熱阻R0=0   4.總傳熱系數(shù)K0     K0=1/(1/0+R0+Rwd0/dm+Rid0/di+d0/idi)      =1/(1/10323+0+0.00014×25/22.5+0.000172×25/21+25/(21×2286.61)=1125w/m2k  k取1000w/m2k滿足。   

30、60;5.安全系數(shù)     換熱器安全系數(shù)：（K0-k)/k=(1125-1000)/1000=12.5%,位于10%，25%之間，符合要求。 壁溫核算    由公式（T-tw)/(R0+1/0)=(tw-ti)/(Ri+1/i) 可得：tw=137,tw與假設(shè)的壁溫相差微小，滿足要求。 壓強計算    管程壓強降Pi=(P1+P2)FtNSNP    25×2mm的鋼管Ft=1.4，NS=1，NP=4，摩擦阻力系數(shù)=0.3164/Re0.25=0.032

31、5    直管壓強降P1=lui2/2d=3092.5N/m3 回彎處壓強降P2=3（ui2/2）=289.6N/m3    管程壓強Pi=（3092.5+289.6）×1.4×4×1=1.89×104Pa 小于5×104Pa  故壓強降合適。4.2.5設(shè)計結(jié)果概要換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸表1.物性參數(shù)表： 管程殼程 流速kg/h10000870.61 溫度 進/出60/105120 壓力Pa2.37×1041.99×105 定性溫度82.5120 密度kg/m39801.1199 熱容KJ/kg.