食品工程原理課程設(shè)計(jì)——蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)?摘要：本課程設(shè)計(jì)針對蒸發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。介紹了蒸發(fā)器的工作原理、類型及應(yīng)用，闡述了設(shè)計(jì)的目的、任務(wù)和要求。通過對物料特性、工藝參數(shù)等的分析，進(jìn)行了蒸發(fā)器的選型、工藝計(jì)算、主要部件設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算等，最終完成了符合要求的蒸發(fā)器設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了分析與討論。一、引言蒸發(fā)器是食品工業(yè)中常用的單元操作設(shè)備，用于將溶液中的溶劑蒸發(fā)除去，以獲得濃縮的產(chǎn)品。在食品加工過程中，如果汁濃縮、牛奶濃縮等都離不開蒸發(fā)器。本課程設(shè)計(jì)旨在通過對蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)，加深對食品工程原理中蒸發(fā)操作的理解，掌握蒸發(fā)器設(shè)計(jì)的基本方法和步驟，提高工程設(shè)計(jì)能力。二、蒸發(fā)器的工作原理與類型（一）工作原理蒸發(fā)器通過加熱使溶液中的溶劑汽化，產(chǎn)生的蒸汽不斷被引出，從而使溶液得到濃縮。其基本過程包括加熱、汽化、蒸汽排除和溶液排出等。（二）類型常見的蒸發(fā)器類型有中央循環(huán)管式蒸發(fā)器、懸筐式蒸發(fā)器、外加熱式蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器、升膜蒸發(fā)器、降膜蒸發(fā)器、刮板式蒸發(fā)器等。不同類型的蒸發(fā)器適用于不同的物料和工藝要求。三、設(shè)計(jì)目的與任務(wù)要求（一）設(shè)計(jì)目的1.掌握蒸發(fā)器的選型方法和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟。2.熟悉蒸發(fā)器主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算。3.培養(yǎng)運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際工程問題的能力。（二）任務(wù)要求1.設(shè)計(jì)一臺蒸發(fā)器，將給定的原料液濃縮至指定濃度。2.確定蒸發(fā)器的類型、尺寸和操作條件。3.進(jìn)行蒸發(fā)器的工藝計(jì)算，包括物料衡算、熱量衡算、傳熱計(jì)算等。4.設(shè)計(jì)蒸發(fā)器的主要部件，如加熱室、分離室、循環(huán)管等。5.對蒸發(fā)器進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，確保其安全可靠。6.繪制蒸發(fā)器的工藝流程圖、設(shè)備裝配圖等。四、物料特性與工藝參數(shù)（一）物料特性給定的原料液為某種食品溶液，其物性參數(shù)如下：密度ρ=1050kg/m3，比熱容Cp=3.8kJ/(kg·K)，沸點(diǎn)升高值Δ=5K，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.5W/(m·K)。（二）工藝參數(shù)1.原料液流量：F=1000kg/h。2.原料液濃度：x0=10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。3.濃縮后溶液濃度：x1=40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。4.加熱蒸汽壓力：P1=0.4MPa（絕壓）。5.冷凝器操作壓力：P2=0.05MPa（絕壓）。6.蒸發(fā)器的熱損失忽略不計(jì)。五、蒸發(fā)器的選型根據(jù)物料特性和工藝要求，綜合考慮蒸發(fā)器的傳熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性、操作穩(wěn)定性等因素，選擇中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、傳熱效果較好等優(yōu)點(diǎn)，適用于處理結(jié)垢不嚴(yán)重的溶液。六、蒸發(fā)器的工藝計(jì)算（一）物料衡算1.蒸發(fā)水量W由物料衡算公式Fx0=(FW)x1，可得：W=F(1x0/x1)=1000×(10.1/0.4)=750kg/h2.濃縮液量F1F1=FW=1000750=250kg/h（二）熱量衡算1.加熱蒸汽消耗量D已知加熱蒸汽壓力P1=0.4MPa（絕壓），其汽化潛熱r1=2138kJ/kg。冷凝器操作壓力P2=0.05MPa（絕壓），二次蒸汽汽化潛熱r2=2319kJ/kg。由熱量衡算公式D(r1c0Δt)=Fcp(t1t0)+Wr2，其中c0為冷凝水比熱容，取4.18kJ/(kg·K)，t0為原料液溫度，t1為加熱蒸汽冷凝溫度，查得t1=143.6℃，假設(shè)t0=20℃。先計(jì)算傳熱溫差Δt：Δt=t1(t0+Δ)=143.6(20+5)=118.6℃再代入熱量衡算公式：D(21384.18×118.6)=1000×3.8×(118.620)+750×2319解得D=1032kg/h（三）傳熱計(jì)算1.蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)K查相關(guān)資料，中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值范圍為15003500W/(m2·K)，取K=2000W/(m2·K)。2.加熱面積A由傳熱速率方程Q=KAΔt，其中Q=D(r1c0Δt)=1032×(21384.18×118.6)=1.98×10^6kJ/h=550kW可得A=Q/(KΔt)=550×1000/(2000×118.6)=2.32m2七、蒸發(fā)器主要部件設(shè)計(jì)（一）加熱室1.加熱管尺寸選用φ38×2.5的無縫鋼管作為加熱管，管長L=3m。加熱管數(shù)量n=A/(πdL)=2.32/(π×0.033×3)≈75根2.加熱室直徑D1根據(jù)加熱管的排列方式，采用正三角形排列，取管心距t=45mm。則加熱室直徑D1=√(nπt2/√3)=√(75×π×0.0452/√3)≈0.8m（二）分離室1.分離室直徑D2根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，分離室直徑一般為加熱室直徑的1.52倍，取D2=1.5D1=1.5×0.8=1.2m2.分離室高度H為保證二次蒸汽在分離室內(nèi)有足夠的停留時間，使液滴能充分分離，分離室高度H取2m。（三）循環(huán)管循環(huán)管截面積一般為加熱管總截面積的40%100%，取循環(huán)管截面積為加熱管總截面積的50%。加熱管總截面積A0=nπd2/4=75×π×0.0332/4≈0.2m2則循環(huán)管截面積A1=0.5A0=0.1m2循環(huán)管直徑d1=√(4A1/π)=√(4×0.1/π)≈0.36m，選用φ400×8的無縫鋼管。八、蒸發(fā)器的強(qiáng)度計(jì)算（一）加熱管強(qiáng)度計(jì)算1.計(jì)算加熱管內(nèi)壓力P加熱管內(nèi)壓力近似等于加熱蒸汽壓力，P=0.4MPa2.計(jì)算加熱管壁厚δ根據(jù)薄壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式δ=Pd/(2[σ]φP)，其中d為加熱管外徑，[σ]為管材許用應(yīng)力，φ為焊接接頭系數(shù)。查得無縫鋼管許用應(yīng)力[σ]=113MPa，焊接接頭系數(shù)φ=0.85則δ=0.4×10^6×0.038/(2×113×10^6×0.850.4×10^6)≈0.001m=1mm由于實(shí)際壁厚為2.5mm，大于計(jì)算壁厚，所以加熱管強(qiáng)度滿足要求。（二）蒸發(fā)器筒體強(qiáng)度計(jì)算1.計(jì)算蒸發(fā)器筒體內(nèi)壓力P蒸發(fā)器筒體內(nèi)壓力近似等于加熱蒸汽壓力，P=0.4MPa2.計(jì)算蒸發(fā)器筒體壁厚δ根據(jù)內(nèi)壓薄壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式δ=PD/(2[σ]φP)，其中D為蒸發(fā)器筒體直徑，取D=D2=1.2m則δ=0.4×10^6×1.2/(2×113×10^6×0.850.4×10^6)≈0.003m=3mm選用筒體壁厚為6mm，大于計(jì)算壁厚，所以蒸發(fā)器筒體強(qiáng)度滿足要求。九、設(shè)計(jì)結(jié)果分析與討論（一）設(shè)計(jì)結(jié)果分析通過本次設(shè)計(jì)，成功確定了蒸發(fā)器的類型、尺寸和操作條件，完成了各項(xiàng)工藝計(jì)算和主要部件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器能夠滿足給定的物料濃縮要求，加熱面積、循環(huán)管尺寸等參數(shù)的確定保證了蒸發(fā)器的傳熱效率和循環(huán)性能。強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠。（二）討論1.蒸發(fā)器選型的合理性中央循環(huán)管式蒸發(fā)器適用于處理結(jié)垢不嚴(yán)重的溶液，對于本次給定的物料較為合適。但在實(shí)際應(yīng)用中，若物料結(jié)垢嚴(yán)重，可考慮選擇其他類型的蒸發(fā)器，如強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器或刮板式蒸發(fā)器。2.傳熱系數(shù)的影響傳熱系數(shù)K對蒸發(fā)器的性能有重要影響。本次設(shè)計(jì)中K的取值是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取的，實(shí)際操作中應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)或參考類似設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高蒸發(fā)器的傳熱效率。3.操作條件的優(yōu)化加熱蒸汽壓力、冷凝器操作壓力等操作條件會影響蒸發(fā)器的性能。在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)根據(jù)物料特性和設(shè)備情況，合理調(diào)整操作條件，以達(dá)到最佳的濃縮效果和經(jīng)濟(jì)效益。十、結(jié)論本課程設(shè)計(jì)完成了一臺中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)，通過物料衡算、熱量衡算、傳熱計(jì)算等確定了蒸發(fā)器的各項(xiàng)工藝參數(shù)和主要部件尺寸，并進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算。設(shè)計(jì)結(jié)果表明該蒸發(fā)器能夠滿足給定的工藝要求，具有一定的合理性和可行性。同時，通過對設(shè)計(jì)結(jié)果的分析與討論，對蒸發(fā)器的選型、性能優(yōu)化等方面有了更深入的認(rèn)識，為今后的工程實(shí)踐和進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。十一、參考文獻(xiàn)[1]李云雁,胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.[2]朱思明.食品工程原理[M].北京