食品工程原理课程设计--管壳式冷凝器.doc

食品工程原理课程设计

目 录

一、课程设计任务书
（一）设计题目：管壳式冷凝器设计
（二）设计任务：将制冷压缩机压缩后的制冷剂（如F-22、氨等）过热蒸汽冷却、冷凝为过冷液体，送去冷库蒸发器使用。
（三）设计条件：
1. 冷库冷负荷Q0=学生学号最后2位数X100(KW)；
2.高温库，工作温度0—4℃，采用回热循环；
3. 冷凝器用河水为冷却剂，每班分别可取进口水温度:17～20℃(1班)、21～24℃(2班) 、25～28℃(3班)、13～16℃(4班) 、9～12℃(5班)、5～8℃(5班)；
4.传热面积安全系数5～15％。
二、流程示意图及说明
流程说明：制冷机是利用液体汽化时吸热的原理来工作的，制冷机的全套装置包括：压缩机，冷凝器，回热器，节流阀，蒸发器。压缩式制冷机的制冷过程分为压缩、冷凝、膨胀、蒸发4个阶段。低压低温蒸汽在压缩机内压缩成高压高温的过热蒸汽，为等熵过程（1’—2’），该蒸汽温度高与环境介质的温度，其压力使制冷剂蒸汽能在常温下冷凝成液体状态，排至冷凝器时，经冷却，冷凝成高压的制冷剂液体把热量传给冷却水，为等压过程（2’—4）.高压液体通过膨胀阀因节流而降压，同时制冷剂液体因沸腾蒸发吸热，其本身温度也相应下降，为等焓过程（4—4’）。将该低压低温的制冷剂液体引入蒸发器蒸发吸热，发生冷效应，使周围空气及物料温度下降，为等压等温过程（5’—1）。从蒸发器出来的低压低温蒸汽重新进入压缩机，即完成一次制冷循环。
流程示意图如图1所示:

图1 回热循环制冷原理图

三、流程及方案的说明和论证
设计方案的确定包括制冷剂的选择、冷凝器型式的选择、流体流入冷凝器空间的选择、冷却剂的选择以及其进出口的温度的确定等。
1. 制冷剂的选择
工业上常用的制冷剂有氨（NH3）、氟利昂-12（CF2Cl2）、氟利昂-22（CHF2Cl）等。
此设计中选用氨（NH3）为制冷剂。其正常的蒸发温度为－33.4℃，使用范围是+5℃～-70℃，氨易溶于水，在常温下，一个单位容积的水可以溶解700个单位溶剂的氨，因此排除了形成冰塞的可能性。纯氨对钢铁无腐蚀作用。另外氨的比重小，与氟利昂制冷系统比较，其流动截面积可以大为缩小。由于氨制造容易，价格低廉、容易购买、环保，所以广泛应用于蒸发温度在—65℃以上大型、中型、制冷式压缩机中[3]。基于以上优点，所以选用氨。
2.流体流入空间的选择
根据不洁净或易结垢的物料应当流经易清洗的一侧，饱和蒸汽一般应通入壳程，以便排出冷凝液，被冷却物料一般走壳程，便于散热和减少冷却剂用量，可以确定冷却水走管程。在此设计中氨（NH3）走壳程，冷却介质（河水）走管程。
3.流速的选定
流速增大，流体流动产生湍流，有利于传热膜系数的增大，同时还可以减少污垢在管子表面沉积的可能性，从而降低污垢热阻而使K值提高，所需传热面积减少，设备投资费减少。但过大的流速会使流动阻力增加，动力消耗增加，增加生产成本。因此，选择正确的流速十分重要,一般尽可能使流体的雷诺常数Re>104,高粘度的流体按滞流设计。根据一般液体走管程流速大概在0.5—3 m/s。另根据水在室温下的粘度范围查得液体流速范围在1.1m/s～1.5m/s。此设计中初选用流速为1.4m/s。
4.冷凝器的选型
卧式管壳式属于水冷式冷凝器,这种冷凝设备的冷却效果好，耗水量较小，传热系数大,同时由于高度低便于安装在室内，操作管理方便。目前大、中型氨制冷系统及氟利昂制冷系统多采用这种冷凝器.因此此设计选用卧式管壳式冷凝器。
5.冷凝温度tk 、冷却剂适宜出口温度t2的确定、平均温差Δt、蒸发温度t0的确定
根据指导书要求2班取进口水温度21—24℃，此处t 1选用22℃。制冷剂的冷凝温度和冷却剂的进出口温度的确定十分重要，因为其涉及到经济问题。从运行费来说，冷凝温度越低制冷系数越大，可以减少压缩剂的耗电量；从设备投资来看，在冷负荷一定时，传热系数越大，传热平均温差越大，所需要的传热面积越少，冷凝器的初投资越低。这方面正好和运行费用相矛盾，故应全面权衡。综合考虑后选定进口温度t1=22℃。
（1） 冷凝温度tk：冷凝温度取决于冷却水温度、水量、水的流速、冷凝面积、压缩机的排气量、空气、水垢等因素。根据指导书中所提的卧式管壳式冷凝器冷凝温度的选择范围（tk-t1）可取7℃～14℃，此设计冷凝温度tk选用32℃。
（2） 冷却剂适宜出口温度t2：根据指导书中所提的卧式管壳式冷凝器进出口温度的选择范围可取4℃～10℃，此设计的出口温度t2选为29℃。
（3）平均温差Δt：确定了冷凝温度tk、冷却水的进出口温度后,可以根据下式计算平均温差:℃
（4）蒸发温度t0的确定：查阅《食品工程原理》和相关资料可知：蒸发温度一般应比库内温度低8℃～18℃，冷库为高温库，其温度定为0℃，则选定氨气的蒸发温度t0为—10℃。冷却水的定性温度tf = （t1+t2）/2=25.5℃。
综上：t0=-10℃，t1=22℃，t2=29℃，tk=32℃，tf =25.5℃。
6.管道材料及管型的选定
由于要防止氨的一定腐蚀性，则选定管道材料为无缝不锈钢，而其管径则选取φ25×2.5mm,管内径di=20㎜，管外径d0=25㎜，管壁厚度δp=2.5㎜，不锈钢管λp=45.4w/(m·k)

四、冷凝器设计计算及说明
1．冷凝器的热负荷QL
冷凝器的热负荷是制冷剂的过热蒸汽在冷凝过程所放出的总热量。并可用下式简化计算。 根据设计要求，冷库冷负荷Q0=学生学号最后2位数X100(KW)，所以Q0=13×100=1300(kw)。由于1300KW数值过大，计算出来的管数太多，所以本设计用2台冷凝器并联的方式。则Q0=(kw)
QL=ΦQ0 kw
式中: QL -----冷凝器的热负荷 kw Q0 ------制冷量 kw；此处为650kw
Φ-----系数,与蒸发温度、冷凝温度、汽缸冷却方式及制冷剂的种类有关。
可以从设计指导书中图3查得Φ=1.17，∴ QL =650×1.17kw=760.5kw
2. 冷凝器的传热面积计算
在水冷式冷凝器中，卧式管壳冷凝器的制冷在管外冷凝，冷却水在管内流动。其传热面积可用下式计算：

式中： F——— 冷凝器得传热面积， m2；
QL———冷凝器得热负荷， w；
K——— 传热系数，w/ m2.℃；（由指导书P6的表4中取800 w/ m2.℃ ）
∆t——— 传热平均温差，℃；
q——— 热流密度，w/ m2。
∴传热面积 m2
3. 冷凝器冷却水用量
水冷式冷凝器的冷却水用量可用下式求得：
㎏/h
式中：QL——冷凝器的热负荷， kw；
Cp——冷却水的定压比热，kJ/kg·K；此处用淡水的，
取4.186 kJ/kg·K
t1 、t2——冷却水进出冷凝器的温度，K或℃；（t1=22℃，t2=29℃）
∴ ㎏/h
4．管数、管程数和管子的排列
（1）管数
选定了管内流速和管径后，可用下式求得单程管子总数n:

式中：V -------管内流体的体积流量，m3/s；
d -------管子内直径， m；
u -------流体流速， m/s。
ρ-------冷却水定性温度下河水的密度，在25.5℃时，ρ=996.9 kg/m3
㎏/h=25.958 ㎏/s
V=M/ρ=25.958/996.9=0.0261m3/s
∴ 根，圆整到60根。
（2）管程数
按单程冷凝器计算，管束长度为L，则：

式中：F——— 传热面积， ㎡；
m

冷凝器的长径比有一定的要求，一般L/D=3-8。若按单程设计L太长，超过上述长径比范围时，一般可采用多程管解决。管程数为m，则：
m=L/l
式中：L------按单程计算的管长，m；
l-------选定的每程管长，m。考虑到管材的合理利用，按管材一般出厂规格为6m长，则l可取为1，1.5，2，3，6m等。此处选用l=6m， 算出的m取整数。
∴ m=L/l=41.37/6=6.9, 圆整到7（设计时采用6程）
（3）总管数
总管数Nt=nm=60×7=420（根）
（4）管子在管板上的排列方式及管心距，偏心距
①管的排列方式：每台冷凝器总管数为420根，考虑到分层隔板会占有一定的面积，为使到排列均匀,所以采用排列方式为正三角形法，并且六角形层数为11层,采用两台冷凝器并联方式。具体详图见图纸。
②管心距：采用的管径是φ25×2.5mm，根据指导书的数据以及花板排列的需要,管心距最小管心距一般采用下式计算：焊接法：amin＝1.25do ，并且本设计中管子的连接方法采用焊接法。但考虑到花板布置时管与管间有隔板的插入，所以相应地管心距要选得大些。根据指导书P13表7，选用amin=32mm
③偏转角: 当卧式冷凝器的壳程为蒸汽冷凝，且管子按等边三角形排列时，为了减少液膜在列管上的包角及液膜厚度，管板在装置时，其轴线应与设备的水平轴线偏转一定角度。根据指导书P13表8，偏转角为：α=7°
（5）壳体直径和壳体厚度的计算
①壳体直径
壳体的直径应等于或稍大于管板的直径。所以，从管板的计算可以决定壳体的内径。通常用下式确定：
D=a(b-1)+2e
式中：D-------壳体内径，mm；
a-------管心距， mm；
b------最外层的六角形对角线上的管数，查指导书P12表6本设计为23根
e-------六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离。一般取e=（1—1.5）d0，本设计取e=1×25=25㎜.
则D=a(b-1)+2e=32×（23-1）+2×25=754 mm，将D圆整到部颁标准尺寸，由指导书P13表9可得D = 800 mm
②壳体厚度的计算
当热交换器受内压时，外壳的厚度S可用下式计算：

式中：S --------外壳壁厚,㎝
P------操作时的内压力，N/cm2（表压）
[σ]----材料的许用应力；
φ------焊缝系数，单面焊缝=0.65 双面焊缝=0.85,此处选用单面焊缝的0.65；
C-----腐蚀裕度，其值在（0.1-0.8）cm之间，根据流体的腐蚀性而定, 此处选用0.5cm；
Di----外壳内径，80cm.
算出壳体厚度后。还应该适当考虑安全系数，以及开孔的强度补偿措施，一般都应大于指导书P13表九的最小厚度值。S >12m(标准最小厚度值),符合设计要求。
6. 计算校核
（1）实际流速

（2）雷诺数

di——冷凝管内径，m；
u——水流速度，m/s；
ρ——密度，kg/m3；
——粘度，Pa·s；
用水的定性温度tf＝25.5℃查得式中的值：ρ=996.9 kg/m3，=90.26×10-5 Pa·s
符合要求，流体的流动状态是湍流。
（3）传热系数K值的核算

式中：α0——管外制冷剂冷凝膜系数，w/（m2·K）；
αi——管内冷却水的传热膜系数，w/（m2·K）；
Ao——基管外表面积，m2 ；
Ai——基管内表面积，m2 ；
Am——基管平均面积，m2 ；
δp——管壁厚度，m；
λp——管壁导热系数，w/（m·K），由查表得λp=45.4 w/（m·K）
Ro——制冷剂侧污垢热阻，m2·K/w，本设计的制冷剂是氨，根据指导书的范围（0.35×10-3～0.6×10-3），选0.6×10-3 m2·K/w；
Ri——水侧垢层热阻，m2·K/w，根据指导书P12表5，澄清河水的Ri=0.18×10-3m2·K/w；
① Ao、Ai、Am的计算
A0=πd0lNT=3.14×2.5×10-2×6×420=197.82 m2
Ai=πdilNT=3.14×2.0×10-2×6×420=158.26 m2
因为/=1.25
所以Am===178.04 m2
② αi的计算
其中Cp、μ、λ由水的定性温度tf＝25.5℃查得 : Cp= J/kg·℃ ,
λ=w/(m·k), μ=9.026×10-4 Pa·s
Pγ===6.23
Nu=0.023•Re0.8 Pγ0.4=0.023×0.8×6.230.4= 184.83 W/(m2•K)
αi===5616.98W/(m2•K)
③α0的计算
α0=0.725•()0.25
式中μ、λ、ρ、γ分别为冷凝液的粘度、热导率、密度和汽化潜热; △t、Z、分别为冷凝液的饱和温度和壁面温度之差、管的高度和管子的外径； n=0.6 NT0.5；
此时
twn=+ ==26.6℃
△t=tK－twn=32℃-26.6℃=5.4℃
此时定性温度tf=tK-（△t/2）=32－（5.4/2）=29.3℃
查表得：
μ=1.380×10-4 N·s/ m2，λ=0.47595w/（m·K），ρ=595.955kg/ m3，
γ=1147.595kJ/kg n=0.6 NT0.5=0.6×4200.5≈13

==8.372×
104 W/(m2•K)
④∴=[+6.0×
10－4+×+(1.8×10-4+)×]-1=729.93W/(m2•K)
（4） 传热面积安全系数的验证
m2
实际的面积：
A0=πd0lNT=3.14×2.5×10-2×6×420=197.82 m2
则:安全系数I=×100%=9.46%
符合5～15%的要求。
（5）长径比的验算
L/D
式中：L—每程管长，m；
D—壳体内径，m；
L/D = 7.5 符合指导书上3—8 范围要求，设计合理。
（6）阻力的计算
冷凝器的阻力计算只需计算管程冷却的阻力，壳程为制冷剂蒸汽冷凝过程，可不计其流动阻力，按下式计算：

式中：λ—管道摩擦阻力系数；
Z—冷却水流程数，6；
L—每根管子的有效长度， m；
d—管子内直径, m；
u—冷却水在管内流速， m/s；
g—重力加速度， m/s2；
Σε—局部阻力系数，可近似取为Σε=4Z。
湍流状态下，钢管λ=0.22Re-0.2=0.22-0.2=0.028
7.22 mH2O
7. 热量衡算

i

图2 压焓图

冷凝水进口温度为22℃，出口温度为29℃，冷凝温度为32℃，蒸发温度为-10℃，根据氨的过冷温度一般比进口温度高3～5℃，选用氨的过冷温度27℃。则得出：t1=—10℃，t3=t4=32℃，t4/=27℃。查氨的压焓图得：h1=1450kJ/kg，h
h2=1656 kJ/kg，h3=1480 kJ/kg，h4= h5=355 kJ/kg。
根据过热段的焓差与过冷段的焓差相同可以查得：
H1′=1490kJ/kg，h2′=1670 kJ/kg，h4′= h5′=317 kJ/kg。
单位制冷量q0= h1－ h 5′=1450－321=1129 kJ/kg
循环制冷量G===0.5314kg/s

Q放=G×(h2′－h4)= 0.5314×（1670－357）＝697.73kw
Q吸＝G(h1－h 5′)+G（ h2′－h 1′)＝0.5314×(1450－317＋1670－1490)＝697.73 kw
∴Q放= Q吸 即热量平衡，符合要求。

五、 主体设备结构图
冷凝器的花板布置图及卧式壳管式冷凝器结构图（附图）

六、设计结果概要表

表1 设计结果概要表
项目
结果
项目
结果
冷凝器类型
卧式管壳式
冷凝器换热管规格
Φ25×2.5不锈无缝钢管
蒸发温度
-10℃
冷凝温度
20℃
冷却水进口温度
12℃
冷却水出口温度
16℃
冷凝器的热负荷
776.25kw
雷诺准数
24800.15
传热平均温差
6.48℃
制冷剂
氨
冷却水流速
1.39m/s
冷却水用量
0.0463m3/s
管程数
4
管长
6m
流程管数
106
总管数
420根
管心距
31.25㎜
管的排列方式
正三角形
壳体外壳厚度
15mm
偏转角
6.4°
壳体内直径
800㎜
实际传热面积
199.70㎡
外表面传热系数
746.61w/㎡k
长径比
7.5
安全系数
9.70%
冷却水阻力
5.05mH2O
冷凝器并联个数
2个

七、设计的评价与总结
1．此次设计的难度较大，因为所给条件有限，大部分要自己查阅相关资料，要处理的数据很多，在设计过程中走了不少弯路。对于校核中的各项，实际流速、雷诺数、传热面积、安全系数等要经过次的演算才能得到相对合理的数据。由于参考数据的来源不同，查图表过程中也会出现不可避免的误差，所以导致设计结果会存在一定的误差。

4．在用方面，由于缺乏经验，
6．在整个设计的过程中，遇到了3个较大的困难。
①参考资料不够，并且一些资料比较旧，旧到查表时都无法准确读数，这给运算带来了极大的误差。另外，不同的参考资料的参数也有一些差别，这使我们很难做出正确的选择。
②运算量大，数据关联性很大，过程中如果出现不符合要求的数据就得重新再运算，牵一发而动全身，所以要反复尝试新的设计规格，使安全系数等符合要求。
ƒ花板图和结构图的设计和绘画有较大困难，经验不足，操作生疏。
通过本次课程设计，使我们的独立工作能力、设计能力、动手能力得到了极大的提高。在设计的过程中锻炼了我们的统筹、创新、综合运用知识的能力；在反复演算的过程中既锻炼了我们的计算能力及提高了我们EXCEL操作能力，又锻炼了耐性。最后要感谢老师在整个设计过程中对我们耐心的帮助和指导，使我们能以顺利完成设计。虽然设计出来的冷凝器在一定程度上不成熟，但设计过程中，我已经体验到了课程设计的乐趣，并且对课本的知识掌握得更加清晰、牢固了。
总的来说，无论从设计结果上，还是过程中学到、体会到的设计思路上，本次设计都算是成功。

八、参考文献