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04，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:1720(1班)、2124(2班) 、2528(3班)、1316(4班) 、912(5班)、58(5班)；4.传热面积安全系数515。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（12），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（24）.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（44）。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（51）。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Re104,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0.53 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/s1.5m/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t、蒸发温度t0的确定根据指导书要求2班取进口水温度2124，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714，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410，此设计的出口温度t2选为29。（3）平均温差t：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818，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252.5mm,管内径di=20，管外径d0=25，管壁厚度p=2.5，不锈钢管p=45.4w/(mk)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=13100=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=Q0 kw式中: QL -冷凝器的热负荷 kw Q0 -制冷量 kw；此处为650kw -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=1.17， QL =6501.17kw=760.5kw2. 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 m23. 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/kgK；此处用淡水的， 取4.186 kJ/kgK t1 、t2冷却水进出冷凝器的温度，K或；（t1=22，t2=29） /h4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。-冷却水定性温度下河水的密度，在25.5时，=996.9 kg/m3/h=25.958 /sV=M/=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=607=420（根）（4）管子在管板上的排列方式及管心距，偏心距管的排列方式：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。管心距：采用的管径是252.5mm，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：amin1.25do ，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：=7（5）壳体直径和壳体厚度的计算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=（11.5）d0，本设计取e=125=25.则D=a(b-1)+2e=32（23-1）+225=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）-材料的许用应力；-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； 密度，kg/m3； 粘度，Pas；用水的定性温度tf25.5查得式中的值：=996.9 kg/m3，=90.2610-5 Pas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：0管外制冷剂冷凝膜系数，w/（m2K）；i管内冷却水的传热膜系数，w/（m2K）；Ao基管外表面积，m2 ；Ai基管内表面积，m2 ；Am基管平均面积，m2 ；p管壁厚度，m；p管壁导热系数，w/（mK），由查表得p=45.4 w/（mK）Ro制冷剂侧污垢热阻，m2K/w，本设计的制冷剂是氨，根据指导书的范围（0.3510-30.610-3），选0.610-3 m2K/w； Ri水侧垢层热阻，m2K/w，根据指导书P12表5，澄清河水的Ri=0.1810-3m2K/w； Ao、Ai、Am的计算A0=d0lNT=3.142.510-26420=197.82 m2Ai=dilNT=3.142.010-26420=158.26 m2因为/=1.25所以Am=178.04 m2 i的计算其中Cp、由水的定性温度tf25.5查得 : Cp= J/kg ,=w/(mk), =9.02610-4 PasP=6.23Nu=0.023Re0.8 P0.4=0.0230.86.230.4= 184.83 W/(m2K)i=5616.98W/(m2K)0的计算0=0.725()0.25式中、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=+ =26.6t=tKtwn=32-26.6=5.4此时定性温度tf=tK-（t/2）=32（5.4/2）=29.3查表得：=1.38010-4 Ns/ m2，=0.47595w/（mK），=595.955kg/ m3，=1147.595kJ/kg n=0.6 NT0.5=0.64200.513=8.372104 W/(m2K)=+6.0104+(1.810-4+)-1=729.93W/(m2K)（4） 传热面积安全系数的验证m2实际的面积：A0=d0lNT=3.142.510-26420=197.82 m2则:安全系数I=100%=9.46% 符合515%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38 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：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；局部阻力系数，可近似取为=4Z。湍流状态下，钢管=0.22Re-0.2=0.22-0.2=0.0287.22 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35，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，hh2=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=1450321=1129 kJ/kg循环制冷量G=0.5314kg/sQ放=G(h2h4)= 0.5314（1670357）697.73kwQ吸G(h1h 5)+G（ h2h 1)0.5314(145031716701490)697.73 kwQ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252.5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。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。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。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