食品工程原理课程设计管壳式冷凝器设计模板.docx

食品工程原理课程设计管壳式冷凝器设计

18

资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。

目 录

食品工程原理课程设计任务书………………………………2

流程示意图……………………………………………………3

设计方案的确定及说明………………………………………4

设计方案的计算及说明( 包括校核) ………………………5

设计结果主要参数表 …………………………………… 10

主要符号表 ……………………………………………11

主体设备结构图 ………………………………………11

设计评价及问题讨论 ………………………………… 12

参考文献 ……………………………………………… 12

一 食品工程原理课程设计任务书
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( 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*100( 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℃( 6班) ;
4.传热面积安全系数5%～15%。

四．设计要求: 1.对确定的工艺流程进行简要论述;
2.物料衡算, 热量衡算;
3.确定管式冷凝器的主要结构尺寸;
4.计算阻力;
5.编写设计说明书( 包括: ①封面; ②目录; ③设计题目; ④流程示意图; ⑤流程及方案的说明和论证; ⑥设计计算及说明( 包括校核) ; ⑦主体设备结构图; ⑧设计结果概要表; ⑨对设计的评价及问题讨论; ⑩参考文献。)
6.绘制工艺流程图,管壳式冷凝器的结构图( 3号图纸) 、 及花板布置图( 3号或者4号图纸) 。

二、 流程示意图

流程图说明:

本制冷循环选用卧式管壳式冷凝器, 选用氨作制冷剂, 采用回热循环, 共分为4个阶段, 分别是压缩、 冷凝、 膨胀、 蒸发。
1 2 由蒸发器内所产生的低压低温蒸汽被压缩机吸入压缩机气缸, 经压缩后温度升高;
2 3 高温高压的F—22蒸汽进入冷凝器; F—22蒸汽在冷凝器中受冷却水的冷却, 放出热量后由气体变成液态氨。
4 4’ 液态F—22不断贮存在贮氨器中;
4’ 5 使用时F—22液经膨胀阀作用后其压力、 温度降低, 并进入蒸发器;
5 1 低压的F—22蒸汽在蒸发器中不断的吸收周围的热量而汽化, 然后又被压缩机吸入, 从而形成一个循环。
5’ 1是一个回热循环。

本实验采用卧式壳管式冷凝器, 其具有结构紧凑, 传热效果好等特点。所设计的卧式管壳式冷凝器采用管内多程式结构, 冷却水走管程, F—22蒸汽走壳程。采用多管程排列, 加大传热膜系数, 增大进, 出口水的温差, 减少冷却水的用量。

三、 设计方案的确定及说明。
1·流体流入空间的选择
本设计采用河水为冷却剂, 河水比较脏和硬度较高, 受热后容易结垢。同时, 氨走壳程也便于散热, 从而减少冷却水的用量。因此, 为方便清洗和提高热交换率, 冷却水应走管程, 氨制冷剂应走壳程。

2·流速的选择
查得列管换热器管内水的流速, 管程为0.5～3m/s, 壳程0.2～1.5m/s[2]; 根据本设计制冷剂和冷却剂的性质, 综合考虑冷却效率和操作费用, 本方案选择流速为1.5m/s。

3·冷却剂适宜温度的确定及制冷剂蒸发温度, 冷凝温度, 过热温度和过冷温度。
本设计冷却剂的进口温度t1为25～28℃[2], 可取为26℃。而一般卧式管壳式冷凝器冷却剂的进出口的温度之差为4～, 本方案取为6℃, 因此出口温度t2为32℃。
冷库温度为0～4本设计取0, 蒸发温度一般比库内空气低8～12本设计取
可取7～14本设计取℃。
过冷温度比冷凝温度低3～5℃本设计取℃
过热温度比蒸发温度高3～5℃本设计取℃
4·冷凝器的造型和计算
4．1 水冷式冷凝器的类型
本次设计是以河水为冷却剂, 本人选择氨高效卧式冷凝器为设计对象。此冷却系统的原理是将压缩机排出的高温、 高压氨气等压冷凝成液体, 在冷库中蒸发, 带走待冷物料的热量, 起到冷却物料的效果。
本方案采用F—22为制冷剂, F—22化学式为CHF2CL, 名称为二氟一氯甲烷, 标准沸点为—40.8℃, 凝固温度为—160℃, 不燃烧, 不爆炸, 无色, 无味。冷凝器型式的选择:
本方案采用卧式壳管式冷凝器。卧式管壳式水冷凝器的优点是:
1、 结构紧凑, 体积比立式壳管式的小;
2、 传热系数比立式壳管式的大;
3、 冷却水进、 出口温差大, 耗水量少;
4、 为增加其传热面积, F-22所用的管道采用低肋管;
5、 室内布置, 操作较为方便。
4．2 冷凝器的选型计算
4．2．1冷凝器的热负荷
4．2．2冷凝器的传热面积计算
4．2．3冷凝器冷却水用量+
4．2．4冷凝器的阻力计算

5·管数、 管程数和管子的排列
5．1管数及管程数
5． 2管子在管板上的排列方式
5．3管心距
6·壳体直径及壳体厚度的计算
6．1壳体直径, 厚度计算

四、 设计计算及说明( 包括校核)
( 一) 设计计算

1、 冷凝器的热负荷:
冷凝器的热负荷是制冷剂的过热蒸汽在冷凝过程中所放出的总热量, 可用制冷剂的 压－焓图算出。公式如下:
kw
式中 : ———— 冷凝器的热负荷, kw;
———— 制冷量, 2900kw;
———— 系数, 与蒸发温度t k、 气缸冷却方式及制冷剂种类有关, 由《食品工程原理设计指导书》图3查出。在蒸发温度为-10℃, 冷凝温度为35℃, 查得为1.19。
∴ =1.19×2900=3451 kw

2、 传热平均温差:
5.45℃
3、 冷凝器的传热面积计算:
根据选用卧式管壳式水冷冷凝器及设计指导书表4各种冷凝器的热力性能, 取传热系数为800 w/( ㎡·k)
0
式中: ———— 传热系数, w/㎡ 、 ℃;
( 由《食品工程原理设计指导书》表3中可取750) ———— 冷凝器得传热面积, ㎡; ———— 冷凝器得热负荷, w; ———— 传热平均温差, ℃

又℃

4、 冷凝器冷却水用量: kg/h

式中: ———— 冷凝器的热负荷, kw; ———— 冷却水的定压比热, KJ/kg·k; 淡水可取4.186; ———— 冷却水进出冷凝器得温度, K或℃; ———— 冷却水进出冷凝器得温度, K或℃。

5、 冷凝器冷却水体积流量:

式中: ————取995.7;

6、 管数和管程数和管束的分程、 管子的排列的确定:

1) 确定单程管数n 由《制冷原理及设备》一书查得, 冷凝器内冷却水在管内流速可选取1.5 m/s。设计中选用38×2.5mm不锈无缝钢管作为冷凝器内换热管。 式中: ——— 管内流体的体积流量, ㎡/s; ——— 管子内直径, m; ——— 流体流速, m/s。

圆整为108

取整后的实际流速

2) 管程数: 管束长度

式中: ——— 传热面积, ㎡;
——— 按单程计算的管长, m。

管程数
式中: 为选定的每程管长, m, 考虑到管材的合理利用, 取6m。
圆整为12
因此冷凝器的总管数为
根
3) 管心距а和偏转角 α
查可得管心距а=48mm 偏转角 α=
4) 管子在管板上的排列方式
管子在管板上排列时, 应使管子在整个冷凝器截面上均匀而紧凑地分布, 还要考虑流体性质, 设备结垢以及制造等方面地问题。
管子的排列和挡板、 隔板的安排如花板布置图所示( 如附图) 。

7.壳体直径及壳体厚度的计算

1) 壳体直径的计算
壳体的内径应稍大于或等于管板的直径, 因此, 从管板直径的计算能够决定壳体的内径.
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(或同心圆直径);
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, 这里取1.4。

D= 48×( 39－1) ＋2×1.4×33 =1824＋92.4=1916.4mm 圆整为 mm
2) 壳体厚度(s)的计算
式中: s ——— 外壳壁厚, cm; P——— 操作时的内压力, N/cm2( 表压) , 根据壁温查得为80.8N/cm2
[σ] —— 材料的许用应力, N/cm2;
查得不锈无缝管YB804-70的许用应力是13230 N/cm2
φ——— 焊缝系数, 单面焊缝为0.65, 双面焊缝为0.85; ( 取单面焊缝)
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; 取0.7
D——— 外壳内径, cm。

适当考虑安全系数及开孔的强度补偿措施, 决定取s=17mm
( 二) 设计校核

1.雷诺数计算及流型判断
冷凝器冷却水用量:
实际流速:
雷诺数: > 104
因此流型为湍流。
2.阻力的计算
冷凝器的阻力计算只需计算管层冷却水的阻力, 壳程为制冷剂蒸汽冷凝过程, 可不计算流动阻力。冷却水的阻力可按下式计算:

式中: ——— 管道摩擦阻力系数, 湍流状态下, 钢管λ=0.22Re-0.2;
Z——— 冷却水流程数;
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Σε=4Z。

3.热量衡算
下图为氨在实际制冷循环中的压焓图

本设计确定: 1) 蒸发温度to为: —10℃
2) 冷凝温度tk为: 35℃
3) 冷却水出口温度t2为: 32℃
4) 过冷温度tu为: 32℃
5) 热量Q0＝2900kw

制冷循环简易流程为: 1—1’—2—2’—3—4—5—6。
其中1—1’—2在压缩机中压缩的等熵过程, 2—2’—3在冷凝器冷却的等压过程, 3—4在冷凝器中冷凝的等压等温过程, 4—5为过冷过程, 5—6为在膨胀阀里作等焓膨胀过程, 6—1为在蒸发器中沸腾蒸发的吸热等压等温过程。
制冷剂在低温低压液体状态时吸热达到沸点后蒸发成为低温低压蒸汽, 蒸发成气体的制冷剂在压缩机作用下成为高温高压气体, 此高温高压气体冷凝后成为高压液体, 高压液体经过膨胀阀后变成低压低温液体, 再度吸热蒸发构成了冷冻机的制冷循环。过热温度的确定能够由过冷温度经过热量衡算得出( 蒸汽潜热) 。
根据F-22压焓图查得( kj/kg) :
h1=402 kj/kg, h1’=h1+(h4-h4’)=412 kj/kg, h2=445 kj/kg,
h2’=430 kj/kg, h3=415 kj/kg, h4=245 kj/kg, h5=h4’=235 kj/kg, h6= h1=402kj/kg

单位制冷量: q0=h1－h5=402－235=167 kj/kg
制冷循环量: G＝Q0/q0＝2900×3600/167＝62515kg/h
单位循环量: G=Qo/qo=2900/167=17.37 kg/s
冷却放热量: G×( h2’-h3) =17.37×( 430-415) =260.55
冷凝放热量: G×( h3-h4) =17.37×( 415-245) =2952.9
过冷放热量: G×( h4-h4’) =17.37×(245-235)=173.7
过热吸热量: G×( h1’-h1) =17.37×(412-402)=173.7
压缩功: wt=h2’= h1’=430-412=18
理论的制冷系数: εt=qo/wt=167/18=9.28
由此可见, 本设计热量基本平衡, 符合实际要求。

4.传热面积安全系数

式中: ——— 实际布置所得的传热面积, m2 ;
——— 理论传热面积, m2
管外总传热面积:
＝NTπd0l＝1296×3.14×0.038×6＝927.8
管内总传热面积:
＝NTπdl＝1296×3.14×0.033×6＝805.7
实际总传热面积:
＝( ＋) /2＝( 927.8＋2805.7) /2=866.8
理论总传热面积:
＝
安全系数ε＝( 866.8－) /＝9.5％
一般要求安全系数为3％～15％( 0.03~0.15) , 故本设计合符要求。
5.长径比L/D
式中: L——— 每程管长, m;
D——— 壳体内径, m。
L/D= 6/1.9164= 3.13
符合3~8 范围要求

五、 设计结果主要参数表

序号
项目
结果
序号
项目
结果
1
蒸发温度
-6℃
13
管子排列方式
正六边形
2
冷凝温度
32℃
14
壳体内径
mm
3
冷却水进口温度
26℃
15
壳体壁厚
12mm
4
冷却水出口温度
32℃
16
长径比
3.13
5
冷却水流速
1.49m/s
17
壳体材料
不锈钢管
6
冷却水阻力
5.45m水柱
18
管长
6m
7
冷却水用量

19
内传热面积
805.7m2
8
雷诺数
61106.6
20
安全系数
9.5％
9
冷凝换热管材料
无缝钢管
21
管程
12
10
换热管规格
φ38×2.5 mm
22
总管数
1296
11
单程管数
108
23
管心距
48mm
12
轴线偏转角度
7°
24
冷库冷负荷
2900kw

六、 主要符号表

序号
名称
符号
单位
序号
名称
符号
单位
1
焓
i
kj/kg
15
壳体厚度
s
mm
2
压力
P
Pa
16
单位制冷量
q0
kj/kg
3
温度
t
℃
17
制冷循环量
G
kg/s
4
流速
u
m/s
18
热负荷
QL
kw
5
粘度
μ
Pa·s
19
冷却水用量
M
kg/h
6
密度
p
kg/m3
20
体积流量
V
m3/s
7
阻力
Hf
mH2O
21
传热面积
A
m2
8
比热
Cp
J/kg·k
22
汽化潜热
r
kj/kg
9
管径
d
m
23
污垢热阻
R
m2·k/w
10
管数
n

24
导热系数
λ
w/m·k
11
管程数
m

25
摩擦阻力系数
12
总管数
NT

26
传热系数
ε
w/m2·k
13
管心距
a
mm
27
传热膜系数
α
w/m2·k
14
壳体直径
D
mm

七．主体设备结构图( 见图)

八、 设计评论及讨论
本设计由给定的冷库冷负荷, 进口水温度, 高温库工作温度等已知数据来确定出口温度、 传热面积、 流速、 管径等数据来完成设计, 其中有部分参数和计算公式需要查找相关资料, 如化工手册和实用冷冻手册, 各种资料中查出的参考计算公式和数据有所不同, 导致再整个设计工程中, 设计思路产生分歧, 产生几种设计方案, 经过重复验证和数据计算才确定其中一种, 由于参考数据的来源不同, 可能导致设计结果存在误差。
其次, 计算过程中各个步骤要经过重复的校核, 符合要求才能继续, 如计算管程数时需校核径比。计算结束后要进行校核, 要求雷诺数Re>104, 传热系数ε( 700—800) , 安全系数在5—15％内, 经过校核计算, 都能满足要求, 如果不考虑经济其它因素, 这个设计是成功的。
这次的课程设计很好地检验了本人掌握工程原理知识的程度, 暴露出各种不足之处, 让本人能够及时纠正存在的不足和错误, 加深我对这门课程的了解, 如使我更全面的了解到冷凝器的结构和要求, 进一步了解冷凝器的各种知识等, 学到了很多书本上没有的东西。我深刻体会到只有课内课外相结合, 最后的设计结果才能比较符合实际,
在本方案设计过程中, 由于受到各种条件的限制, 不能更好的解决设计中遇到的问题, 因此造成很多不合理或设计不够理想的地方, 请老师多多包涵, 指出其错漏之处!

九、 参考文献
[1] 李雁,宋贤良.《食品工程原理课程设计指导书》.华南农业大学印刷厂印刷,
[2] 李云飞,葛克山. 《食品工程原理》. 中国轻工业出版社.
[3] 高福成. 《食品工程原理》. 中国轻工业出版社. 1998