食品工程原理課程設(shè)計(jì)管殼式冷凝器

1、 食品工程原理課程設(shè)計(jì) 管殼式冷凝器設(shè)計(jì)班 級：姓 名：學(xué) 號：設(shè)計(jì)時(shí)間目錄（一） 設(shè)計(jì)任務(wù)書··········································&

2、#183;·················································&

3、#183;········3（二） 設(shè)計(jì)方案的確定·······································&

4、#183;·················································&

5、#183;····3（三） 冷凝器的選型計(jì)算···········································

6、···············································4（四） 核算安全系數(shù)·&

7、#183;·················································&

8、#183;··············································6（五） 列管式換熱器零部件的設(shè)計(jì)&#

9、183;·················································&#

10、183;·····················8（六） 設(shè)計(jì)概要表··························

11、3;·················································

12、3;·····················10（七） 主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖··························

13、83;·················································

14、83;··············10（八） 設(shè)計(jì)評價(jià)與討論·································&#

15、183;·················································&#

16、183;······11（九） 參考文獻(xiàn)·········································

17、3;·················································

18、3;············11 （一）食品科學(xué)與工程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：列管式冷卻器設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)：將制冷壓縮機(jī)壓縮后制冷劑(如F-22、氨等)過熱蒸汽冷卻、冷凝為過冷液體，送去冷庫蒸發(fā)器使用。三、設(shè)計(jì)條件：1、冷庫冷負(fù)荷Q0=3000KW；2、高溫庫，工作溫度04，采用回?zé)嵫h(huán)；3、冷凝器用河水為冷卻劑，可取進(jìn)水溫度為1326；4、傳熱面積安全系數(shù)515%。四、設(shè)計(jì)要求：1.對確定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行簡要論述；2.物料衡算、熱量衡算；3.確定列管殼式冷卻器的主要結(jié)構(gòu)尺寸；

19、4.計(jì)算阻力；5. 編寫設(shè)計(jì)說明書（包括：.封面；.目錄；.設(shè)計(jì)題目；.流程示意圖；.流程及方案的說明和論證；設(shè)計(jì)計(jì)算及說明；主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；設(shè)計(jì)結(jié)果概要表；對設(shè)計(jì)的評價(jià)及問題討論；參考文獻(xiàn)。）6.繪制工藝流程圖、管殼式冷凝器的的結(jié)構(gòu)（3號圖紙）、花板布置圖（3號或4號圖紙）。備注：參考文獻(xiàn)格式：期刊格式為：作者姓名.出版年.論文題目.刊物名稱.卷號（期號）：起止頁碼。專著格式為：作者姓名.出版年.專著書名.出版社名.起止頁碼。（二）設(shè)計(jì)方案的確定設(shè)計(jì)方案的確定包括制冷劑的選擇、冷凝器型式的選擇、流體流入冷凝器空間的選擇、冷卻劑的選擇及其進(jìn)出口溫度的確定等。一、 冷凝器造型與冷凝劑的選擇選擇臥

20、式殼管式冷凝器（管束采用光滑鋼管）、R717(氨氣)做冷凝劑，原因有：1. 臥式殼管式結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效果好、冷卻水進(jìn)出口溫差大，耗水量小。2. 氨氣較氟利昂環(huán)保，其臥式殼管冷凝器的傳熱性能也比氟利昂高。以氨作為制冷劑，能制取0以下的低溫；維修簡單、操作方便、易于管理；氨價(jià)格低廉，來源充足；對大氣臭氧層無破壞作用；鋼材及冷卻水消耗量大；熱力系數(shù)較低。二、 流體流入空間選擇由于冷卻劑為河水，根據(jù)不潔凈或易結(jié)垢的物料應(yīng)當(dāng)流經(jīng)易清洗的一側(cè)，飽和蒸汽一般應(yīng)通入殼程，以便排出冷凝液，被冷卻物料一般走殼程，便于散熱和減少冷卻劑用量，所以確定冷卻水走管程，冷凝劑（氨）走殼程。三、 流速選擇根據(jù)后面的各種計(jì)算因

21、素互相制約，最終確定：管內(nèi)冷卻水流速ui=1.412m/s；管外冷凝劑（氨）流速uo=0.35 m/s。1. 流速增大可以提高膜傳熱系數(shù)，總傳熱提高，減少需要的傳熱面積，從而降低機(jī)器成本，盡可能使得Re>104；同時(shí)減少結(jié)垢，從而減少結(jié)垢熱阻，減少清潔量；2. 流速過大，會(huì)增大流體阻力，消耗能量，常用流速范圍0.53m/s。四、 冷卻劑適宜出口溫度的確定任務(wù)書要求進(jìn)水溫度為1326，選擇進(jìn)口溫度t1=15°C。臥式冷凝器的端部最大溫差（tk-t1）可取714°C，冷卻水進(jìn)口溫差為410°C。提高冷凝器的傳熱平均溫差，可以冷凝器的傳熱面積，從而減少傳熱面積、降

22、低成本。前提是出口水溫度t2不能高于冷凝劑的冷凝溫度tk，跨程溫差小于28°C。所以確定出口水溫度t2=21°C，冷凝劑（氨）的冷凝溫度tk=25°C。五、 冷凝劑的蒸發(fā)溫度和過冷溫度確定冷凝器的熱負(fù)荷，減少系數(shù)可以有效降低熱負(fù)荷。其中熱負(fù)荷系數(shù)受冷凝溫度和蒸發(fā)溫度影響，由“食品科學(xué)與工程原理”課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書的圖3（b），蒸發(fā)溫度to提高，可以降低熱負(fù)荷系數(shù)。由于冷凝劑的蒸發(fā)溫度要比工作溫度低810°C，已知工作溫度為04°C，即to取值-8-4°C。綜上所述，確定蒸發(fā)溫度to=-5°C。 由指導(dǎo)書p6，冷凝器內(nèi)過冷一般不小

23、于1°C，取過冷溫度tg=20.六、 管體材料及管型的選擇選取規(guī)格為25×2.5的換熱器用普通無縫鋼管，則d0=25mm，di=20mm，p=2.5mm（三）冷凝器的造型計(jì)算冷凝器的任務(wù)是將壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣態(tài)制冷劑冷卻使之液化。一. 冷凝器的熱負(fù)荷 Kw式中：QL冷凝器的熱負(fù)荷；Q0制冷量； Qo=3000kw。系數(shù)，與蒸發(fā)溫度t0、冷凝溫度tK、氣缸冷卻方式以及制冷劑種類有關(guān)?？捎芍笇?dǎo)書圖3（b）查出。蒸發(fā)溫度to=-5°C，冷凝劑（氨）的冷凝溫度tk=25°C，得系數(shù)=1.13。QL總=1.13×3000kw= 3390kw。由于熱負(fù)

24、荷很大，冷凝器的操作負(fù)荷也高，因此采用多管程設(shè)計(jì)冷凝器， 7臺冷凝劑并聯(lián)，以降低機(jī)器成本。并聯(lián)數(shù)N=7，則各臺冷凝器的熱負(fù)荷QL= QL總/N= 484285.7143w。二. 預(yù)算冷凝器的傳熱面積在水冷式冷凝器中，臥式管殼冷凝器的制冷劑在管外冷凝，冷卻水在管內(nèi)流動(dòng)。式中：F冷凝器的傳熱面積，m2； K傳熱系數(shù)，w/（m2·K）； t傳熱平均溫度差，； q單位面積熱負(fù)荷，w/ m2。根據(jù)指導(dǎo)書的表4，臥式管殼式（氨）冷凝器的傳熱系數(shù)K800 w/（m2·K）。 =6.54814三. 冷凝器冷卻水用量計(jì)算水冷式冷凝器的冷卻水用量可以用下式求得： kg/h 式中：QL冷凝器的熱

25、負(fù)荷，Kw； CP冷卻水的定壓比熱，kJ/（kg·K），淡水取4.186； t1、t2冷卻水進(jìn)、出冷凝器的溫度，K或。則且體積流量=19.28kg/s。冷卻水體積V=m3/s（998 kg/m3）四. 管數(shù)、管程數(shù)1.管數(shù) 由下式求得單程管子總數(shù)n 式中：V管內(nèi)流體的體積流量， m3/s;d管子內(nèi)直徑，m；u流體流速，m/s；查“熱交換器用普通無縫鋼管”表1，選取規(guī)格為25×2.5的熱交換用普通無縫鋼管，其內(nèi)徑d20mm。而流體的流速u1.412 m/s。則,取整n=44.2.管程數(shù) 按單程冷凝器計(jì)算，管速長度為L，則式中：F傳熱面積，m2；A取預(yù)算傳熱面積；其他符號同前，

26、m，則管程數(shù)為m 式中：L按單程計(jì)算的管長，m； l選定的每程管長，m；按管材一般出廠規(guī)格為6m，則l可取1、1.5、2、3、6m等，取l6m。m=33.46/6=5.58，取整m=6.采用6管程后，冷凝器的總管數(shù)NT為： NT=n·m=264根（四）核算安全系數(shù)一.光管水冷凝器的傳熱系數(shù)1.管外制冷劑冷凝膜系數(shù)o式中：r飽和氨蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg； o氨氣飽和液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)；o氨氣飽和液的粘度，pa·s；Z管束在垂直面上的列數(shù)；T蒸汽的飽和溫度和壁面溫差,°C；其中，查相關(guān)資料3，r=283.6kcal/kg=1186582.4 k

27、J/kg，o= 0.425 kcal/m·h·°C= 0.49394 W/(m·k)，o= 0.0000155kg·s/m2= 0.0001519 pa·s，正三角形錯(cuò)排時(shí)，Z=0.6NT0.5=9.748，取整Z=10，T=Tk-T壁，壁溫T壁總是接近對流傳熱系數(shù)較大的一側(cè)流體的溫度,取比水流平均溫度高1°C，水流平均溫度=（t1+t2）/2，則T= Tk-（t1+t2）/2-1=6 °C, w/m2·k。2.管內(nèi)冷卻水的傳熱膜系數(shù)應(yīng)用范圍：Re>10000, 0.7<Pr<120,

28、l/di60；水被加熱n=0.4，定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值° C；本方案定性溫度為17.5,根據(jù)相關(guān)資料1，水的物性參數(shù)：998.2kg/m3,=100.42×10-5Pa·s, Cp= 4.183×103J/(kg·K), = 0.5985W/(m·k)。Re= 28065.64 w/m2·k。3. 以管外表面積為基準(zhǔn)的Ko；式中：Aq 基管外表面積，； Aq=do·l·NT=124.3m2；Ai基管內(nèi)表面積，; Ai=di·l·NT=99.48 m2；Am基管平均面積，

29、； Am=（Aq + Ai）/2=11.9 m2；p管壁厚度，m; p=0.0025m；p管壁導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)， p=56w（/m·k）；Ro制冷劑側(cè)污垢熱阻，k/w；根據(jù)指導(dǎo)書表5，Ro0.35×1030.6×103，本方案取Ro0.5×103。Ri水側(cè)垢層熱阻k/w；根據(jù)指導(dǎo)書表5，澄清的河水水流速為1.412m/s>1m/s，則取Ri=0.18×103·k/w 。=830.44w/m2·*k二.安全系數(shù)1. 理論傳熱面積A理=QL/(Ko·t)=89.06 m2， 2. 實(shí)際傳熱面積A

30、實(shí)際= NT××l×di=99.526 m2，3. 安全系數(shù)X=11.75%，符合安全系數(shù)要求（5%15%）。（五）列管式換熱器零部件的設(shè)計(jì)一.冷凝器阻力的計(jì)算冷凝器的阻力計(jì)算只需計(jì)算管程冷卻水的阻力，殼程為制冷劑蒸汽冷凝過程，可不計(jì)算流動(dòng)阻力。式中：管道的磨擦阻力系數(shù)：在湍流狀態(tài)下，鋼管=0.22Re0.2；本設(shè)計(jì)所用為鋼管則: =0.22Re0.2=0.22×28065.6-0.2=0.02837；Z冷卻水流程數(shù)； Z=管程m=6；L每根管子的有效長度，m； L=6m；d管子內(nèi)直徑，m； di=0.02m；u冷卻水在管內(nèi)的流速，m/s； ui=1.4

31、12 m/s；g重力加速度，m/s2局部阻力系數(shù)，可近似取為：=4Z =4×6=24。=6.12mH2O。二.殼體內(nèi)徑、厚度的計(jì)算1. 管心距、偏轉(zhuǎn)角查指導(dǎo)書的表8，管子外徑do=25mm，其管心距a=32mm，偏轉(zhuǎn)角=7°。2. 殼體內(nèi)徑殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于管板的直徑。所以，從管板直徑的計(jì)算可以決定殼體的內(nèi)徑。通常按下式確定殼體的內(nèi)徑：D=a（b1）2e式中：D殼體的內(nèi)徑，mm； a管心距，mm；查指導(dǎo)書的表8，do=0.025m對應(yīng)a=32; b最外層的六角形對角線上的管數(shù)；查表6，總管數(shù)為264，對應(yīng)最外層六角形對角線上的管數(shù)為b=17。 e六角形最外層管子中心到

32、殼體內(nèi)壁的距離。一般取e（11.5）do本設(shè)計(jì)方案取e1do25 mm，故D=a（b1）2e32×（171）2×25562 mm由于殼徑的計(jì)算值應(yīng)圓整到最靠近的部頒標(biāo)準(zhǔn)尺寸，根據(jù)指導(dǎo)書表9，取D600mm。故六角形最外層管子中心到殼體內(nèi)壁的距離e44mm3、殼體厚度當(dāng)換熱器受內(nèi)壓時(shí)，外殼的厚度s可以用下式計(jì)算：式中： s外殼壁厚， cm；P操作時(shí)之內(nèi)壓力，N/c（表壓）；查壓焓圖，冷凝溫度tk時(shí)，氨氣的分壓為5.54bar=57.97N /m2,材料的許用應(yīng)力，N/c；根據(jù)相關(guān)資料，鋼管的=18400N/c；焊縫系數(shù)，單面焊縫=0.65 , 雙面焊縫=0.85；本設(shè)計(jì)采用雙面焊縫，=0.85。c腐蝕裕度，其值在（0.10.8）cm之間，根據(jù)流體的腐蝕性而定；本設(shè)計(jì)取腐蝕裕度c=0.8cm。Di外殼內(nèi)徑，cm 。查相關(guān)資料，標(biāo)準(zhǔn)殼體內(nèi)徑為600mm對應(yīng)最小壁厚為10mm，而=0.6114cm。三.熱量衡算1. 回?zé)嵫h(huán)：1122334lgPhh1h2h3=h4圖1 壓焓圖設(shè)計(jì)過冷溫度tg=20°C