食工課程設計參考文件

1、目 錄1 設計任務書22 流程示意圖及方案說明23 設計方案的確定44 冷凝器的選型設計計算75設計核算116 熱量衡算 147 設計結果概要表 158 總結 169 參考文獻 161 課程設計任務書1.1 設計題目：管殼式冷凝器設計1.2 設計任務：將制冷壓縮機壓縮后的制冷劑（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。1.3 設計條件：1.冷庫冷負荷； 2.高溫庫，工作溫度04，采用回熱循環(huán)； 3.冷凝器用河水為冷卻劑，每班分別可取進口水溫度： 1720（1班）、2124（2班）、2528（3班）、 1316（4班）、912（5班）、58（6班） 4.傳熱面積安全系

2、數(shù)515。1.4 設計要求：1.對確定的工藝流程進行簡要論述； 2.物料衡算、熱量衡算； 3.確定管殼式冷凝器的主要尺寸； 4.計算阻力； 5.編寫設計說明書（包括：封面；目錄；設計題目（任務書）；流程示意圖；流程及方案的說明及論證；設計計算及說明（包括校核）；主體設備設計圖；設計結果概要表；對設計的評價及問題討論；參考文獻。） 6.繪制工藝流程圖、管殼式冷凝器結構圖（3號圖紙）及花板布置圖（3號或4號圖紙）。2 流程示意圖圖1 制冷設備流程圖制冷機是利用液體氣化時吸熱的原理來工作的，制冷劑在蒸發(fā)器中不斷吸收欲降溫物體的熱量而氣化，產(chǎn)生的低壓蒸氣由壓縮機壓縮后，在冷凝器中冷凝成為液體，并將冷凝

3、熱傳給冷卻水，冷凝后的制冷劑降壓后送回蒸發(fā)器。全套裝置包括：壓縮機、冷凝器、回熱器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器。氨蒸汽在壓縮機內(nèi)壓縮成過熱蒸汽，該過程為絕熱可逆等熵過程（1-2）；進入冷凝器后，被冷凝成液體狀態(tài)，把熱量傳給冷卻水，該過程為等壓過程（24）；高壓液體通過節(jié)流膨脹閥時，氨降壓吸熱沸騰蒸發(fā)，溫度下降，為等焓過程（44）；液體氨進入蒸發(fā)器，吸熱發(fā)生冷效應，使周圍空氣溫度下降，為等壓等溫過程（5'-1）。回熱器能防止低壓蒸汽夾帶液滴進入壓縮機中避免液擊，提高低壓蒸汽的溫度，提高制冷系數(shù)，減輕壓縮機的吸入蒸汽與汽缸間的熱交換，便于提高壓縮機的輸氣系數(shù)。在冷凝器設計過程中，將蒸發(fā)器產(chǎn)生的低溫低壓

4、蒸汽與節(jié)流前的液體工質進行熱交換，即可以減輕或消除吸氣管道中的有害過熱，又能使液態(tài)制冷劑過冷，稱為回熱循環(huán)。但制冷系數(shù)是否提高，還要視具體環(huán)境和制冷劑種類而定。圖2 冷卻流程示意圖 參考資料中的管殼式換熱設備的自控流程為以上流程圖 冷卻水的出口溫度需要調(diào)節(jié)，因此安裝旁路切斷閥。 熱流溫差大于冷流溫差時，熱流體流量的變化將會引起冷流體出口溫度的顯著變化，調(diào)節(jié)熱流體效果較好。3.設計方案的確定設計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、冷卻劑的選擇及進出口溫度的確定等。31制冷劑的選擇在制冷裝置中實現(xiàn)制冷循環(huán)工作的物質稱為制冷劑或簡稱為制冷工質。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收

5、被冷卻物質（水、鹽水、食品）的熱量而制冷，在冷凝器中經(jīng)過水或空氣的冷卻放出熱量而被冷凝。所以說制冷劑是實現(xiàn)制冷循環(huán)不可缺少的物質，對制冷劑的要求主要有（吳志全，2002）：(一) 熱力學方面的要求1） 在大氣壓力下制冷劑的蒸發(fā)溫度要低，便于在低溫下蒸發(fā)吸熱。2） 常溫下制冷劑的冷凝壓力不宜過高，這樣可以減少制冷裝置承受的壓力，也可以減少制冷劑向外滲漏的可能性。3） 單位容積制冷量要大，這樣可以縮小壓縮機尺寸。4） 制冷劑臨界溫度要高，便于用一般冷卻水或空氣進行冷凝；同時凝固溫度要低，便于獲得較低的蒸發(fā)溫度。5） 絕熱指數(shù)應該低一些。絕熱指數(shù)越小，壓縮機排氣溫度越低，不但有利于提高壓縮機的容積效

6、率，而且對壓縮機的潤滑也是有好處的。（二）物理化學方面要求1）制冷劑在潤滑油中的可溶性。2）制冷劑的粘度和密度盡可能小，這樣可以減少制冷劑在管道中的流動阻力，可以降低壓縮機的耗功率和縮小管道直徑。3）熱導率和放熱系數(shù)要高，這樣便于提高蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱效率，減少其傳熱面積。4)對金屬和其他材料不產(chǎn)生腐蝕作用。5）具有化學穩(wěn)定性。制冷劑在高溫下不分解、不燃燒、不爆炸。6）具有一定的吸水性。當制冷系統(tǒng)中滲入極少量的水分時，雖會導致溫度蒸發(fā)溫度升高，但不至于在低溫條件下形成“冰塞”而影響制冷系統(tǒng)的正常運行。（三）其他方面的要求1）制冷劑對人的生命和健康不應有危害，不應有毒性和窒息性以及刺激作用。2

7、）制冷劑應價格便宜，便于獲得。本設計采用的制冷劑是氨(R717)，其作為制冷劑的優(yōu)點有以下幾點(郭慶堂)： (1) 氨的單位容積氣化潛熱較大，具有適合做制冷劑的良好熱力性質 (2) 氨能溶解于水中，因此在制冷系統(tǒng)中不會有冰塞的現(xiàn)象 (3) 氨蒸汽無色，有刺激性氣味，因而氨的泄漏易于發(fā)覺 (4) 氨的比重小，流動阻力小，與氟利昂制冷系統(tǒng)比較，其流通截面積可以大為縮小，價格便宜。當系統(tǒng)中含有水分時氨將會對銅及銅合金造成腐蝕，但氨對鋼鐵不腐蝕。 (5) 氨的ODP值為0，GWP小于1。氨如果泄漏可被雨水吸收，而后返回土壤，成為農(nóng)業(yè)肥料。3.2 冷卻劑的選擇本設計選用河水為冷卻劑，其來源廣、經(jīng)濟、方便

8、3.3冷凝器型式的選擇冷凝器的任務是將壓縮機排出的高溫高壓氣態(tài)制冷劑冷卻使之液化。在1500kw冷量以下，可采用空冷或者水冷；冷量大于1500kw，則采用水冷。（文獻離心式冷水機組的制冷劑選擇），本設計制冷量為1700kw，故應使用水冷方式。水冷式冷凝器結構型式主要有立式管殼冷凝器、臥式管殼冷凝器及套管式冷凝器。其中的臥式管殼式冷凝器中，為了提高水側的傳熱膜系數(shù)，多采用管內(nèi)多程式結構。即將管束分成幾個流通部分，使冷卻水串聯(lián)流過所有管子，從而可提高管內(nèi)冷卻水的流速，增大其傳熱膜系數(shù)，加大進、出水的溫差（一般為4-6），減少冷卻水的消耗量。由于臥式管殼式冷凝器具有上述優(yōu)點，且比較符合本設計要求。雖

9、然在清洗上不如立式管殼式方便，但是綜合考慮，本設計選擇臥式管殼式冷凝器是較為適合的，而且由于其傳熱系數(shù)大，操作、管理、維護方便，目前氟利昂制冷系統(tǒng)多采用這種冷凝器。3.4流體流入冷凝器空間的選擇在管殼式（有稱列管式）冷凝器中，流體流入空間的選擇是關系到該冷凝器的使用是否合理的問題。其確定可以從以下幾個方面考慮(李雁、李璐等)： 不潔凈或易結垢的物料應當流經(jīng)易清洗的一側。固定管板式的直管束管內(nèi)較易清洗，故一般應通入管內(nèi)。如冷卻水采用河水，比較臟或硬度比較高，受熱后容易結垢，流管內(nèi)便于清洗。此外，管內(nèi)流體易維持高速，可避免懸浮粒子沉積。要保證管內(nèi)和管外有適當?shù)牧魉?，以保證有較高的傳熱系數(shù)。因此要提

10、高流速以增大其傳熱膜系數(shù)的流體應通入管內(nèi)。故管程易采用多管程以增大流速。有腐蝕性的液體應該流管內(nèi)。壓力高的流體應該流管內(nèi)。飽和蒸汽一般應通入殼程，以便于派出冷凝液，而且蒸汽較清潔。被冷卻物料一般走殼程，便于散熱，可減少冷卻劑用量。綜上所述，本設計中設計的冷凝器的管程采用多管程，冷卻水走管程，制冷劑走殼程。3.5進出口溫度的確定冷卻水進水溫度為1316，本設計取t1=15，若選用較低的出口溫度，則用水量大，操作費用高，但傳熱平均溫差較大，所需傳熱面積較小，設備費也較低。根據(jù)冷卻水出口溫差為410【4】，即冷卻水出口溫度t2=t1+(410),本設計取t2=21.由此可得到冷卻介質水的定性溫度為T

11、水=（15+21）/2=18，查得物理性質如下：=998.2kg/m3,=1.0042*10-3Pa·s3.6 制冷劑蒸發(fā)溫度T0、冷凝溫度Tk的確定 本設計蒸發(fā)器中以空氣作載冷劑，蒸發(fā)溫度t0應比庫內(nèi)空氣溫度低812，而高溫庫的工作溫度為04，故本設計取t0=-10; 冷凝溫度取決于冷凝介質的溫度，也與冷凝器的型式有關，對于臥式冷凝器，當用水冷卻時，冷凝溫度tk=t2+(45),本設計取tk=25。 過熱溫度tp比蒸發(fā)溫度t0高34，本設計取tp=-6;因此氨的定性溫度為T氨=Tk-( Tk-T水/2)/2=17。3.7 平均溫差 3.8流速的選擇增加流速能夠使傳熱膜系數(shù)增大，降低

12、污垢在管子表面沉積的可能性，從而降低污垢熱阻，使k值提高，所需傳熱面積減少，相應的設備投資費用也隨之減少。但流速增大又使流動阻力相應增加，動力消耗即操作費增加。因此選擇適宜的流速十分重要，最好通過經(jīng)濟核算進行選擇。一般都盡可能使流動的Re>104 (同時注意其他方面的合理性)。根據(jù)流體常用流速范圍表,查得換熱器管內(nèi)水流速范圍為0.53m/s，本設計方案選取流速為u1.5m/s。3.9 水冷式冷凝器的選型綜上，根據(jù)“各種冷凝器的熱力性能表”，本方案采用氨臥式管殼式水冷式冷凝器，其結構緊湊，體積比立式殼管式的??；傳熱系數(shù)大, 傳熱效果好；冷卻水進出口溫差大，耗水量少；操作管理方便，因而目前大

13、、中型氨制冷系統(tǒng)多采用這種冷凝器，但臥式管殼式冷凝器清理水垢和鐵銹比較困難，對冷卻水水質要求較高，而本設計中在冷卻水進入冷凝器前需經(jīng)過過濾器，可提高水質，減少水垢生成。冷凝管則選用38mm×2.5mm的光滑無縫鋼管。為提高冷凝器的傳熱膜系數(shù)，冷凝器的結構采用多程式結構，冷卻水選用河水，選擇冷卻水走管程，R717走殼程。 4 冷凝器選型的設計計算及說明4.1 冷凝器的熱負荷冷凝器的熱負荷是制冷劑的過熱蒸汽在冷凝過程（包括冷卻、冷凝及過冷）所放出的總熱量。對于開啟式制冷壓縮機，在忽略熱損失的情況下，它等于制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量(制冷量Q0)與氣態(tài)低壓制冷劑在制冷機中被壓縮成高壓氣體時

14、所獲得得機械功之和,并可用下式簡化計算:QL=Q0 kw式中: QL-冷凝器的熱負荷,kwQ0-制冷量,；設計任務要求Q0=8×100=800kw。 -系數(shù),與蒸發(fā)溫度t0,冷凝溫度tk,汽缸冷卻方式及制冷劑的種類有關.由管殼式冷凝器設計指導書圖3 壓縮機氣缸風冷 查得=1.4.考慮到單臺冷凝器熱負荷過大，本設計方案采取2臺相同的冷凝器并聯(lián)工作，以下以單臺冷凝器的設計進行參數(shù)設定。熱負荷QL=Q0 =1.4×800=1120kw。4.2冷凝器的傳熱面積在水冷式冷凝器中，立式和臥式管殼冷凝器的制冷在管外冷凝，冷卻水在管內(nèi)流動。其傳熱面積可用下式計算： m2式中：F-冷凝器的傳

15、熱面積，；L-冷凝器的熱負荷，kw；計算得QL=1.4×800=1120kw。-傳熱系數(shù),取K=730W/（·）【3】；t-傳熱平均溫差，；計算得t=6.55.q-單位面積熱負荷，W/.=234.4.3冷凝器冷卻水用量 水冷式冷凝器的冷卻水用量可由下式求得： kg/h式中：L-冷凝器的熱負荷，kw； Cp冷卻水的定壓比熱，kJ/(kg.K);淡水可取4.186，海水取4.312；本設計采用河水為冷卻水，取4.186（李云飛，葛克山等，2009）； t1 、t2 冷卻水進、出冷凝器的溫度，K或。所以，冷卻水質量用量M=冷卻水體積用量4.4 管數(shù)的計算選取規(guī)格為38×

16、2.5mm的光滑無縫鋼管，則d0=38mm=0.038m，di=33mm=0.033m4.4.1 單程管數(shù)， 取整數(shù)得n=35根。式中：V管內(nèi)流體（即冷卻水）的體積流量，m3/sd管子內(nèi)徑，mu流體流速，取1m/s4.4.2管程數(shù) 管程數(shù)指介質在換熱管內(nèi)沿換熱管長度方向往返的次數(shù)。按單程冷凝器計算，管束長度為L，則 式中：A: 傳熱面積,； n: 單程管子總數(shù)； d：管子內(nèi)直徑，m；故m冷凝器的長徑比有一定的要求，一般L/D=3-8。若按單程設計L太長，超過上述長徑比范圍時，一般可采用多程管解決。管程數(shù)為m，一般計算為： 式中：L:按單程計算的管長，m；l：選定的每程管長，m,考慮到管材的合理

17、利用，按管材一般出廠規(guī)格為6m長，則l可取為1、1.5、2、3和6m等，本設計取6m。 算出的m必須取整數(shù), 所以: =故m取12.4.4.3 冷凝管總管數(shù)NTNT=n×m=35×12=420（根）4.5 管子在管板上的排列方式，管心距根據(jù)經(jīng)驗，跨程溫度最大值不得超過28。分程可采用各種組合形式，但每一程中的管數(shù)應大致相等，隔板形式應簡單，密封長度應短。在工藝安裝采用換熱器疊加時，為接管方便，選用平行分法較為合適，同時平行分發(fā)也可使管箱內(nèi)殘液放盡。所以本設計采用四管程平行分法。4.5.1 管子在管板上排列方式管子在管板上的排列方式有三種：同心圓法、正三角形法和正方形法。當殼

18、程流體是不污濁性介質時，采用正三角形。當管子總數(shù)NT超過127根（相當于層數(shù)>6）時，按正三角形排列的最外層管子與殼壁之間形成的弓形部分也應配置上附加管子，這樣不僅可以增加排管數(shù)，增大傳熱面積，而且可以消除了管外這部分空間，是管外流體分布更均勻。根據(jù)課程設計指導書表6所示，本設計采用正三角形排列法，六角形的層數(shù)設為11，對角線上的管數(shù)為23，冷凝器內(nèi)管子總根數(shù)最高可達439根大于本設計需要420根，所以可行。4.5.2管心距管心距的大小要考慮管板強度和清洗管子的外表面時所需空隙，它與管子在管板上固定的方法有關。本設計采用正三角形法排管，焊接法連接。若相鄰兩根管子的焊接太近，就會因相互受到

19、熱的影響，使焊接質量不易保證。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，焊接法最小管心距一般采用amin=1.25do=1.25×3847.5mm，根據(jù)“管孔直徑及中距偏差表”(李雁，李璐等，2012)，取a=48 mm。4.5.3 偏心距由管殼式冷凝器設計指導書表8查得，do=38mm時，偏轉角為7度4.6 殼體直徑D D = a（b1）+2e式中：a管心距，a=48mmb最外層的六角形對角線上的管數(shù)，查得b=23e六角形最外層管子中心到殼體內(nèi)壁的距離，一般取e =(11.5)d0，此處取e=1.4×d0=1×38=38mm D = 48×（231）+2×1.4&#

20、215;38=1162.4(mm), 將計算值調(diào)整至最靠近的標準尺寸即1200mm，最小壁厚為14mm。4.7 殼體厚度ss= 式中: P-操作時的內(nèi)壓力，查得（高福成，1998）：P=110N/cm2材料的許用應力，從百度文庫上搜索得20R鋼管，小于等于25時，=13230 N/cm2焊縫系數(shù)，本設計選用單面焊縫=0.65C腐蝕程度（0.10.8cm），取0.8cmD外殼內(nèi)徑cm，D=120cm算出殼體厚度后，還應該適當考慮安全系數(shù)以及開孔的強度補償措施。一般都應大于最小厚度值，故取s=16mm。5 設計核算5.1 實際流速 u實m/s與設定值1.5m/s相等，設計可行。5.2流體雷諾數(shù)及流

21、體類型雷諾數(shù)Re=式中：di管的內(nèi)直徑，di=0.033m；u流體實際流速,u=1.50 m/s； 粘度，在定性溫度18時，=1.004×10-3；流體的密度，。Re>104 即管內(nèi)冷卻水流動狀態(tài)為湍流，符合要求。5.3 傳熱系數(shù)K 以管外表面積為基準 以管內(nèi)表面積為基準式中：0-管外制冷劑冷凝膜系數(shù)，8200w/(m2·K)【6】i-管內(nèi)制冷卻水的傳熱膜系數(shù)，5350w/(m2·K) 【6】Aq基管外表面積，m2; Aq=2××d0/2×l×NT=2××0.038/2×6×38

22、5=275.6m2Ai基管內(nèi)表面積，m2; Ai=2××di/2×l×N T =2××0.033/2×6×385=239.4 mTAm基管平均面積，m2; Am=dlN T=( di- d0)/Ln(di/ d0)×6×385×=441.0 m2p管壁厚度，mp管壁導熱系數(shù)，43.2w/(m·K)Ro制冷劑側污垢熱阻，0.6×103m2·K/w【3】;Ri水側垢層熱阻0.35×103m2·K/w【3】;5.3.1以管外表面積為基準的傳熱

23、系數(shù)K=708.22w/(m2.k)5.3.2以管內(nèi)表面積為基準的傳熱系數(shù)Ki =815.00 w/(m2.k)臥式冷凝器（氨）的傳熱系數(shù)范圍在700900，本設計方案的傳熱系數(shù)符合要求。5.4 安全系數(shù)核算式中： 實際布置所得的傳熱面積，m2 ； 理論傳熱面積，m2 管外總傳熱面積：NTd0l385×3.14×0.038×6275.62管內(nèi)總傳熱面積：NTdl385×3.14×0.033×6239.36實際總傳熱面積：（）/2（275.62239.36）/2=257.49理論總傳熱面積：安全系數(shù)（257.49234）/23410.0

24、4%一般要求安全系數(shù)為315（0.030.15），故本設計合符要求5.5 阻力計算冷凝器的阻力計算只需計算管程冷卻水的阻力，當冷凝器的機構尺寸由設計確定后，可按下式計算冷卻水的阻力：式中：管道摩擦阻力系數(shù)，湍流狀態(tài)下，鋼管=0.22Re-0.2Z冷卻水流程數(shù)，根據(jù)前面的計算可以知道流程數(shù)為11L每根管子的有效長度，本設計取6md管子內(nèi)直徑, 0.033mu冷卻水在管內(nèi)流速，本設計取1.5m/sg重力加速度，m/s2局部阻力系數(shù)，可近似取為=4Z=4×11=445.6 長徑比L/D L/D = 6/1.162=5.16（符合長徑比38的范圍）6 熱量衡算LgP 41 4 3 2 21

25、51 5 1 11壓焓圖過熱溫度比蒸發(fā)溫度高35，過冷溫度比冷凝溫度低35.蒸發(fā)溫度t0= -10，過熱溫度t=-6，冷凝溫度tk=25，過冷溫度tu=22.由壓焓圖查得2h1=1450kJ/kg,h1=1460kJ/kg,h2=1615kJ/kg,h2=1630kJ/kg,h3=1480kJ/kg,h4=h5=325kJ/kg,h4=h5=305kJ/kg.（1）回熱循環(huán)1-11-21-2-3-4-41-51-5-1單位制冷量=1460-305=1155kJ/kg壓縮功：W= h2- h1=1630-1460=180kJ/kg制冷系數(shù)=q0/W=1155/180=7.90單位循環(huán)量：G=Q0/q0=800/1155=0.69kJ/kg制冷劑的放熱量：Qk=G(h2-h4)=0.69×(1630-305)=914.25kJ/s冷凝器的熱負荷：QL=Q0+G×W=800+0.69×180=924.20kJ/s由計算結果可以看出, 放熱量吸熱量，熱量平衡。本設計的冷凝器熱量基本平衡，符合實際要求。7 設計結果概要表項 目制冷劑R-717（殼程）蒸發(fā)溫度T0100C冷凝溫度Tk250C過熱溫度Tp-6過冷