食品工程原理課程設計_管殼式冷凝器設計2

1、目 錄食品工程原理課程設計任務書2流程示意圖3設計方案的確定及說明4 設計方案的計算及說明（包括校核）5 設計結果主要參數(shù)表 10 主要符號表 11 主體設備結構圖 11 設計評價及問題討論 12 參考文獻 12 一 食品工程原理課程設計任務書一 設計題目：管殼式冷凝器設計二設計任務：將制冷壓縮機壓縮后的制冷劑（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。三設計條件: 1.冷庫冷負荷Q0=學生學號最后2位數(shù)*100（kw）；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）、1

2、316（4班）、912（5班）、58（6班）；4.傳熱面積安全系數(shù)5%15%。四設計要求：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.確定管式冷凝器的主要結構尺寸；4.計算阻力；5.編寫設計說明書（包括：封面；目錄；設計題目；流程示意圖；流程及方案的說明和論證；設計計算及說明（包括校核）；主體設備結構圖；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,管殼式冷凝器的結構圖（3號圖紙）、及花板布置圖（3號或者4號圖紙）。 二、流程示意圖流程圖說明：本制冷循環(huán)選用臥式管殼式冷凝器，選用氨作制冷劑，采用回熱循環(huán)，共分為4個階段，分別是壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)。

3、1 2 由蒸發(fā)器內所產(chǎn)生的低壓低溫蒸汽被壓縮機吸入壓縮機氣缸，經(jīng)壓縮后溫度升高；2 3 高溫高壓的F22蒸汽進入冷凝器；F22蒸汽在冷凝器中受冷卻水的冷卻，放出熱量后由氣體變成液態(tài)氨。4 4 液態(tài)F22不斷貯存在貯氨器中；4 5 使用時F22液經(jīng)膨脹閥作用后其壓力、溫度降低，并進入蒸發(fā)器；5 1 低壓的F22蒸汽在蒸發(fā)器中不斷的吸收周圍的熱量而汽化，然后又被壓縮機吸入，從而形成一個循環(huán)。51是一個回熱循環(huán)。本實驗采用臥式殼管式冷凝器，其具有結構緊湊，傳熱效果好等特點。所設計的臥式管殼式冷凝器采用管內多程式結構，冷卻水走管程，F(xiàn)22蒸汽走殼程。采用多管程排列，加大傳熱膜系數(shù)，增大進，出口水的溫差

4、，減少冷卻水的用量。三、設計方案的確定及說明。1·流體流入空間的選擇本設計采用河水為冷卻劑，河水比較臟和硬度較高，受熱后容易結垢。同時，氨走殼程也便于散熱，從而減少冷卻水的用量。因此，為方便清洗和提高熱交換率，冷卻水應走管程，氨制冷劑應走殼程。2·流速的選擇查得列管換熱器管內水的流速，管程為0.53m/s，殼程0.21.5m/s2；根據(jù)本設計制冷劑和冷卻劑的性質，綜合考慮冷卻效率和操作費用，本方案選擇流速為1.5m/s。3·冷卻劑適宜溫度的確定及制冷劑蒸發(fā)溫度，冷凝溫度，過熱溫度和過冷溫度。本設計冷卻劑的進口溫度t1為25282，可取為26。而一般臥式管殼式冷凝器

5、冷卻劑的進出口的溫度之差為4，本方案取為6，所以出口溫度t2為32。冷庫溫度為04本設計取0，蒸發(fā)溫度一般比庫內空氣低812本設計取可取714本設計取。過冷溫度比冷凝溫度低35本設計取過熱溫度比蒸發(fā)溫度高35本設計取4·冷凝器的造型和計算41 水冷式冷凝器的類型本次設計是以河水為冷卻劑，本人選擇氨高效臥式冷凝器為設計對象。此冷卻系統(tǒng)的原理是將壓縮機排出的高溫、高壓氨氣等壓冷凝成液體，在冷庫中蒸發(fā)，帶走待冷物料的熱量，起到冷卻物料的效果。本方案采用F22為制冷劑，F(xiàn)22化學式為CHF2CL，名稱為二氟一氯甲烷，標準沸點為40.8，凝固溫度為160，不燃燒，不爆炸，無色，無味。冷凝器型式

6、的選擇：本方案采用臥式殼管式冷凝器。臥式管殼式水冷凝器的優(yōu)點是：1、結構緊湊，體積比立式殼管式的?。?、傳熱系數(shù)比立式殼管式的大；3、冷卻水進、出口溫差大，耗水量少；4、為增加其傳熱面積，F(xiàn)-22所用的管道采用低肋管；5、室內布置，操作較為方便。42 冷凝器的選型計算421冷凝器的熱負荷422冷凝器的傳熱面積計算423冷凝器冷卻水用量+424冷凝器的阻力計算5·管數(shù)、管程數(shù)和管子的排列51管數(shù)及管程數(shù)5 2管子在管板上的排列方式53管心距6·殼體直徑及殼體厚度的計算61殼體直徑，厚度計算四、設計計算及說明（包括校核）（一）設計計算1、冷凝器的熱負荷：冷凝器的熱負荷是制冷劑的

7、過熱蒸汽在冷凝過程中所放出的總熱量，可用制冷劑的 壓焓圖算出。公式如下： kw式中 ： 冷凝器的熱負荷，kw； 制冷量，2900kw； 系數(shù)，與蒸發(fā)溫度t k、氣缸冷卻方式及制冷劑種類有關，由食品工程原理設計指導書圖3查出。在蒸發(fā)溫度為-10，冷凝溫度為35，查得為1.19。 =1.19×2900=3451 kw2、傳熱平均溫差：5.453、冷凝器的傳熱面積計算：根據(jù)選用臥式管殼式水冷冷凝器及設計指導書表4各種冷凝器的熱力性能，取傳熱系數(shù)為800 w/（·k） 0式中： 傳熱系數(shù)，w/ 、；（由食品工程原理設計指導書表3中可取750） 冷凝器得傳熱面積，； 冷凝器得熱負荷，

8、w； 傳熱平均溫差，又4、冷凝器冷卻水用量： kg/h 式中： 冷凝器的熱負荷， kw； 冷卻水的定壓比熱，KJ/kg·k；淡水可取4.186； 冷卻水進出冷凝器得溫度，K或； 冷卻水進出冷凝器得溫度，K或。5、冷凝器冷卻水體積流量： 式中：取995.7；6、管數(shù)和管程數(shù)和管束的分程、管子的排列的確定：1）確定單程管數(shù)n 由制冷原理及設備一書查得，冷凝器內冷卻水在管內流速可選取1.5 m/s。設計中選用38×2.5mm不銹無縫鋼管作為冷凝器內換熱管。 式中： 管內流體的體積流量， /s； 管子內直徑， m； 流體流速，m/s。 圓整為108取整后的實際流速2）管程數(shù)： 管束

9、長度 式中： 傳熱面積，； 按單程計算的管長，m。 管程數(shù) 式中： 為選定的每程管長，m，考慮到管材的合理利用，取6m。 圓整為12所以冷凝器的總管數(shù)為 根3）管心距和偏轉角 查可得管心距=48mm 偏轉角 =4）管子在管板上的排列方式管子在管板上排列時，應使管子在整個冷凝器截面上均勻而緊湊地分布，還要考慮流體性質，設備結垢以及制造等方面地問題。管子的排列和擋板、隔板的安排如花板布置圖所示（如附圖）。7.殼體直徑及殼體厚度的計算1）殼體直徑的計算殼體的內徑應稍大于或等于管板的直徑，所以，從管板直徑的計算可以決定殼體的內徑. D=a (b-1) +2e式中：D 殼體內徑， mm； a 管心距，

10、mm； b 最外層的六角形對角線(或同心圓直徑)；e 六角形最外層管子中心到殼體內壁的距離。一般取e=(11.5)d0，這里取1.4。D= 48×（391）2×1.4×33 =182492.4=1916.4mm 圓整為2000mm2）殼體厚度(s)的計算 式中：s 外殼壁厚，cm； P 操作時的內壓力，N/cm2（表壓），根據(jù)壁溫查得為80.8N/cm2 材料的許用應力， N/cm2；查得不銹無縫管YB804-70的許用應力是13230 N/cm2 焊縫系數(shù)，單面焊縫為0.65，雙面焊縫為0.85；（取單面焊縫）C 腐蝕裕度，其值在（0.10.8）cm之間，根據(jù)流

11、體的腐蝕性而定；取0.7D 外殼內徑，cm。適當考慮安全系數(shù)及開孔的強度補償措施，決定取s=17mm（二）設計校核1.雷諾數(shù)計算及流型判斷 冷凝器冷卻水用量： 實際流速：雷諾數(shù)： > 104 所以流型為湍流。2.阻力的計算冷凝器的阻力計算只需計算管層冷卻水的阻力，殼程為制冷劑蒸汽冷凝過程，可不計算流動阻力。冷卻水的阻力可按下式計算：式中： 管道摩擦阻力系數(shù)，湍流狀態(tài)下，鋼管=0.22Re-0.2；Z 冷卻水流程數(shù)；L 每根管子的有效長度，m；d 管子內直徑, m；u 冷卻水在管內流速，m/s；g 重力加速度，m/s2； 局部阻力系數(shù)，可近似取為=4Z。3.熱量衡算下圖為氨在實際制冷循環(huán)中

12、的壓焓圖本設計確定：1）蒸發(fā)溫度to為：102）冷凝溫度tk為：353）冷卻水出口溫度t2為：324）過冷溫度tu為：325）熱量Q02900kw制冷循環(huán)簡易流程為：11223456。其中112在壓縮機中壓縮的等熵過程，223在冷凝器冷卻的等壓過程，34在冷凝器中冷凝的等壓等溫過程，45為過冷過程，56為在膨脹閥里作等焓膨脹過程，61為在蒸發(fā)器中沸騰蒸發(fā)的吸熱等壓等溫過程。制冷劑在低溫低壓液體狀態(tài)時吸熱達到沸點后蒸發(fā)成為低溫低壓蒸汽，蒸發(fā)成氣體的制冷劑在壓縮機作用下成為高溫高壓氣體，此高溫高壓氣體冷凝后成為高壓液體，高壓液體經(jīng)過膨脹閥后變成低壓低溫液體，再度吸熱蒸發(fā)構成了冷凍機的制冷循環(huán)。過熱

13、溫度的確定可以由過冷溫度通過熱量衡算得出（蒸汽潛熱）。根據(jù)F-22壓焓圖查得（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單位制冷量：q0=h1h5=402235=167 kj/kg制冷循環(huán)量：GQ0/q02900×3600/16762515kg/h單位循環(huán)量：G=Qo/qo=2900/167=17.37 kg/s冷卻放熱量：G×（h2-h3）=17.37×

14、（430-415）=260.55冷凝放熱量：G×（h3-h4）=17.37×（415-245）=2952.9過冷放熱量：G×（h4-h4）=17.37×(245-235)=173.7過熱吸熱量：G×（h1-h1）=17.37×(412-402)=173.7壓縮功：wt=h2= h1=430-412=18理論的制冷系數(shù)：t=qo/wt=167/18=9.28由此可見，本設計熱量基本平衡，符合實際要求。4.傳熱面積安全系數(shù)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：NTd0l1296×3.14&

15、#215;0.038×6927.8管內總傳熱面積：NTdl1296×3.14×0.033×6805.7實際總傳熱面積：（）/2（927.82805.7）/2=866.8理論總傳熱面積：安全系數(shù)（866.8）/9.5一般要求安全系數(shù)為315（0.030.15），故本設計合符要求。5.長徑比L/D式中：L 每程管長，m；D 殼體內徑，m。L/D= 6/1.9164= 3.13符合38 范圍要求五、設計結果主要參數(shù)表序號項目結果序號項目結果1蒸發(fā)溫度-613管子排列方式正六邊形2冷凝溫度3214殼體內徑2000mm3冷卻水進口溫度2615殼體壁厚12mm4冷卻

16、水出口溫度3216長徑比3.135冷卻水流速1.49m/s17殼體材料不銹鋼管6冷卻水阻力5.45m水柱18管長6m7冷卻水用量19內傳熱面積805.7m28雷諾數(shù)61106.620安全系數(shù)9.59冷凝換熱管材料無縫鋼管21管程1210換熱管規(guī)格38×2.5 mm22總管數(shù)129611單程管數(shù)10823管心距48mm12軸線偏轉角度7°24冷庫冷負荷2900kw六、主要符號表序號名稱符號單位序號名稱符號單位1焓ikj/kg15殼體厚度smm2壓力PPa16單位制冷量q0kj/kg3溫度t17制冷循環(huán)量Gkg/s4流速um/s18熱負荷QLkw5粘度Pa·s19冷卻

17、水用量Mkg/h6密度pkg/m320體積流量Vm3/s7阻力HfmH2O21傳熱面積Am28比熱CpJ/kg·k22汽化潛熱rkj/kg9管徑dm23污垢熱阻Rm2·k/w10管數(shù)n24導熱系數(shù)w/m·k11管程數(shù)m25摩擦阻力系數(shù)12總管數(shù)NT26傳熱系數(shù)w/m2·k13管心距amm27傳熱膜系數(shù)w/m2·k14殼體直徑Dmm 七主體設備結構圖（見圖）八、設計評論及討論本設計由給定的冷庫冷負荷，進口水溫度，高溫庫工作溫度等已知數(shù)據(jù)來確定出口溫度、傳熱面積、流速、管徑等數(shù)據(jù)來完成設計，其中有部分參數(shù)和計算公式需要查找相關資料，如化工手冊和實用冷凍手冊，各種資料中查出的參考計算公式和數(shù)據(jù)有所不同，導致再整個設計工程中，設計思路產(chǎn)生分歧，產(chǎn)生幾種設計方案，經(jīng)過反復驗證和數(shù)據(jù)計算才確定其中一種，由于參考數(shù)據(jù)的來源不同，可能導致設計結果存在誤差。其次，計算過程中各個步驟要經(jīng)過反復的校核，符合要求才能繼續(xù)，如計算管程數(shù)時需校核徑比。計算結束后要進行校核，要求雷諾數(shù)Re>104，傳熱系數(shù)（700800），安全系數(shù)在515內，經(jīng)過校核計算，都能滿足要求，如果不考慮經(jīng)濟其他因素，這個設計是成功的。這次的課程設計很好地檢驗了本人掌握工程原理知識的程度，暴露出各種不足之處，讓本人可以及時糾正存