食品工程原理課程設(shè)計+管殼式冷凝器設(shè)計書

23/23食品工程原理課程設(shè)計管殼式冷凝器設(shè)計說明書

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院食品工程原理課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目：管殼式冷凝器設(shè)計。、設(shè)計任務(wù)：將制冷壓縮機(jī)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。設(shè)計條件：1.冷庫冷負(fù)荷Q0=學(xué)生學(xué)號最后2位數(shù)×100(kw)2.高溫庫，工作溫度0~4℃，采用回?zé)嵫h(huán)；3.冷凝器用河水為冷卻劑，每班分別可取進(jìn)口水溫度：21～25℃（1班）、6～10℃（2班）、11～15℃（3班）、16～20℃（4班）、1～5℃（5班）。4.傳熱面積安全系數(shù)5~15%。設(shè)計要求：1.對確定的工藝流程進(jìn)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結(jié)構(gòu)尺寸；4.計算阻力；5.編寫設(shè)計說明書(包括：①封面；②目錄；③設(shè)計題目（任務(wù)書）；④流程示意圖；⑤流程及方案的說明和論證；⑥設(shè)計計算及說明（包括校核）；⑦主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；⑧設(shè)計結(jié)果概要表；⑨對設(shè)計的評價及問題討論；⑩參考文獻(xiàn)。)6.繪制工藝流程圖、管殼式冷凝器的結(jié)構(gòu)圖（3號圖紙）、及花板布置圖（3號或者4號圖紙）。目錄1前言 62流程示意圖 63流程及方案的說明和論證 73.1冷凝器的選擇 73.2制冷劑的選擇 83.3冷卻劑的選擇 83.3.1冷卻劑流入空間的選擇 83.3.2流速的確定 83.3.3冷卻劑適宜進(jìn)出口溫度的確定 93.4制冷劑冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、過冷溫度的確定 93.4.1冷凝溫度的確定 93.4.2過冷溫度的確定 93.4.3蒸發(fā)溫度的確定 93.5管材的選擇 94設(shè)計計算及說明 104.1冷卻水的實(shí)際流速、雷諾數(shù)與冷卻水流動阻力 104.1.1冷卻水的實(shí)際流速 104.1.2冷卻水的雷諾數(shù) 104.1.3冷卻水流動阻力 104.2理論傳熱面積的計算 114.2.1管內(nèi)冷卻水的傳熱膜系數(shù)的計算 114.2.2管外制冷劑的冷凝膜系數(shù)α0 124.2.3管的面積 124.2.4管的傳熱系數(shù)計算 124.3理論傳熱面積與傳熱面積安全系數(shù)的計算 134.3.1理論傳熱面積 134.4長徑比L/D的核算 144.5熱量恒算 144.6冷凝器的熱負(fù)荷及初估冷凝器的傳熱面積 154.6.1冷凝器的熱負(fù)荷 154.6.2初估冷凝器的傳熱面積 154.7冷凝器冷卻水用量計算 164.8管數(shù)、管程數(shù)和管子的排列及傳熱管的布置排列、主體結(jié)構(gòu)的確定 164.8.1管數(shù)、管程數(shù)和管子的排列 164.8.1.1管數(shù) 164.8.1.2管程數(shù) 174.8.2傳熱管的布置排列及主體結(jié)構(gòu)的確定 174.8.2.1管束的分程 174.8.2.2管子在管板上的排列 174.8.2.3管心距的確定 184.8.2.4偏轉(zhuǎn)角的確定 184.9殼體直徑和殼體厚度的計算及主體設(shè)備主要結(jié)構(gòu)尺寸 184.9.1殼體直徑D計算 184.9.2殼體厚度的計算 194.9.3主體設(shè)備主要結(jié)構(gòu)尺寸 194.9.3.1管板厚度 194.9.3.2管板上的管孔直徑 194.9.3.3管板上相鄰管孔中心距 194.9.3.4隔板厚度 204.9.3.5折流板厚度 204.9.3.6折流板外直徑 204.9.3.7折流板孔直徑 204.9.3.8折流板缺口 204.9.3.9流板的間距 205設(shè)計結(jié)果概要表 216對設(shè)計的評價及問題討論 216.1對設(shè)計的評價 216.2問題討論 226.2.1水質(zhì)的影響 226.2.2管徑設(shè)計問題 226.2.3管排列方式的設(shè)計 226.2.4設(shè)計者的局限性 226.3總結(jié) 23參考文獻(xiàn) 23附錄 23致謝 231前言制冷機(jī)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(jī)壓縮后，在冷凝器中冷凝成為液體，并將冷凝熱傳給冷卻水，冷凝后的制冷劑降壓后送回蒸發(fā)器。冷凝器是蒸汽壓縮式制冷的四個主要設(shè)備之一。它是通過冷熱交換將氣體冷卻冷凝的設(shè)備。熱量的傳遞是以溫度差為推動力，溫度高的氣體將熱量經(jīng)過冷凝器管壁傳給溫度低的移熱介質(zhì)，達(dá)到氣體冷凝的目的。該份設(shè)計書的任務(wù)是講制冷壓縮機(jī)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。其中冷庫冷負(fù)荷Q0=600kW；高溫庫工作溫度為0～4℃，并采取回?zé)嵫h(huán)；冷凝器的冷卻劑為河水，溫度為11～15℃。2流程示意圖以上工藝流程圖表明，低溫低壓的制冷劑蒸汽被壓縮機(jī)吸入等熵壓縮后成為高溫高壓氣體，此高溫高壓氣體經(jīng)冷凝器等壓冷凝成為高壓液體，然后高壓液體進(jìn)入氣液熱交換器(又稱回?zé)崞?，與來自蒸發(fā)器的低溫低壓制冷劑蒸汽進(jìn)行熱交換，使高壓液體過冷，過冷后的高壓液體經(jīng)節(jié)流閥后變成低溫低壓液體，然后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)低溫低壓液體從冷庫（冷庫以空氣作為載冷劑）吸收蒸發(fā)所需的熱量，使其蒸發(fā)為低溫低壓蒸汽，此低溫低壓蒸汽進(jìn)入氣液交換器與來自冷凝器的高壓液體進(jìn)行熱交換，使蒸汽過熱后再度進(jìn)入壓縮機(jī)構(gòu)成制冷循環(huán)，從而使周圍介質(zhì)的溫度降低。此制冷循環(huán)采用了回?zé)嵫h(huán)，是利用氣液熱交換器使節(jié)流前的制冷劑高壓液體與蒸發(fā)器出來的低溫低壓蒸汽進(jìn)行熱交換，使液體過冷，低溫蒸汽過熱。采用回?zé)嵫h(huán)不僅可以增加單位質(zhì)量制冷量，而且可以減少低溫制冷劑蒸汽與環(huán)境空氣之間的傳熱溫差，減少甚至消除蒸發(fā)器與壓縮機(jī)之間吸氣管道的無效過熱，達(dá)到良好的制冷效果。3流程及方案的說明和論證設(shè)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、冷卻劑的選擇及其進(jìn)出口溫度的確定等。3.1冷凝器的選擇表1常用冷凝器的比較[1]冷凝器類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)使用范圍立式殼管式1.可裝設(shè)在室外露天，節(jié)省機(jī)房面積；2.清洗方便；3.漏氨易發(fā)現(xiàn)。1.傳熱系數(shù)比臥式殼管式低；2.冷卻水進(jìn)出溫差小，耗水量大。中型及大型氨制冷裝置臥式殼管式1.結(jié)構(gòu)緊湊；2.傳熱效果好；3.冷卻水進(jìn)出溫差大，耗水量小。1.清洗不方便；2.漏氨不易發(fā)現(xiàn)。大、中、小氨和氟利昂制冷裝置都可采用套管式1.結(jié)構(gòu)簡單、制造方便；2.體積小，緊湊；3.傳熱性能好（水與制冷劑成逆向流動）。1.金屬消耗量較大；2.冷卻水的流動阻力較大；3.水垢清洗困難。小型氟利昂空調(diào)制冷機(jī)組沉浸式1.制造簡單；2.維修清洗方便；3.安裝地位不受限制。1.冷卻水在水箱內(nèi)的流動速度很低，故傳熱效果差；2.體積大。小型氟利昂制冷裝置根據(jù)不同類型的水冷式冷凝器的優(yōu)缺點(diǎn)比較，同時由于選用了制冷劑氨，所以選擇了臥式殼管式冷凝器。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊、操作管理維修方便、換熱系數(shù)大、傳熱效果好、冷卻水耗量少。但對冷卻水質(zhì)要求高，水溫要低；冷卻水流動阻力比較大；清洗水垢不方便，需要設(shè)備停止工作。由于選用了制冷劑氨，所以確定選用氨臥式管殼式冷凝器，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、操作管理維修方便、換熱系數(shù)大、傳熱效果好、冷卻水耗量少。但對冷卻水質(zhì)要求高，水溫要低；冷卻水流動阻力比較大；清洗水垢不方便，需要設(shè)備停止工作。3.2制冷劑的選擇本冷凝器采用氨為制冷劑。制冷劑是制冷系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的工作介質(zhì)，也稱為制冷工質(zhì)。由于制冷機(jī)的大小、構(gòu)造和材料以及在一定情況下的操作壓力于制冷劑的性質(zhì)有密切關(guān)系，所以在進(jìn)行壓縮制冷時必須慎重選用適合于操作條件的制冷劑。當(dāng)今社會使用的制冷劑有氨氣（代號：R717）、氟利昂-12（代號：R12）、氟利昂-22（代號：R22）和其他環(huán)保制冷劑如R-134a、R-404A等，但分析比較各種制冷劑優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計選用氨作為制冷劑，原因如下：⑴氨是目前使用最為廣泛的一種中壓中溫制冷劑。氨的凝固溫度為-77.7?C，標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度為－33.3?C，在常溫下冷凝壓力一般為1.1～1.3MPa，即使當(dāng)夏季冷卻水溫高達(dá)30?C時也絕不可能超過1.5MPa，則對儀器設(shè)備的要求較低，減少了儀器的維護(hù)費(fèi)用。⑵氨易于獲得,價格低廉，單位標(biāo)準(zhǔn)容積制冷量較大，約為520Kcal/m3，相比于R12的288kcal/m3，有明顯優(yōu)勢。⑶氨有很好的吸水性，即使在低溫下水也不會從氨液中析出而凍結(jié)，故系統(tǒng)內(nèi)不會發(fā)生“冰塞”現(xiàn)象。⑷氨自身有刺激性氣味，當(dāng)儀器出現(xiàn)問題，氣體泄漏時，能較快被發(fā)現(xiàn)，有一定的安全保障，較為安全。⑸氨對鋼鐵不起腐蝕作用，但氨液中含有水分后，對銅及銅合金有腐蝕作用，且使蒸發(fā)溫度稍許提高。因此，氨制冷裝置中不能使用銅及銅合金材料，故本設(shè)計采用了鋼管。3.3冷卻劑的選擇冷凝器用澄清的河水作為冷卻劑。3.3.1冷卻劑流入空間的選擇在管殼式冷凝器中，流體流入空間的選擇是關(guān)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：①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)。固定管板式的直管束管內(nèi)較易清洗，故一般應(yīng)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(jié)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。②要保證管內(nèi)和管外有適當(dāng)?shù)牧魉?，以保證有較高的傳熱系數(shù)。③有腐蝕性的液體應(yīng)該流管內(nèi)。④壓力高的流體應(yīng)該流管內(nèi)。⑤飽和蒸汽一般應(yīng)通入殼程，以便于派出冷凝液，而且蒸汽較清潔。⑥被冷卻物料一般走殼程，便于散熱，可減少冷卻劑用量。澄清河水一般選擇走管程，這是因?yàn)楹铀容^臟，受熱后容易結(jié)垢，在固定管板式換熱器的直管束內(nèi)較易清洗；管內(nèi)流體易維持高速，可避免懸浮粒子沉積。同時，氨走殼程也便于散熱，從而減少冷卻水的用量。因此，為了清洗方便，提高熱交換律，本冷凝器的管程采用多管程，冷卻水走管程，制冷劑走殼程。3.3.2流速的確定適宜的流速標(biāo)準(zhǔn)是既可以減少污垢在管子表面沉積的可能性而降低污垢熱阻，使K值提高，所需傳熱面積減少，設(shè)備投資費(fèi)減少，又可使流動阻力相應(yīng)減少，動力消耗即操作費(fèi)減少。選擇流速一般都盡可能使流動的Re>10000。在工業(yè)上常用的走管程一般液體流速在0.5～3m/s之間，在同時考慮設(shè)備的制造成本和操作費(fèi)用之后，確定取u=1.2m/s。3.3.3冷卻劑適宜進(jìn)出口溫度的確定冷卻水的出口溫度可根據(jù)冷卻水的費(fèi)用及設(shè)備投資費(fèi)之和為最小來確定。根據(jù)要求，進(jìn)口水溫度要求在11~15℃之間，而工業(yè)上臥式殼管式冷凝器冷卻水的進(jìn)出口溫差一般在4~10℃之間，綜合考慮后，確定本設(shè)計中選取的冷卻水進(jìn)口溫度t1為15℃，出口溫度t2為21℃，溫差為21℃－15℃＝6℃。3.4制冷劑冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、過冷溫度的確定3.4.1冷凝溫度的確定為保證冷凝器內(nèi)的熱交換，冷凝溫度必須高于冷卻劑的出口溫度。根據(jù)設(shè)計要求：臥式殼管式冷凝器的進(jìn)口端部最大溫差（tk-t1）范圍可取7～14℃。在此次設(shè)計中溫差取10℃，則tk=12+t1=12+15=24℃。3.4.2過冷溫度的確定過冷溫度是指制冷劑在冷凝壓力下，其溫度低于冷凝溫度時的溫度。制冷劑液體的過冷度取決于冷卻介質(zhì)的溫度與過冷器的傳熱溫差。過冷器一般是以水作為冷卻介質(zhì)，一般過冷溫度比冷凝溫度低3～5℃，比進(jìn)冷凝器的水溫高3~5℃。所以確定本次設(shè)計取過冷度溫差為5℃，則過冷溫度=tk-4℃=24℃-4℃=20℃3.4.3蒸發(fā)溫度的確定蒸發(fā)溫度是指制冷劑在蒸發(fā)器中汽化時的溫度，它的確定與所采用的制冷劑有關(guān)。蒸發(fā)溫度的高低取決于被冷卻物體的溫度及傳熱溫差，一般空氣環(huán)境的傳熱溫差為8～12℃。由于本設(shè)計要求的工作溫度為0～4℃，確定選取工作溫度t`為0℃，溫差為10℃，所以可以確定蒸發(fā)溫度為=t`-10℃=-10℃.3.5管材的選擇在氨臥式冷凝器中較為適宜使用的是采用φ25mm×2.5mm和φ19mm×2mm的鋼管。本設(shè)計采用的是φ25mm×2.5mm熱軋?zhí)妓劁摴?。?確定的冷凝器方案數(shù)據(jù)項(xiàng)目確定指標(biāo)管材鋼管制冷劑氨冷卻劑河水流體流入冷凝器空間冷卻劑河水走管程，制冷劑氨走殼程流速1.2m/s冷凝器類型臥式管殼式冷凝器冷卻劑進(jìn)口溫度15℃冷卻劑出口溫度21℃冷凝溫度24℃蒸發(fā)溫度-10℃過冷溫度20℃4設(shè)計計算及說明4.1冷卻水的實(shí)際流速、雷諾數(shù)與冷卻水流動阻力4.1.1冷卻水的實(shí)際流速式中：V管內(nèi)流體的體積流量，d管子內(nèi)直徑，n管數(shù)，得：u與設(shè)定值1.2m/s相差不大，設(shè)計可行。4.1.2冷卻水的雷諾數(shù)在冷凝器的設(shè)計上，一般都應(yīng)盡可能使管內(nèi)流體流動的雷諾數(shù)Re>10000,流體處于湍流狀態(tài)，這樣就意味著流速的增加，傳熱膜系數(shù)的增大，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。同時可以減少污垢在管子表面沉積的可能性而降低污垢熱阻，使K值提高，所需傳熱面積減少，設(shè)備投資費(fèi)減少。本設(shè)計中的管內(nèi)流體為河水，進(jìn)出口溫度的平均值為18℃，上面已查得水的性質(zhì)，因此可得Re=即冷卻水在管內(nèi)處于湍流狀態(tài)，符合設(shè)計要求。4.1.3冷卻水流動阻力冷凝器的阻力計算只需計算管程冷卻水的阻力，殼程為制冷劑蒸汽冷凝過程，可不計算流動阻力。當(dāng)冷凝器的結(jié)構(gòu)尺寸由設(shè)計確定之后，即可按下式計算冷卻水的阻力：mH2O式中：——管道的摩擦阻力系數(shù)：在湍流狀態(tài)下，銅管＝0.184Re-0.2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；di——管子內(nèi)徑，m；u——冷卻水在管內(nèi)的流速，m/s；g——重力加速度，m/s2；——局部阻力系數(shù)，可近似取為：＝4Z。λZ=5程，L=6m，di=0.02m，u’=1.173m/s，=4Z=4×5=20，故冷卻水的流動阻力為H4.2理論傳熱面積的計算4.2.1管內(nèi)冷卻水的傳熱膜系數(shù)的計算管內(nèi)冷卻水的流動屬于在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流，對于水這種低粘度液體(<2倍常溫水的粘度)，采用下式計算傳熱膜系數(shù)：應(yīng)用范圍：，，式中n值與熱流方向有關(guān)。當(dāng)流體被加熱時，n取0.4；當(dāng)流體被冷卻時，n取0.3。此處冷卻水被加熱，故n取0.4。定性溫度：冷卻水進(jìn)出口平均溫度，即18℃λ-導(dǎo)熱系數(shù),18℃水的導(dǎo)熱系數(shù)[3]W/(m·K)。管長與管徑比為L/d=6/0.015=400＞60.P符合α4.2.2管外制冷劑的冷凝膜系數(shù)α0根據(jù)膜狀冷凝對熱傳熱公式，有式中：ρ、λ、μ——冷凝液的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度r——飽和蒸汽的冷凝潛熱Δt——?t=d——管子外徑管束在垂直面上的列數(shù)；本方案采用正三角形法，則根據(jù)《食品工程原理課程設(shè)計指導(dǎo)書》：。式中為水平管束上下重壘的平均排數(shù)，為管子總數(shù)。正三角形錯排時，可近似采用此式。即管列在垂直面上的列數(shù)

n=Z=0.6×氨的定性溫度：

T℃時物性參數(shù)為：ρ=607.50kg/m3所以可得a4.2.3管的面積熱流體即是管內(nèi)的冷卻水，其進(jìn)出口的平均溫度為18℃.熱負(fù)荷Q=342kw，基管內(nèi)表面積A1為A管外表面積A0為A管平均面積Am為A4.2.4管的傳熱系數(shù)計算以管外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)Kof可按下式計算：式中：ao——管外制冷劑冷凝膜系數(shù)，w/（m2·K）ai——管內(nèi)冷卻水的傳熱膜系數(shù)，w/（m2·K）Ao——管外表面積，m2Ai——管內(nèi)表面積，m2Am——管面平均面積，m2δp——管壁厚度，m，可以得到δp=0.002mλp——管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K），管壁導(dǎo)熱系數(shù),鋼導(dǎo)熱系數(shù)一般為30～45。取λp=30W/(m?K)。Ro——制冷劑側(cè)污垢熱阻，m2·K/w，若制冷劑為氨，可取，此次取Ro=0.0005Ri——水側(cè)垢層熱阻m2·K/w;對于澄清河水且流速大于1m/s可取Ri=0.18×10-3m2·K/w.故以管外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)K為K臥式冷凝器（氨的傳熱系數(shù)范圍在700～900，本設(shè)計方案的傳熱系數(shù)符合要求。4.3理論傳熱面積與傳熱面積安全系數(shù)的計算4.3.1理論傳熱面積根據(jù)總傳熱速率方程可得理論傳熱面積為A=4.3.2傳熱面積安全系數(shù)的計算式中：：實(shí)際布置所得的傳熱面積，m2；A：理論傳熱面積，m2ε=在5%~15%的范圍內(nèi)，所以設(shè)計的冷凝器符合要求。4.4長徑比L/D的核算冷凝器的長徑比有一定的設(shè)計要求，一般要求長徑比L/D＝3～8。根據(jù)設(shè)計計算所得數(shù)據(jù)：L＝6m殼體直徑D＝0.8m可算得長徑比L因此，長徑比滿足設(shè)計要求。4.5熱量恒算設(shè)計中冷凝器的工作過程壓焓圖如下圖3冷凝器工作過程壓焓圖回?zé)嵫h(huán)過程為。非回?zé)嵫h(huán)為其中為過熱過程，為等熵壓縮過程，為冷卻過程，為冷凝過程，為過冷過程，為等焓膨脹過程，為等壓蒸發(fā)過程。冷凝水進(jìn)口溫度為℃，出口溫度為℃，冷凝溫度為℃，蒸發(fā)溫度為℃，過冷溫度為℃。過熱溫度tp比蒸發(fā)溫度t0高3～4℃，本設(shè)計取tp=-6℃:則得出：℃，℃，℃查氨的壓焓圖得：，，?！?，′，′′單位制冷量：QUOTEq0=h1-壓縮功：

W=h制冷系數(shù)：QUOTEε=q0W=1130單位循環(huán)量：QUOTEG=Q0q0=3100制冷劑的放熱量：QUOTEQk=Gh2-h冷凝器的熱負(fù)荷：QUOTEQL=Q0+G?W=1550+1.37×195=1817.15放熱量≈吸熱量，熱量平衡4.6冷凝器的熱負(fù)荷及初估冷凝器的傳熱面積4.6.1冷凝器的熱負(fù)荷本次設(shè)計要求的冰庫冷負(fù)荷Q0為300kw。在忽略熱損失的情況下，熱負(fù)荷應(yīng)等于制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量（制冷Q0）與氣態(tài)低壓制冷劑在制冷機(jī)中被壓縮成高壓氣體時所獲得的機(jī)械功之和，可用下式簡化計算：式中：QL——冷凝器的熱負(fù)荷；Q0——制冷量；Ф——系數(shù)，由設(shè)計書P5圖三查出Φ=1.14。于是QL=φQ0=300×1.14=342（kw）圖2制冷劑R717（氨）的壓焓圖4.6.2初估冷凝器的傳熱面積制冷劑的溫度并不是定值，但在沒有裝設(shè)專門的過冷設(shè)備的情況下，冷凝器內(nèi)的過冷度是很少的。因此在分析冷凝器的特性時，常忽略這種過冷；氣態(tài)制冷劑的過熱量所占的比例一般也不很大，而且過熱段的傳熱溫差比冷凝較大，但過熱段的傳熱系數(shù)比冷凝段小。為了簡化計算，一般可以認(rèn)為制冷劑的溫度等于冷凝溫度tk，則可以得到冷凝器的傳熱平均溫差為

?t=根據(jù)氨臥式管殼式冷凝器常用的K值范圍在700～900w/(m2·k),所以初估冷凝器的傳熱系數(shù)為900w/（m2·K）,則估算的冷凝器傳熱面積為

F=式中：F——冷凝器的傳熱面積，m2；QL——冷凝器的熱負(fù)荷，w；K——傳熱系數(shù)，w/(m2·K)或w/(m2·℃)；——傳熱平均溫差，℃；4.7冷凝器冷卻水用量計算冷卻水的定性溫度為：

t=由《食品工程原理》P375水的物理性質(zhì)表查得查得18℃時水的性質(zhì)：密度ρ=998.2kg/m3；熱導(dǎo)率λ=0.5985w/（m·K）；黏度μ=100.42×10-5Pa/s。水冷式冷凝器的冷卻水用量可由下式求得：M=式中：QL——冷凝器的熱負(fù)荷，kw；Cp——冷卻水的定壓比熱，kJ/(kg·k)；淡水比定壓熱容Cp=4.186kJ/（kg·K）t1、t2——冷卻水進(jìn)、出冷凝器的溫度，K或℃。確定的冷卻水進(jìn)口溫度t1為15℃，出口溫度t2為21℃，由此可以得到冷卻水的質(zhì)量流量為QUOTEM=QLCp(t2因此冷卻水的體積流量為

V=4.8管數(shù)、管程數(shù)和管子的排列及傳熱管的布置排列、主體結(jié)構(gòu)的確定4.8.1管數(shù)、管程數(shù)和管子的排列4.8.1.1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，0.014m3/s;d——管子內(nèi)直徑，根據(jù)φ19×2mm的無縫鋼管,d=15×10-3m；u——流體流速，1.2m/s；

n=4.8.1.2管程數(shù)按單程冷凝器計算，管速長度為L，則式中：A——傳熱面積，m2；d——管子內(nèi)直徑，根據(jù)φ25×2.5mm的無縫鋼管,d=20×10-3m；——單程管子總數(shù)所以

L=冷凝器的長徑比有一定的要求，一般L/D=3～8。若按單程設(shè)計L太長，超過上述長徑比范圍時，一般可采用多程管解決。一般計算為：式中：L：按單程計算的管長，29.15m；l：選定的每程管長，m。考慮到管材的合理利用，按管材一般出廠規(guī)格為6m，則l可取1、1.5、2、3、6m等，這里取l＝6m。QUOTE考慮到管材的合理利用，按管材一般出廠規(guī)格為6m，則l可取1、1.5、2、3算出的m必須取整數(shù)，所以m=5程。采用多管程后，冷凝器的總管數(shù)Nt為：Nt=nm=38×5=190(根）4.8.2傳熱管的布置排列及主體結(jié)構(gòu)的確定4.8.2.1管束的分程為了達(dá)到分程的目的，在冷凝器中的一端或兩端的管箱中分別安置一定數(shù)量的分程隔板。分程可以采用各種不同的組合形式，但每一程中的管數(shù)應(yīng)該大致相等，隔板的形式應(yīng)簡單，隔板的密封長度應(yīng)短。4.8.2.2管子在管板上的排列管子在管板上排列時，應(yīng)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(zhì)，設(shè)備結(jié)構(gòu)以及制造等方面的問題。當(dāng)殼程流體是不污濁性介質(zhì)時，宜采用等邊三角形排列法。等邊三角形排列法在一定的管板面積上可以配置較多的管子數(shù)，且由于管子間的距離相等，在管板加工時便于劃線和鉆孔。鑒于正三角形排列法有上述優(yōu)點(diǎn)，且本設(shè)計的殼程流體氨是不污濁性介質(zhì)，因此采用正三角形排列法。為使傳熱管排列均勻且緊湊以滿足正三角形布管要求，當(dāng)管子總數(shù)超過127根（本設(shè)計總管數(shù)為190根）時，按等邊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(yīng)配置上附加的管子。這樣不但可增加排管數(shù)，增大傳熱面積，而且可以消除了管外這部分空間，使管外流體分布更均勻。查《課程設(shè)計指導(dǎo)》p12頁上的“表6：按等邊三角形布管時的管子根數(shù)”，可以得到管子排列的六角行層數(shù)為8，對角線上的管數(shù)為17，詳見花板圖。4.8.2.3管心距的確定管板上相鄰兩根管子中心的距離a稱為管心距。管心距的大小要考慮管板強(qiáng)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(guān)。當(dāng)管子采用焊接方法固定時，若相鄰兩根管子的焊縫太近，就會因相互受到熱的影響，使焊接質(zhì)量不易保證，而采用脹接法固定時，過小的管心距會造成管板在脹接時由于擠壓力的作用而發(fā)生變形，失去了管子與管板之間的連接力。因此，管心距必須有一定的數(shù)值范圍。本次設(shè)計采用焊接法固定管子，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最小管心距amin一般采用對于本次設(shè)計選用的鋼管，其管子外直徑do為25mm所以可得最小管心距為a=1.25d0=1.25×25=31.25mm但因?yàn)樽钚」苄木嘧钚〔荒苄∮冢╠o+6=31）mm，所以管心距選QUOTEamin=25mma_min=32mmQUOTEamin=25mm最外層管子中心至殼體內(nèi)表面的距離不應(yīng)小于（do/2+100）mm，即不應(yīng)小于109.5mm。4.8.2.4偏轉(zhuǎn)角的確定因?yàn)楸驹O(shè)計中的臥式冷凝器的殼程為蒸汽冷凝，且管子按等邊三角形排列，為了減少液膜在列管上的包角及液膜厚度，管板在裝置時，其軸線應(yīng)與設(shè)備的水平軸線偏轉(zhuǎn)一定角度。其軸線應(yīng)與設(shè)備的水平軸線偏轉(zhuǎn)一定角度α。因?yàn)閍=32mm，查“軸線偏轉(zhuǎn)角度表”得偏轉(zhuǎn)角α=7°4.9殼體直徑和殼體厚度的計算及主體設(shè)備主要結(jié)構(gòu)尺寸4.9.1殼體直徑D計算殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于管板的直徑，所以從管板直徑的計算可以決定殼體的內(nèi)徑。通常按下式確定殼體內(nèi)徑：D＝a(b-1)+2e式中：D——?dú)んw內(nèi)徑，mm；a——管心距，mm；b——最外層的六角形對角線（或同心圓直徑）上的管數(shù)； e——六角形最外層管子中心到殼體內(nèi)壁的距離。一般取e=（1～1.5）do。其中a=32mm，b=17根，e取1.5do，即e=1.5d0=1.5×25=37.5mm，但最外層管子中心至殼體內(nèi)表面的距離要求不應(yīng)小于（do/2+100）mm，即不應(yīng)小于109.5mm，所以在這里取故可得D=a殼體的計算值應(yīng)圓整到最靠近的部頒標(biāo)準(zhǔn)尺寸，殼體的部頒標(biāo)準(zhǔn)尺寸見表5。表3標(biāo)準(zhǔn)尺寸（mm）殼體內(nèi)徑325440500600700800900100011001200最小壁厚8101214將殼體的內(nèi)徑圓整到D=800mm，此時殼體的最小壁厚為12mm。4.9.2殼體厚度的計算當(dāng)熱交換器受內(nèi)壓時，外殼的厚度s可用下式計算：式中：s——外殼壁厚，cm；P——操作時之內(nèi)壓力，N/cm2(表壓)；查R171（氨）飽和狀態(tài)溫度、壓力表：p絕對=1.0031×106Pa，換算為表壓為P[]——材料的許用應(yīng)力，N/cm2；查閱《機(jī)械設(shè)計手冊》碳素鋼的許用應(yīng)力[]為113MPa[4]，即為11300N/cm2?！缚p系數(shù)，單面焊縫＝0.65(取單面焊縫)雙面焊縫＝0.85；C——腐蝕裕度，其值在(0.1～0.8)cm之間，根據(jù)流體的腐蝕性而定；D——外殼內(nèi)徑，cm。采用單面焊縫，故＝0.65，因?yàn)樽邭こ痰牧黧w氨有一定的腐蝕性，所以取C=0.5cm。于是可得外殼厚度s為s=算出殼體厚度后，還應(yīng)適當(dāng)考慮安全系數(shù)，以及開孔的強(qiáng)度補(bǔ)償措施。一般都應(yīng)大于表5所列的最小厚度值。因?yàn)閟=9.94mm小于設(shè)計要求的最小壁厚12mm，所以殼體厚度選擇為15mm。4.9.3主體設(shè)備主要結(jié)構(gòu)尺寸在進(jìn)行了設(shè)計計算中關(guān)于主體設(shè)備的大體結(jié)構(gòu)尺寸（如殼徑、管數(shù)、管程等）并校核后，還需要進(jìn)一步確定主體設(shè)備其余部分的主要結(jié)構(gòu)尺寸。4.9.3.1管板厚度當(dāng)管板與換熱管采用焊接時，管板的最小厚度應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的要求，因?yàn)楣芡鈴綖?5mm，則管板厚度應(yīng)該為管外徑的3/4[2]，即19mm。4.9.3.2管板上的管孔直徑當(dāng)管子外徑為25mm時，管板上的管孔直徑為25.4mm，允許偏差為+0.2mm。4.9.3.3管板上相鄰管孔中心距當(dāng)管子外徑為25mm時，管板上相鄰管孔中心距為32mm，允許偏差為0.3mm[3]。4.9.3.4隔板厚度當(dāng)冷凝器的公稱直徑在800mm到1000mm之間時，對于碳素鋼來說，隔板的最小厚度為12mm[4]。在本設(shè)計中，冷凝器的公稱直徑為800mm，因此隔板厚度取15mm。4.9.3.5折流板厚度當(dāng)冷凝器的公稱直徑在800mm到1000mm之間以及換熱管無支撐跨距在300mm到600mm之間時，折流板的最小厚度為10mm[4]。因此取折流板厚度為10mm。4.9.3.6折流板外直徑當(dāng)冷凝器公稱直徑在500mm到900mm之間時，折流板外直徑等于公稱直徑減去4.5mm[4]，在本設(shè)計中冷凝器的公稱直徑為800mm，即取折流板外直徑為795.5mm。4.9.3.7折流板孔直徑當(dāng)管子外徑為25mm時，折流板孔直徑為25.6mm，允許偏差為+0.4mm。4.9.3.8折流板缺口折流板的缺口弦高一般是0.10～0.40倍的圓筒內(nèi)徑。在臥式冷凝器中，折流板的缺口角度一般為90℃，弦高為15～20cm[4]。本設(shè)計取弦高為17cm。4.9.3.9流板的間距折流板間的最小間距一般不小于殼體內(nèi)徑的五分之一，且不小于50mm。本設(shè)計中，殼體內(nèi)徑為800mm，即折流板間的最小間距不小于160mm。而我國系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的板間距有3種：150mm、300mm、600mm（固定管板式）。因此本設(shè)計中取板間距為600mm。根據(jù)所確定的關(guān)于主體設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)尺寸，繪制管殼式冷凝器的結(jié)構(gòu)圖以及花板布置圖（見附錄）。5設(shè)計結(jié)果概要表冷凝器項(xiàng)目指標(biāo)類型臥式殼管式冷凝器冷凝器內(nèi)徑800mm冷凝器壁厚15mm管材型號φ25×2.5mm碳素鋼管管長1140mm總管數(shù)190根每程管數(shù)38根管程5程隔板厚度15mm管心距32mm偏轉(zhuǎn)角8°管子排列方式正三角形排列折流板格數(shù)9個制冷劑類型氨流入空間選擇由上部進(jìn)入管束外部空間，冷凝后由下部排出冷凝溫度24℃蒸發(fā)溫度-10℃過冷溫度20℃冷卻劑類型河水流入空間選擇管程流速1.173m/s進(jìn)口溫度15℃出口溫度21℃冷卻水阻力4.45mH2O6對設(shè)計的評價及問題討論6.1對設(shè)計的評價（1）本設(shè)計的冷凝器為水冷式臥式管殼式冷凝器（氨），經(jīng)過核算本設(shè)計基本符合設(shè)計的要求，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到要求，具有一定的可行性。（2）本設(shè)計中的安全系數(shù)值（9.69%）,安全系數(shù)適中。冷卻水阻力（4.45mHO）阻力較小。在流速上，本設(shè)計的流速（1.173）比較大，比較不容易結(jié)污垢，但可能造成能量的浪費(fèi)。在管子數(shù)目方面，本設(shè)計管數(shù)為5，較小，殼體內(nèi)徑較小，可減少購置鋼管及外殼的成本。（3）本設(shè)計的設(shè)備成本方面，跟其他同學(xué)相比，本設(shè)計為190根。相比之下，本設(shè)計在設(shè)備投資方面較經(jīng)濟(jì)。（4）在排列管道的方式上，本設(shè)計采用正三角排法，因?yàn)檎切闻帕蟹ㄔ谝欢ǖ墓馨迕娣e上可以配置較多管子數(shù)，而且便于劃線和鉆孔。但管程為單程，畫圖較為不方便。（5）Δt的大小主要由冷卻水的進(jìn)出口溫度、冷凝劑的冷凝溫度決定。從中可以看出它的取值非常重要，同時還涉及傳熱系數(shù)的數(shù)值，因此要擇最佳溫度以確保合適的平均溫差Δt。本設(shè)計由于計算次數(shù)有限，未能進(jìn)行多次的選擇，所得數(shù)據(jù)未必最佳。若用計算機(jī)編程對三者進(jìn)行篩選，