食品工程原理課程設(shè)計報告書

1、食品工程原理課程設(shè)計-管殼式冷凝器設(shè)計食品工程原理課程設(shè)計任務(wù)書 2流程示意圖 3設(shè)計方案的確定 4冷凝器的造型計算 6核算安全系數(shù) 8管殼式冷凝器零部件的設(shè)計10設(shè)計概要表12主要符號表 13主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖 14設(shè)計評論及討論 14參考文獻15一）食品科學(xué)與工程設(shè)計任務(wù)書、設(shè)計題目：管殼式冷凝器設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)：將制冷壓縮機壓縮后制冷劑（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)計條件：1、冷庫冷負荷 Q0=1700KW ；2、高溫庫，工作溫度04C,采用回?zé)嵫h(huán)；3、冷凝器用河水為冷卻劑，取進水溫度為 2628C；4、傳熱面積安全系數(shù) 5 15%。四、設(shè)計

2、要求：1. 對確定的設(shè)計方案進行簡要論述；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；4. 計算阻力；5. 編寫設(shè)計說明書（包括：.封面；.目錄；.設(shè)計題目；流程示意圖；流程及方案的說明和論證；設(shè)計計算及說明；主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖； 設(shè)計結(jié)果概要表；對設(shè)計的評價及問題討論；參考文獻。）6. 繪制工藝流程圖、管殼式冷凝器的的結(jié)構(gòu)（ 3 號圖紙）、花板布置圖（ 3 號 或 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?zé)嵫h(huán)，共分為4個階段,分別是壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)。12 由蒸發(fā)器所產(chǎn)生的低壓低溫蒸汽被壓縮機吸入壓縮機氣缸，經(jīng)壓縮

3、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)F 22不斷貯存在貯氨器中；4吒 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F 22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?zé)嵫h(huán)。本實驗采用臥式殼管式冷凝器，其具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好等特點。 所設(shè)計的臥式管殼式冷凝器采用管多程式結(jié)構(gòu)，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，減少冷卻水的用量。（三）設(shè)計方案的確定設(shè)計方案的確

4、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出口溫度的確定等。一、冷凝器造型與冷凝劑的選擇本次設(shè)計是以河水為冷卻劑，本人選擇氨高效臥式冷凝器為設(shè)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(xué)式為CHF?。，名稱為二氟一氯甲 烷，標(biāo)準(zhǔn)沸點為一408C，凝固溫度為一160C，不燃燒，不爆炸，無色，無味。 冷凝器型式的選擇：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(jié)構(gòu)緊湊，體積比立式殼管式的??；2、傳熱系數(shù)比立式殼管式

5、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、室布置，操作較為方便。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（F22）走殼程。三、流速選擇查得列管換熱器管水的流速，管程為0.53m/s,殼程0.21.5m/s2;根據(jù) 本設(shè)計制冷劑和冷卻劑的性質(zhì)， 綜合考慮冷卻效率和操作費用， 本方案選擇流速 為 1.5m/s。四、冷卻劑適宜出口溫度的確定任務(wù)書要求進水溫度為2628C，選擇進

6、口溫度=26 C。臥式冷凝器的 端部最大溫差（tk-t1）可取714 C,冷卻水進口溫差為410 Co提高冷凝器的傳熱平均溫差 tt2 - t1可以冷凝器的傳熱面積F QlQlKt q，從而減少傳熱面積、降低成本。前提是出口水溫度不能高于冷凝劑的冷凝溫度tk，跨程溫差小于28 Co所以確定出口水溫度=32 C,冷凝 劑（F22）的冷凝溫度tk=35 C五、冷凝劑的蒸發(fā)溫度和過冷溫度確定冷凝器的熱負荷QlQo，減少系數(shù)可以有效降低熱負荷。其中熱負荷系數(shù)受冷凝溫度和蒸發(fā)溫度影響，蒸發(fā)溫度 to提高，可以降低熱負荷系數(shù) 機 由于冷凝劑的蒸發(fā)溫度要比工作溫度低 810C,已知工作溫度為04C,即to取

7、 值-84C。綜上所述，確定蒸發(fā)溫度t0=-10C。冷凝器過冷一般不小于1C,取過冷溫度tg=32Co六、管體材料及管型的選擇選取規(guī)格為382.5的換熱器用普通無縫鋼管，則 do=38mm, di =33mm,S p2.5mm（四）冷凝器的造型計算冷凝器的任務(wù)是將壓縮機排出的高溫高壓氣態(tài)制冷劑冷卻使之液化、冷凝器的熱負荷QlQo式中：QL冷凝器的熱負荷；KwQo制冷量；Qo =1700kw。 數(shù)，與蒸發(fā)溫度to、冷凝溫度tK、氣缸冷卻方式以及制冷劑種類 有關(guān)。蒸發(fā)溫度to=-1OC，冷凝劑（F22）的冷凝溫度tk=35C，得系數(shù)（1=1.19Q l 總=1.19X 1700kw= 2023kw

8、。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，冷卻水在管流 動。QlQlK t q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，C；q單位面積熱負荷，w/ m2。，臥式管殼式（氟利昂）冷凝器的傳熱系數(shù) K = 800w/ （ m2 K）t2 ti32 26Intk t2ln淪35 32=5.45 C2023*1000800*5.45463.99 m2三、冷凝器冷卻水用量計算3600Kw/h水冷式冷凝器的冷卻水用量可以用下式求得:式中：QL冷凝器的熱負荷，Kw ;CP冷卻水的定壓比熱，KJ/ (kg K)，淡水取4.186;

9、右、t2冷卻水進、出冷凝器的溫度，K或C。QlCp 上2 ti則:體積流量M3600 =289966.56g/s。4.186 (32 26)冷卻水體積 V= M 0.081 m3/s ( p= 998 kg/m3)* 3600四、管數(shù)、管程數(shù)1. 管數(shù)由下式求得單程管子總數(shù)nVnd 2u4式中：V 管流體的體積流量，m3 /s;d管子直徑，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382.5的熱交換用普通無縫鋼管，其徑d= 33mm。而流體的流速u= 1.5 m/&則：n0.08163.17,取整 n=643.14 nd0.0332 1.54.取整后的實際流速u4Vn

10、d24 0.0813.14 64 0.03321.48m/ s2. 管程數(shù)按單程冷凝器計算，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，F(xiàn)L69.97 m,64 3.14 0.033則：管程數(shù)為mLm l式中：L按單程計算的管長，m；l 選定的每程管長，m；按管材一般出廠規(guī)格為6m，則I可取1、1.5、2、3、6m 等，取 1= 6m。m=69.97/6=11.66,取整 m=12采用6管程后，冷凝器的總管數(shù) NT為：NT=n m=768根（五）核算安全系數(shù)一、雷諾數(shù)計算及流型判斷冷凝器冷卻水用量：MQl202380.55kg/sCp(t2 tj 4.186

11、(32 26)實際流速：u 1.48m/s雷諾數(shù)：Redu0.033 1.48 99880.12 1060836.65 104e六角形最外層管子中心到殼體壁的距離。一般取e=（ 11.5）所以流型為湍流。、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：Hfu2g式中：管道摩擦阻力系數(shù)，湍流狀態(tài)下，鋼管入=0.22Re-0.2;Z冷卻水流程數(shù)；L每根管子的有效長度，m；d管子直徑，m；u冷卻水在管流速，m/s；g重力加速度，m/s2 ；局部阻力系數(shù)，可近似取為工& =4ZHfd 2gu2g0.02724 1.480.0

12、33 2 9.8124 121.482 9.88.01m水柱三、安全系數(shù)1. 管外總傳熱面積:2A =Nt n d0l= 768 X 3.14X 0.038X 6 = 549.83 m2. 管總傳熱面積：2A = NTn dl = 768X 3.14X 0.033X 6 = 477.48m3. 實際總傳熱面積：A =( A1 + A2) /2=( 549.83+477.48) /2=513.66 m24. 理論總傳熱面積：a = Ql/(Kt)=463.99m25. 安全系數(shù)：A實際 A理(513.66-463.99) /463.99 X 100% = 10.7 %般要求安全系數(shù)為 3%15%

13、( 0.030.15)，故本設(shè)計合符要求。（六）管殼式冷凝器零部件的設(shè)計一 冷凝器阻力的計算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。HfL ul d 2g2 u 2g式中：入道的磨擦阻力系數(shù)：在湍流狀態(tài)下，鋼管 入=0.22R&0.2 ;本設(shè)計所用為鋼管則：入=0.22R&0.2=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管子直徑，m；di=0.02m；u冷卻水在管的流速，m/s；比=1.412 m/s；g重力加速度，m/s2Ec 部阻力系數(shù)，可近似取為：Ec =4

14、Z =45=24。,L u2 丁 u2HfZ=6.12mH2O。d 2g2g二. 殼體徑、厚度的計算1. 管心距、偏轉(zhuǎn)角查指導(dǎo)書的表8，管子外徑do=38mm，其管心距a=47mm，偏轉(zhuǎn)角a =7。2. 殼體徑殼體的徑應(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 體的徑。通常按下式確定殼體的徑：D=a （b 1）+ 2e式中：D殼體的徑，mm；a管心距，mm； do=0.025m對應(yīng) a=32;b最外層的六角形對角線上的管數(shù)；查表得，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=39。do本設(shè)計方案取e= 1do= 25 mm,故 D=a （b 1）+ 2e= 47X（3

15、9- 1）+ 2X1.4 33= 1878.4mm由于殼徑的計算值應(yīng)圓整到最靠近的部頒標(biāo)準(zhǔn)尺寸，查表得：取D = 2000mm3、殼體厚度PDs C式中：s夕卜殼壁厚，cm ；2 PP操作時的壓力，N/cm2 （表壓），根據(jù)壁溫查得為80.8N/cm2 ;（7 料的許用應(yīng)力， N/cm2 ;N/cm2單面焊縫）取0.7查得不銹無縫管YB804-70的許用應(yīng)力是13230焊縫系數(shù)，單面焊縫為0.65,雙面焊縫為0.85;（取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；D外殼徑，cm。1.64cm80.8* 20002 13230 0.65 80.8適當(dāng)考慮安全系數(shù)及開孔的

16、強度補償措施，決定取s=17mm三、熱量衡算1. 回?zé)嵫h(huán)：igPh3=h4hih2h圖1 壓焓圖設(shè)計過冷溫度tg=32C，查F22 （氟利昂）的壓焓圖、焓濕圖，得循環(huán)的1, 2,3, 4點的焓值分別為：h1=1484kJ/kg,h2 =1516kJ/kg, h3=h4 =292.65kJ/kg.2. 單位制冷量qo=h1-h4=1191.35kJ/kg,3. 制冷循環(huán)量G=Q l /q o =2O23/1191.35kg/s=1.704. 制冷劑的總放熱量Qk=G（ h2-h1）=2213.45kw5. 熱量衡算本方案符合設(shè)計要求：QkQ l（七）設(shè)計概要表類型項目指標(biāo)類型項目|指標(biāo)冷凝器冷

17、凝器類型臥式列管冷凝器冷 卻 劑管流速1.5m/s并聯(lián)臺數(shù)7進口溫度26 C殼體徑1878mm出口溫度32 C殼體壁厚0.17cm冷卻水用量88.55kg/s每臺機熱負荷2023kwRe60836.65安全系數(shù)10.7%冷卻水阻力6.12mH2O管 道換熱管類型38 2.5mm光滑無縫鋼管制 冷 劑氟利昂F22總管數(shù)768管外流速0.35m/s每程管數(shù)64蒸發(fā)溫度-10 C管程數(shù):12冷凝溫度1 35 C 1管長6過冷溫度32 C管子的排列方式正三角形排列單位制冷量1191.35kJ/kg管心距47mm制冷循環(huán)量0.4065kg/s偏心角7（八）主要符號表序號名稱符號單位序號名稱符號單位1焓i

18、kj/kg15殼體厚度smm2壓力PPa16單位制冷量qokj/kg3溫度tC17制冷循環(huán)量Gkg/s4流速um/s18熱負荷Qlkw5粘度Pa s19冷卻水用量Mkg/h6密度pkg/m320體積流量Vm3/s7阻力HfmH2O21P傳熱面積Apm2!8比熱CpJ/kg k-22汽化潛熱rkj/kg9管徑dm23污垢熱阻Rm2 k/w10管數(shù)n24P 導(dǎo)熱系數(shù)入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)aw/m2 k14殼體直徑Dmm（九）主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖蒸發(fā)器冷凝器併聯(lián)）流程及原理：經(jīng)壓縮機壓縮的氨氣先在冷凝器中被冷卻，向冷卻水放出熱量，然后流經(jīng)回?zé)崞鞅环盗魉M一步冷卻，并進入節(jié)流閥絕熱膨脹，壓縮氣體的壓力和 溫度同時下降。膨脹后的氨氣進入蒸發(fā)器，吸取被冷卻物體的熱量，即達到制冷 的目的。此后，氣體返流經(jīng)過回?zé)崞鳎瑝嚎s氣體進行熱交換后又進入壓縮機中 被壓縮。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，見附錄CAD圖（十）設(shè)計評論及討論本設(shè)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