食品科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計管殼式冷凝器設(shè)計

1、姓名：李長海班級：08食品科學(xué)與工程5班學(xué)號：200830600510指導(dǎo)老師：李璐設(shè)計時間：2010.12目 錄一設(shè)計題目（一）設(shè)計題目-4（二）設(shè)計任務(wù)-4（三）設(shè)計條件-4（四）設(shè)計要求-4二工藝流程圖及說明- 4三工藝流程方案及說明論證1、制冷劑的選擇-52.流體流入空間的選擇- 53.冷凝器的造型選擇- 64.流速的選擇-65.冷卻劑適宜出口溫度的確定-66.管束材料的選擇-6四、設(shè)計計算及說明1.1 冷凝器的選型計算1.1.1 冷凝器的熱負(fù)荷1.1.2 冷凝器的傳熱面積的估算1.1.3 冷凝器冷卻水用量的計算1.1.4 管數(shù)、管程數(shù)和管數(shù)的分程、管子的排列1.1.4.1 管數(shù)1.1

2、.4.2 管程數(shù)和總管數(shù)的確定1.1.4.3 管子在管板上的排列1.1.5 殼體直徑和厚度的計算1.1.5.1 殼體直徑的計算1.1.5.2 殼體厚度的計算1.2 設(shè)計核算1.2.1 熱量核算1.2.2 雷諾數(shù)和阻力核算1.2.3 安全系數(shù)核算六設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)果概要表-七設(shè)計的評價及問題討論-八主要參考文獻(xiàn) - 一 設(shè)計題目（一）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(jī)壓縮后的制冷劑（如f-22、氨等）過熱蒸汽冷氣，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(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04，采用回?zé)嵫h(huán)； 3冷凝器用河水為

3、冷卻劑，每班分別可取進(jìn)口水溫度： 1720（1班）、2124（2班）、2528（3班） 1316（4班）、912（5班）、58（6班）4傳熱面積安全系數(shù)515%；（四）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：封面；目錄；設(shè)計題目（任務(wù)書）；流程示意圖；流程及方案的說明和論證；設(shè)計計算及說明（包括校核）；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(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）二 流程示意圖三 流程和方案的說明和論證

4、1 制冷劑的選擇制冷劑又稱制冷工質(zhì)，是制冷循環(huán)的工作介質(zhì)，利用制冷劑的相變來傳遞熱量，既制冷劑在蒸發(fā)器中汽化時吸熱，在冷凝器中凝結(jié)時放熱。當(dāng)前能用作制冷劑的物質(zhì)有80多種，最常用的是氨、氟里昂類、水和少數(shù)碳?xì)浠衔锏??？紤]到制冷劑的實用性和經(jīng)濟(jì)性，最終選擇氨作為此次制冷循環(huán)的制冷劑，原因主要有以下幾個方面：（1）、氨（r717、nh3）是中溫制冷劑之一，當(dāng)冷卻水溫度達(dá)30時，冷凝器中的工作壓力一般不超過1.5mpa；（2）、氨的臨界溫度較高（tkr=132）。氨的汽化潛熱大，在大氣壓力下為1164kj/kg，單位容積制冷量也大，氨壓縮機(jī)尺寸可以較小；（3）、純氨對鋼鐵無腐蝕作用，但當(dāng)氨中含有水

5、分時將腐蝕銅和銅合金（磷青銅除外），故在氨制冷系統(tǒng)中對管道及閥件均不采用銅和銅合金；（4）、氨在常溫下不易燃燒。2 流體流入空間的選擇根據(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，本實驗中確認(rèn)了冷卻時河水，河水比較臟，硬度也比較高，受熱后易結(jié)垢，流管內(nèi)便于清洗，所以選擇冷卻水走管程，氨走殼程。3 冷凝器的造型選擇由于臥式冷凝器具有大、中、小型氨的制冷裝置都可采用，結(jié)構(gòu)緊湊和傳熱效果等優(yōu)點，所以選擇它作為冷凝器的造型。4 流速的選擇 根據(jù)設(shè)計指導(dǎo)中的表1列管換熱器內(nèi)常用的流速范圍，綜合考慮盡可能使流動的re1

6、04，加上流速增大，流體流動產(chǎn)生湍流，有利于傳熱膜系數(shù)的增大，同時還可以減少污垢在管子表面沉積的可能性，從而降低污垢熱阻而使k值提高，所需傳熱面積減少，設(shè)備投資費減少。但過大的流速會使流動阻力增加，動力消耗增加，增加生產(chǎn)成本等原因，選擇冷卻劑的流速為1.2m/s.5 冷卻劑適宜出口溫度的確定 根據(jù)設(shè)計要求，冷卻劑的進(jìn)口溫度必須在912，根據(jù)廣州河水的實際情況，取進(jìn)口溫度為12，對于出口溫度的選擇主要根據(jù)選擇河水做冷卻劑，選用較低的出口溫度可使傳熱的平均溫差較大，所需傳熱面積較少，設(shè)備費用也減少，還有設(shè)計選擇的冷凝器類型是臥式水冷式冷凝器，溫差最好控制在420，綜合考慮之后選擇冷卻劑的出口溫度為

7、16.6 管束材料的選擇 目前較為常見的管束材料有銅和鋼兩種，由于氨氣會腐蝕銅，所以選擇用252mm的不銹無縫鋼管作為管束材料。四 設(shè)計計算和說明1.1 冷凝器的選型計算1.1.1 冷凝器的熱負(fù)荷根據(jù) kw，式中 ql冷凝器的熱負(fù)荷；q0制冷量；已知q0=1000kw.根據(jù)提前設(shè)定好的氨的冷凝溫度蒸發(fā)溫度=-10，可在圖3b中查得得到=1.081.所以冷凝器的熱負(fù)荷1.1.2 冷凝器的傳熱面積的估算在水冷式冷凝器中，臥式管殼式冷凝器的制冷劑在管外冷凝，冷卻水在管內(nèi)流動。其傳熱面積可用下式計算：，式中q為單位面積熱負(fù)荷，w/m2；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)，

8、；傳熱平均溫差，；根據(jù)表4各種冷凝器的熱力性能，取k=750，由下式求得：將和k值代入到f值的求導(dǎo)式中，就可大致估算出傳熱面積為211.96。1.1.3 冷凝器冷卻水用量的計算水冷式冷凝器的冷卻水用量可由下式求得：其中冷卻水的定壓比熱，kj/()；淡水可取4.186，海水取4.312；本設(shè)計用河水作為冷凝水，則= kj/()。所以可得到冷凝器中冷卻水的用量m為1.1.4 管數(shù)、管程數(shù)和管數(shù)的分程、管子的排列1.1.4.1 管數(shù)選定了管內(nèi)流速和管徑后，可由下式求得單程管子總數(shù)n：其中v為管內(nèi)流體的體積流量，；d為管子內(nèi)直徑，m；u為流體流速，m/s。又，所以1.1.4.2 管程數(shù)和總管數(shù)的確定按

9、單程冷凝器算，管速長度為l，則，本設(shè)計中由于長徑比l/d38，所以采用多管程解決。管數(shù)m，則采用多管程后，冷凝器的總管數(shù)nt1.1.4.3 管子在管板上的排列（1）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(dāng)殼程流體是不污濁性介質(zhì)時，采用正三角形。氨符合這一要求，故將管子在管板上排列方式取正三角形法。（2）管心距根據(jù)設(shè)計指導(dǎo)書中采用脹接法amin1.25 d0，即amin31.25mm，另外還要考慮作花板布置的空間，最外層管中心至殼體內(nèi)表面的距離不應(yīng)小于(d0+100)mm=112.5mm由此，根據(jù)表7選取管心距a=32mm（3）偏轉(zhuǎn)角度當(dāng)臥式冷凝器的殼程為蒸汽冷凝

10、，且管子按等邊三角形排列時，為了減少液膜在列管的包角及液膜厚度，管板在設(shè)置時，其軸線應(yīng)與設(shè)備的水平軸線偏轉(zhuǎn)一定的角度，即偏轉(zhuǎn)角度。根據(jù)設(shè)計書的表8和所選的管徑、管心距，選擇1.1.5 殼體直徑和厚度的計算1.1.5.1 殼體直徑的計算殼體內(nèi)徑：，其中：d為殼體內(nèi)徑，mm；a為管心距,mm；b為最外層的六角形對角線上的管數(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=(11.5)d0，本設(shè)計取e=1.5d0。則，d=32(27-1)+37.52=907mm1.1.5.2 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：其中：s為外殼壁厚，cm；p為操作時之內(nèi)壓力，n/cm2；為

11、材料的許用應(yīng)力，n/cm2；為焊縫系數(shù)，單面焊縫=0.65，雙面焊縫=0.85，此設(shè)計選擇雙面焊縫；c腐蝕裕度，其值在(0.10.8)cm之間，此處取0.7cm；d外殼內(nèi)徑，cm。操作時的內(nèi)壓力主要是有氨氣引起的，所以通過查詢氨的壓焓圖，得到氨在該操作條件下的絕對壓力為85 n/cm2，所以p=85-10.13=74.87 n/cm2所以滿足設(shè)計指導(dǎo)書中表9的最小壁厚12mm的要求，設(shè)計合理。1.2 設(shè)計核算1.2.1 熱量核算1.2.2 雷諾數(shù)和阻力核算（1）冷卻水在殼程內(nèi)流動，其雷諾數(shù)re為滿足設(shè)計的要求。（2）冷凝器的阻力計算只需計算管程冷卻水的阻力，當(dāng)冷凝器的結(jié)構(gòu)尺寸確定之后，即可按下

12、式計算冷卻水的阻力：其中：為管道的摩擦阻力系數(shù)，本設(shè)計使用鋼管=0.22re-0.2；z為冷卻水流程數(shù)；l為每根管的有效長度；d為管子內(nèi)徑u為冷卻水在管內(nèi)的流速，m/s；g為重力加速度，m/s2局部阻力系數(shù)，可取近似值=4z。所以：1.2.3 安全系數(shù)核算（1）傳熱系數(shù)的核算光管水冷凝器的傳熱系數(shù)，以管外表面積為基準(zhǔn)k0可用下式求得：其中：式中 a0為管外制冷劑冷凝膜系數(shù)， w/m2k；ai為管內(nèi)冷卻水的傳熱系數(shù)， w/m2k；a0為基管外表面積，m2；ai為基管內(nèi)表面積，m2；am為基管平均面積（實際傳熱面積），m2；ri為水側(cè)垢層熱阻，查閱課程設(shè)計指導(dǎo)書表5，水流速度大于1m/s的澄清的河

13、水的熱阻值為0.1810-3k/w；ro為制冷劑側(cè)污垢熱阻，k/w;因為冷劑為氨，可取ro0.3510-30.610-3 ；此處取p管壁厚度，0.002m；p管壁導(dǎo)熱系數(shù)，采用鋼，43.15w/mk。除了可以直接取得的量外，要計算傳熱系數(shù)還要計算、a0、ai、am的值。于是有：為制冷劑的冷凝膜傳熱系數(shù)，根據(jù)食品工程原理課本中的公式，其可以通過下式求得其中根據(jù)本實驗的操作溫度（），查得：所以 w/m2k 可由下式求得：其中，根據(jù)操作條件求得 kj/（kg.k）。所以： w/m2k因此可以求得傳熱系數(shù)=740.4此結(jié)果與設(shè)計要求的傳熱系數(shù)必須在700到900之間的設(shè)計要求吻合，符合生產(chǎn)實際。（2）安全系數(shù)根據(jù)化工原理課本：所以本設(shè)計的安全系數(shù)滿足安全系數(shù)滿足設(shè)計要求。五 設(shè)計結(jié)果概要表項目指標(biāo)冷凝器冷凝器類型臥式殼管式冷凝器冷凝器內(nèi)徑907殼體壁厚30.3管板壁厚18.75m