食品工程原理課程設(shè)計 管殼式冷凝器

1、食品工程原理課程設(shè)計 目 錄一、課程設(shè)計任務(wù)書（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。（三）設(shè)計條件：1. 冷庫冷負荷Q0=學(xué)生學(xué)號最后2位數(shù)X100(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(5班)；4.傳熱面積安全系數(shù)515。二、流程示意圖及說明流程說明：制冷機是利用液體汽化時吸熱的原理來工作的，制冷機的全套裝置包括：壓縮機，冷凝器，

2、回?zé)崞鳎?jié)流閥，蒸發(fā)器。壓縮式制冷機的制冷過程分為壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)4個階段。低壓低溫蒸汽在壓縮機內(nèi)壓縮成高壓高溫的過熱蒸汽，為等熵過程（12），該蒸汽溫度高與環(huán)境介質(zhì)的溫度，其壓力使制冷劑蒸汽能在常溫下冷凝成液體狀態(tài)，排至冷凝器時，經(jīng)冷卻，冷凝成高壓的制冷劑液體把熱量傳給冷卻水，為等壓過程（24）.高壓液體通過膨脹閥因節(jié)流而降壓，同時制冷劑液體因沸騰蒸發(fā)吸熱，其本身溫度也相應(yīng)下降，為等焓過程（44）。將該低壓低溫的制冷劑液體引入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，發(fā)生冷效應(yīng)，使周圍空氣及物料溫度下降，為等壓等溫過程（51）。從蒸發(fā)器出來的低壓低溫蒸汽重新進入壓縮機，即完成一次制冷循環(huán)。 流程示意圖如圖1所示

3、:圖1 回?zé)嵫h(huán)制冷原理圖三、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、冷卻劑的選擇以及其進出口的溫度的確定等。1. 制冷劑的選擇 工業(yè)上常用的制冷劑有氨（NH3）、氟利昂-12（CF2Cl2）、氟利昂-22（CHF2Cl）等。 此設(shè)計中選用氨（NH3）為制冷劑。其正常的蒸發(fā)溫度為33.4，使用范圍是+5-70，氨易溶于水，在常溫下，一個單位容積的水可以溶解700個單位溶劑的氨，因此排除了形成冰塞的可能性。純氨對鋼鐵無腐蝕作用。另外氨的比重小，與氟利昂制冷系統(tǒng)比較，其流動截面積可以大為縮小。由于氨制造容易，價格低廉、容易購買、環(huán)保，所以廣

4、泛應(yīng)用于蒸發(fā)溫度在65以上大型、中型、制冷式壓縮機中3。基于以上優(yōu)點，所以選用氨。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，可以確定冷卻水走管程。在此設(shè)計中氨（NH3）走殼程，冷卻介質(zhì)（河水）走管程。3.流速的選定流速增大，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。因此，選擇正確的流速十分重要,一般盡可能使流體的雷諾常數(shù)

5、Re104,高粘度的流體按滯流設(shè)計。根據(jù)一般液體走管程流速大概在0.53 m/s。另根據(jù)水在室溫下的粘度范圍查得液體流速范圍在1.1m/s1.5m/s。此設(shè)計中初選用流速為1.4m/s。4.冷凝器的選型臥式管殼式屬于水冷式冷凝器,這種冷凝設(shè)備的冷卻效果好，耗水量較小，傳熱系數(shù)大,同時由于高度低便于安裝在室內(nèi)，操作管理方便。目前大、中型氨制冷系統(tǒng)及氟利昂制冷系統(tǒng)多采用這種冷凝器.因此此設(shè)計選用臥式管殼式冷凝器。5.冷凝溫度tk 、冷卻劑適宜出口溫度t2的確定、平均溫差t、蒸發(fā)溫度t0的確定根據(jù)指導(dǎo)書要求2班取進口水溫度2124，此處t 1選用22。制冷劑的冷凝溫度和冷卻劑的進出口溫度的確定十分重

6、要，因為其涉及到經(jīng)濟問題。從運行費來說，冷凝溫度越低制冷系數(shù)越大，可以減少壓縮劑的耗電量；從設(shè)備投資來看，在冷負荷一定時，傳熱系數(shù)越大，傳熱平均溫差越大，所需要的傳熱面積越少，冷凝器的初投資越低。這方面正好和運行費用相矛盾，故應(yīng)全面權(quán)衡。綜合考慮后選定進口溫度t1=22。（1） 冷凝溫度tk：冷凝溫度取決于冷卻水溫度、水量、水的流速、冷凝面積、壓縮機的排氣量、空氣、水垢等因素。根據(jù)指導(dǎo)書中所提的臥式管殼式冷凝器冷凝溫度的選擇范圍（tk-t1）可取714，此設(shè)計冷凝溫度tk選用32。（2） 冷卻劑適宜出口溫度t2：根據(jù)指導(dǎo)書中所提的臥式管殼式冷凝器進出口溫度的選擇范圍可取410，此設(shè)計的出口溫度

7、t2選為29。（3）平均溫差t：確定了冷凝溫度tk、冷卻水的進出口溫度后,可以根據(jù)下式計算平均溫差:（4）蒸發(fā)溫度t0的確定：查閱食品工程原理和相關(guān)資料可知：蒸發(fā)溫度一般應(yīng)比庫內(nèi)溫度低818，冷庫為高溫庫，其溫度定為0，則選定氨氣的蒸發(fā)溫度t0為10。冷卻水的定性溫度tf = （t1+t2）/2=25.5。綜上：t0=-10，t1=22，t2=29，tk=32，tf =25.5。6.管道材料及管型的選定由于要防止氨的一定腐蝕性，則選定管道材料為無縫不銹鋼，而其管徑則選取252.5mm,管內(nèi)徑di=20，管外徑d0=25，管壁厚度p=2.5，不銹鋼管p=45.4w/(mk)四、冷凝器設(shè)計計算及說

8、明1冷凝器的熱負荷QL冷凝器的熱負荷是制冷劑的過熱蒸汽在冷凝過程所放出的總熱量。并可用下式簡化計算。 根據(jù)設(shè)計要求，冷庫冷負荷Q0=學(xué)生學(xué)號最后2位數(shù)X100(KW)，所以Q0=13100=1300(kw)。由于1300KW數(shù)值過大，計算出來的管數(shù)太多，所以本設(shè)計用2臺冷凝器并聯(lián)的方式。則Q0=(kw)QL=Q0 kw式中: QL -冷凝器的熱負荷 kw Q0 -制冷量 kw；此處為650kw -系數(shù),與蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、汽缸冷卻方式及制冷劑的種類有關(guān)?？梢詮脑O(shè)計指導(dǎo)書中圖3查得=1.17， QL =6501.17kw=760.5kw2. 冷凝器的傳熱面積計算 在水冷式冷凝器中，臥式管殼冷凝

9、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：式中： F 冷凝器得傳熱面積， m2； QL冷凝器得熱負荷， w； K 傳熱系數(shù)，w/ m2.；（由指導(dǎo)書P6的表4中取800 w/ m2. ） t 傳熱平均溫差，； q 熱流密度，w/ m2。傳熱面積 m23. 冷凝器冷卻水用量 水冷式冷凝器的冷卻水用量可用下式求得： /h式中：QL冷凝器的熱負荷， kw； Cp冷卻水的定壓比熱，kJ/kgK；此處用淡水的， 取4.186 kJ/kgK t1 、t2冷卻水進出冷凝器的溫度，K或；（t1=22，t2=29） /h4管數(shù)、管程數(shù)和管子的排列（1）管數(shù) 選定了管內(nèi)流速和管徑后，可用下式求

10、得單程管子總數(shù)n:式中：V -管內(nèi)流體的體積流量，m3/s；d -管子內(nèi)直徑， m；u -流體流速， m/s。-冷卻水定性溫度下河水的密度，在25.5時，=996.9 kg/m3/h=25.958 /sV=M/=25.958/996.9=0.0261m3/s 根，圓整到60根。（2）管程數(shù) 按單程冷凝器計算，管束長度為L，則：式中：F 傳熱面積， ； 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(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。管程數(shù)為m，則：m=L/l式中：L-按單程計算的管長，m；l-選定的每程管長，m?？紤]到管材的合理利用，按管材一般出廠規(guī)格為6m長

11、，則l可取為1，1.5，2，3，6m等。此處選用l=6m， 算出的m取整數(shù)。 m=L/l=41.37/6=6.9, 圓整到7（設(shè)計時采用6程）（3）總管數(shù)總管數(shù)Nt=nm=607=420（根）（4）管子在管板上的排列方式及管心距，偏心距管的排列方式：每臺冷凝器總管數(shù)為420根，考慮到分層隔板會占有一定的面積，為使到排列均勻,所以采用排列方式為正三角形法，并且六角形層數(shù)為11層,采用兩臺冷凝器并聯(lián)方式。具體詳圖見圖紙。管心距：采用的管徑是252.5mm，根據(jù)指導(dǎo)書的數(shù)據(jù)以及花板排列的需要,管心距最小管心距一般采用下式計算：焊接法：amin1.25do ，并且本設(shè)計中管子的連接方法采用焊接法。但考

12、慮到花板布置時管與管間有隔板的插入，所以相應(yīng)地管心距要選得大些。根據(jù)指導(dǎo)書P13表7，選用amin=32mm偏轉(zhuǎn)角: 當(dāng)臥式冷凝器的殼程為蒸汽冷凝，且管子按等邊三角形排列時，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。根據(jù)指導(dǎo)書P13表8，偏轉(zhuǎn)角為：=7（5）殼體直徑和殼體厚度的計算殼體直徑殼體的直徑應(yīng)等于或稍大于管板的直徑。所以，從管板的計算可以決定殼體的內(nèi)徑。通常用下式確定：D=a(b-1)+2e式中：D-殼體內(nèi)徑，mm；a-管心距， mm； b-最外層的六角形對角線上的管數(shù)，查指導(dǎo)書P12表6本設(shè)計為23根e-六角形最外層管子中心到殼體內(nèi)壁的

13、距離。一般取e=（11.5）d0，本設(shè)計取e=125=25.則D=a(b-1)+2e=32（23-1）+225=754 mm，將D圓整到部頒標準尺寸，由指導(dǎo)書P13表9可得D = 800 mm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,P-操作時的內(nèi)壓力，N/cm2（表壓）-材料的許用應(yīng)力；-焊縫系數(shù)，單面焊縫=0.65 雙面焊縫=0.85,此處選用單面焊縫的0.65；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, 此處選用0.5cm； Di-外殼內(nèi)徑，80cm.算出殼體厚度后。還應(yīng)該適當(dāng)考慮安全系數(shù)，以及開孔的強度補償措施，一般都

14、應(yīng)大于指導(dǎo)書P13表九的最小厚度值。S 12m(標準最小厚度值),符合設(shè)計要求。6. 計算校核（1）實際流速（2）雷諾數(shù) di冷凝管內(nèi)徑，m； u水流速度，m/s； 密度，kg/m3； 粘度，Pas；用水的定性溫度tf25.5查得式中的值：=996.9 kg/m3，=90.2610-5 Pas符合要求，流體的流動狀態(tài)是湍流。（3）傳熱系數(shù)K值的核算式中：0管外制冷劑冷凝膜系數(shù)，w/（m2K）；i管內(nèi)冷卻水的傳熱膜系數(shù)，w/（m2K）；Ao基管外表面積，m2 ；Ai基管內(nèi)表面積，m2 ；Am基管平均面積，m2 ；p管壁厚度，m；p管壁導(dǎo)熱系數(shù)，w/（mK），由查表得p=45.4 w/（mK）Ro

15、制冷劑側(cè)污垢熱阻，m2K/w，本設(shè)計的制冷劑是氨，根據(jù)指導(dǎo)書的范圍（0.3510-30.610-3），選0.610-3 m2K/w； Ri水側(cè)垢層熱阻，m2K/w，根據(jù)指導(dǎo)書P12表5，澄清河水的Ri=0.1810-3m2K/w； Ao、Ai、Am的計算A0=d0lNT=3.142.510-26420=197.82 m2Ai=dilNT=3.142.010-26420=158.26 m2因為/=1.25所以Am=178.04 m2 i的計算其中Cp、由水的定性溫度tf25.5查得 : Cp= J/kg ,=w/(mk), =9.02610-4 PasP=6.23Nu=0.023Re0.8 P0

16、.4=0.0230.86.230.4= 184.83 W/(m2K)i=5616.98W/(m2K)0的計算0=0.725()0.25式中、分別為冷凝液的粘度、熱導(dǎo)率、密度和汽化潛熱; t、Z、分別為冷凝液的飽和溫度和壁面溫度之差、管的高度和管子的外徑； n=0.6 NT0.5；此時twn=+ =26.6t=tKtwn=32-26.6=5.4此時定性溫度tf=tK-（t/2）=32（5.4/2）=29.3查表得：=1.38010-4 Ns/ m2，=0.47595w/（mK），=595.955kg/ m3，=1147.595kJ/kg n=0.6 NT0.5=0.64200.513=8.372

17、104 W/(m2K)=+6.0104+(1.810-4+)-1=729.93W/(m2K)（4） 傳熱面積安全系數(shù)的驗證m2實際的面積：A0=d0lNT=3.142.510-26420=197.82 m2則:安全系數(shù)I=100%=9.46% 符合515%的要求。（5）長徑比的驗算 L/D式中：L每程管長，m； D殼體內(nèi)徑，m；L/D = 7.5 符合指導(dǎo)書上38 范圍要求，設(shè)計合理。（6）阻力的計算冷凝器的阻力計算只需計算管程冷卻的阻力，殼程為制冷劑蒸汽冷凝過程，可不計其流動阻力，按下式計算：式中：管道摩擦阻力系數(shù)；Z冷卻水流程數(shù)，6；L每根管子的有效長度， m；d管子內(nèi)直徑, m；u冷卻水

18、在管內(nèi)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。湍流狀態(tài)下，鋼管=0.22Re-0.2=0.22-0.2=0.0287.22 mH2O 7. 熱量衡算i圖2 壓焓圖冷凝水進口溫度為22，出口溫度為29，冷凝溫度為32，蒸發(fā)溫度為-10，根據(jù)氨的過冷溫度一般比進口溫度高35，選用氨的過冷溫度27。則得出：t1=10，t3=t4=32，t4/=27。查氨的壓焓圖得：h1=1450kJ/kg，hh2=1656 kJ/kg，h3=1480 kJ/kg，h4= h5=355 kJ/kg。根據(jù)過熱段的焓差與過冷段的焓差相同可以查得：H1=1490kJ/kg，h2=1670

19、kJ/kg，h4= h5=317 kJ/kg。單位制冷量q0= h1 h 5=1450321=1129 kJ/kg循環(huán)制冷量G=0.5314kg/sQ放=G(h2h4)= 0.5314（1670357）697.73kwQ吸G(h1h 5)+G（ h2h 1)0.5314(145031716701490)697.73 kwQ放= Q吸 即熱量平衡，符合要求。五、 主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖冷凝器的花板布置圖及臥式殼管式冷凝器結(jié)構(gòu)圖（附圖）六、設(shè)計結(jié)果概要表表1 設(shè)計結(jié)果概要表項目結(jié)果項目結(jié)果冷凝器類型臥式管殼式冷凝器換熱管規(guī)格252.5不銹無縫鋼管蒸發(fā)溫度-10 冷凝溫度20冷卻水進口溫度12冷卻水出口溫度16冷凝器的熱負荷776.25kw雷諾準數(shù)24800.15傳熱平均溫差6.48制冷劑氨冷卻水流速1.39m/s冷卻水用量0.0463m3/s管程數(shù)4管長6m流程管數(shù)106總管數(shù)420根管心距31.25管的排列方式正三角形殼體外殼厚度15mm 偏轉(zhuǎn)角6.4殼體內(nèi)直徑800實際傳熱面積199.70外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)746.61w/k長徑比7.5安全系數(shù)9.70