食品工程原理課程設(shè)計(jì)

1、食品工程原理課程設(shè)計(jì)-管殼式冷凝器設(shè)計(jì)目 錄 食品工程原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2流程示意圖3設(shè)計(jì)方案的確定4冷凝器的造型計(jì)算6核算安全系數(shù) 8管殼式冷凝器零部件的設(shè)計(jì)10設(shè)計(jì)概要表 12主要符號表 13主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖 14設(shè)計(jì)評論及討論14參考文獻(xiàn)15（一）食品科學(xué)與工程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：管殼式冷凝器設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)：將制冷壓縮機(jī)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(jì)條件：1、冷庫冷負(fù)荷Q0=1700KW；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，取進(jìn)水溫度為2628；4、傳熱面積安全系數(shù)515%。四、設(shè)計(jì)要求：1.對

2、確定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(jì)算阻力；5. 編寫設(shè)計(jì)說明書（包括：.封面；.目錄；.設(shè)計(jì)題目；.流程示意圖；.流程及方案的說明和論證；設(shè)計(jì)計(jì)算及說明；主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；設(shè)計(jì)結(jié)果概要表；對設(shè)計(jì)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)。1 2 由蒸發(fā)器內(nèi)所產(chǎn)生的低壓低溫蒸汽被壓縮機(jī)吸入壓縮機(jī)氣缸，經(jīng)壓縮后溫度升高；2 3 高溫高壓

3、的F22蒸汽進(jìn)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(jìn)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(jī)吸入，從而形成一個循環(huán)。51是一個回?zé)嵫h(huán)。本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。所設(shè)計(jì)的臥式管殼式冷凝器采用管內(nèi)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(jìn)，出口水的溫差，減少冷卻水的用量。（三）設(shè)計(jì)方案的確定設(shè)計(jì)方案的確定包括制冷劑的選擇、冷凝器型式的選擇、流體流

4、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。一、冷凝器造型與冷凝劑的選擇本次設(shè)計(jì)是以河水為冷卻劑，本人選擇氨高效臥式冷凝器為設(shè)計(jì)對象。此冷卻系統(tǒng)的原理是將壓縮機(jī)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CHFCl，名稱為二氟一氯甲烷，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為40.8，凝固溫度為160，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(diǎn)是：1、結(jié)構(gòu)緊湊，體積比立式殼管式的??；2、傳熱系數(shù)比立式殼管式的大；3、冷卻水進(jìn)、出口溫差大，耗水量少；4、為增加其傳熱面積，F(xiàn)

5、-22所用的管道采用低肋管；5、室內(nèi)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內(nèi)水的流速，管程為0.53m/s，殼程0.21.5m/s2；根據(jù)本設(shè)計(jì)制冷劑和冷卻劑的性質(zhì)，綜合考慮冷卻效率和操作費(fèi)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(jìn)水溫度為2628，選擇進(jìn)口溫度=26°C。臥式冷凝器的端部最大溫差（t-t）可取714°

6、C，冷卻水進(jìn)口溫差為410°C。提高冷凝器的傳熱平均溫差可以冷凝器的傳熱面積，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t，跨程溫差小于28°C。所以確定出口水溫度=32°C，冷凝劑（F22）的冷凝溫度t=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(fù)荷，減少系數(shù)可以有效降低熱負(fù)荷。其中熱負(fù)荷系數(shù)受冷凝溫度和蒸發(fā)溫度影響，蒸發(fā)溫度t提高，可以降低熱負(fù)荷系數(shù)。由于冷凝劑的蒸發(fā)溫度要比工作溫度低810，已知工作溫度為04，即t取值-8-4。綜上所述，確定蒸發(fā)溫度t=-10。冷凝器內(nèi)過冷一般不小于1，取過冷溫度t=32。六、

7、管體材料及管型的選擇選取規(guī)格為38×2.5的換熱器用普通無縫鋼管，則d=38mm，d=33mm，p=2.5mm（四）冷凝器的造型計(jì)算冷凝器的任務(wù)是將壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣態(tài)制冷劑冷卻使之液化。一、冷凝器的熱負(fù)荷 式中：QL冷凝器的熱負(fù)荷；Kw制冷量； =1700kw。系數(shù)，與蒸發(fā)溫度t、冷凝溫度t、氣缸冷卻方式以及制冷劑種類有關(guān)。蒸發(fā)溫度t=-10，冷凝劑（F22）的冷凝溫度t=35，得系數(shù)=1.19。Q總=1.19×1700kw= 2023kw。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，冷卻水在管內(nèi)流動。式中：F冷凝器的傳熱面積，m； K

8、傳熱系數(shù)，w/（m·K）； t傳熱平均溫度差，； q單位面積熱負(fù)荷，w/ m。，臥式管殼式（氟利昂）冷凝器的傳熱系數(shù)K800w/（m·K）。 =5.45 三、冷凝器冷卻水用量計(jì)算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(fù)荷，Kw； CP冷卻水的定壓比熱，KJ/（kg·K），淡水取4.186； 、冷卻水進(jìn)、出冷凝器的溫度，K或。則:體積流量=289966.56g/s。冷卻水體積V=m3/s（998 kg/m3）四、管數(shù)、管程數(shù)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，m3 /s;d管子內(nèi)直徑，m；u流體流速，m/s；查“熱

9、交換器用普通無縫鋼管”表1，選取規(guī)格為38×2.5的熱交換用普通無縫鋼管，其內(nèi)徑d33mm。而流體的流速u1.5 m/s。則：,取整n=64. 取整后的實(shí)際流速2.管程數(shù) 按單程冷凝器計(jì)算，管速長度為L，則式中：F傳熱面積，m；A取預(yù)算傳熱面積；其他符號同前，m，則：管程數(shù)為m 式中：L按單程計(jì)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l可取1、1.5、2、3、6m等，取l6m。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(jì)算及流型判斷 冷凝器冷卻水用量： 實(shí)際流速

10、：雷諾數(shù)： > 104 所以流型為湍流。二、阻力的計(jì)算冷凝器的阻力計(jì)算只需計(jì)算管層冷卻水的阻力，殼程為制冷劑蒸汽冷凝過程，可不計(jì)算流動阻力。冷卻水的阻力可按下式計(jì)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(nèi)直徑, m；u 冷卻水在管內(nèi)流速，m/s；g 重力加速度，m/s； 局部阻力系數(shù)，可近似取為=4Z。三、安全系數(shù)1.管外總傳熱面積：=NTd0l768×3.14×0.038×6549.832.管內(nèi)總傳熱面積：NTdl768×3.14×0.033×

11、6477.483.實(shí)際總傳熱面積：（）/2（549.83+477.48）/2=513.664.理論總傳熱面積：/(K·t)=463.995.安全系數(shù):（513.66-463.99）/463.99×100%10.7一般要求安全系數(shù)為315（0.030.15），故本設(shè)計(jì)合符要求。 （六）管殼式冷凝器零部件的設(shè)計(jì)一.冷凝器阻力的計(jì)算冷凝器的阻力計(jì)算只需計(jì)算管程冷卻水的阻力，殼程為制冷劑蒸汽冷凝過程，可不計(jì)算流動阻力。式中：管道的磨擦阻力系數(shù)：在湍流狀態(tài)下，鋼管=0.22Re0.2；本設(shè)計(jì)所用為鋼管則: =0.22Re0.2=0.22×28065.6-0.2=0.0283

12、7；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管子內(nèi)直徑，m； d=0.02m；u冷卻水在管內(nèi)的流速，m/s； u=1.412 m/s；g重力加速度，m/s2局部阻力系數(shù)，可近似取為：=4Z =4×6=24。=6.12mH2O。二.殼體內(nèi)徑、厚度的計(jì)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=7°。2. 殼體內(nèi)徑殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于管板的直徑。所以，從管板直徑的計(jì)算可以決定殼體的內(nèi)徑。通常按下式確定殼體的內(nèi)徑：D=a（b1）2e式中：D殼體的內(nèi)徑，mm； a管心距，mm；do=0.025m對

13、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。 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）do本設(shè)計(jì)方案取e1do25 mm，故D=a（b1）2e47×（391）2×1.4×331878.4mm由于殼徑的計(jì)算值應(yīng)圓整到最靠近的部頒標(biāo)準(zhǔn)尺寸，查表得：取D2000mm。3、殼體厚度 式中：s 外殼壁厚，cm； P 操作時的內(nèi)壓力，N/cm（表壓），根據(jù)壁溫查得為80.8N/cm； 材料的許用應(yīng)力， N/cm；查得不銹無縫管YB804-70的許用應(yīng)力是13230 N/cm2 焊縫系數(shù)，單

14、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)流體的腐蝕性而定；取0.7D 外殼內(nèi)徑，cm。適當(dāng)考慮安全系數(shù)及開孔的強(qiáng)度補(bǔ)償措施，決定取s=17mm三、熱量衡算1. 回?zé)嵫h(huán)：1122334lgPhh1h2h3=h4圖1 壓焓圖設(shè)計(jì)過冷溫度t=32，查F22 (氟利昂)的壓焓圖、焓濕圖，得循環(huán)的1，2，3，4點(diǎn)的焓值分別為：h=1484kJ/kg, h=1516kJ/kg, h=h=292.65kJ/kg.2. 單位制冷量qo=h1-h4=1191.35kJ/kg，3. 制冷循環(huán)量G=Q/q=2023/1191.35kg/s=1.70;4

15、. 制冷劑的總放熱量Q=G（h2-h1）=2213.45kw5. 熱量衡算本方案符合設(shè)計(jì)要求：QQ（七）設(shè)計(jì)概要表類型項(xiàng)目指標(biāo)類型項(xiàng)目指標(biāo)冷凝器冷凝器類型臥式列管冷凝器冷卻劑管內(nèi)流速1.5m/s并聯(lián)臺數(shù)7進(jìn)口溫度26°C殼體內(nèi)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(jī)熱負(fù)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35°C管長6過

16、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(fù)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(dǎo)熱系數(shù)w/m·

17、;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 （九）主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖壓縮機(jī)回?zé)崞鞴?jié)流閥蒸發(fā)器冷凝器（并聯(lián)） 流程及原理：經(jīng)壓縮機(jī)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(jìn)一步冷卻,并進(jìn)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(jìn)入蒸發(fā)器，吸取被冷卻物體的熱量，即達(dá)到制冷的目的。此后，氣體返流經(jīng)過回?zé)崞?，同壓縮氣體進(jìn)行熱交換后又進(jìn)入壓縮機(jī)中被壓縮。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，見附錄CAD圖。（十）設(shè)計(jì)評論及討論本設(shè)計(jì)由給定的冷庫冷負(fù)荷，進(jìn)口水溫度，高溫庫工作

18、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(shè)計(jì)，其中有部分參數(shù)和計(jì)算公式需要查找相關(guān)資料，如化工手冊和實(shí)用冷凍手冊，各種資料中查出的參考計(jì)算公式和數(shù)據(jù)有所不同，導(dǎo)致再整個設(shè)計(jì)工程中，設(shè)計(jì)思路產(chǎn)生分歧，產(chǎn)生幾種設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)計(jì)算才確定其中一種，由于參考數(shù)據(jù)的來源不同，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果存在誤差。其次，計(jì)算過程中各個步驟要經(jīng)過反復(fù)的校核，符合要求才能繼續(xù)，如計(jì)算管程數(shù)時需校核徑比。計(jì)算結(jié)束后要進(jìn)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(nèi)，經(jīng)過校核計(jì)算，都能滿足要求，如果不考慮經(jīng)濟(jì)其他因素，這個設(shè)計(jì)是成功的。這次的課程設(shè)計(jì)很好地檢驗(yàn)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