食品工程原理课程设计报告书

1、食品工程原理课程设计-管壳式冷凝器设计食品工程原理课程设计任务书 2流程示意图 3设计方案的确定 4冷凝器的造型计算 6核算安全系数 8管壳式冷凝器零部件的设计10设计概要表12主要符号表 13主体设备结构图 14设计评论及讨论 14参考文献15一）食品科学与工程设计任务书、设计题目：管壳式冷凝器设计二、设计任务：将制冷压缩机压缩后制冷剂（如F-22、氨等）过热蒸汽冷却、冷凝为过冷液体, 送去冷库蒸发器使用。三、设计条件：1、冷库冷负荷 Q0=1700KW ；2、高温库，工作温度04C,采用回热循环；3、冷凝器用河水为冷却剂，取进水温度为 2628C；4、传热面积安全系数 5 15%。四、设计

2、要求：1. 对确定的设计方案进行简要论述；2. 物料衡算、热量衡算；3. 确定列管壳式冷却器的主要结构尺寸；4. 计算阻力；5. 编写设计说明书（包括：.封面；.目录；.设计题目；流程示意图；流程及方案的说明和论证；设计计算及说明；主体设备结构图； 设计结果概要表；对设计的评价及问题讨论；参考文献。）6. 绘制工艺流程图、管壳式冷凝器的的结构（ 3 号图纸）、花板布置图（ 3 号 或 4 号图纸）（二）流程示意图流程图说明：本制冷循环选用卧式管壳式冷凝器，选用氨作制冷剂，采用回热循环，共分为4个阶段,分别是压缩、冷凝、膨胀、蒸发。12 由蒸发器所产生的低压低温蒸汽被压缩机吸入压缩机气缸，经压缩

3、后温度 升高；2 -3 高温高压的F22蒸汽进入冷凝器；F22蒸汽在冷凝器中受冷却水的冷却，放出热量后由气体变成液态氨。4 4 液态F 22不断贮存在贮氨器中；4吒 使用时F22液经膨胀阀作用后其压力、温度降低，并进入蒸发器；5 -1 低压的F 22蒸汽在蒸发器中不断的吸收周围的热量而汽化，然后又被压缩机吸入，从而形成一个循环。51 是一 -个回热循环。本实验采用卧式壳管式冷凝器，其具有结构紧凑，传热效果好等特点。 所设计的卧式管壳式冷凝器采用管多程式结构，冷却水走管程，F 22蒸汽走壳程。采用多管程排列，加大传热膜系数，增大进，出口水的温差，减少冷却水的用量。（三）设计方案的确定设计方案的确

4、定包括制冷剂的选择、冷凝器型式的选择、流体流入冷凝器 空间的选择、冷却剂的选择及其进出口温度的确定等。一、冷凝器造型与冷凝剂的选择本次设计是以河水为冷却剂，本人选择氨高效卧式冷凝器为设计对象。此 冷却系统的原理是将压缩机排出的高温、 高压氨气等压冷凝成液体， 在冷库中蒸 发，带走待冷物料的热量，起到冷却物料的效果。本方案采用F22为制冷剂，F22化学式为CHF?。，名称为二氟一氯甲 烷，标准沸点为一408C，凝固温度为一160C，不燃烧，不爆炸，无色，无味。 冷凝器型式的选择：本方案采用卧式壳管式冷凝器。卧式管壳式水冷凝器的优点是：1 、结构紧凑，体积比立式壳管式的小；2、传热系数比立式壳管式

5、的大；3、冷却水进、出口温差大，耗水量少；4、为增加其传热面积，F-22所用的管道采用低肋管；5、室布置，操作较为方便。二、流体流入空间选择 由于冷却剂为河水，根据不洁净或易结垢的物料应当流经易清洗的一侧， 饱和蒸汽一般应通入壳程，以便排出冷凝液， 被冷却物料一般走壳程， 便于散热 和减少冷却剂用量，所以确定冷却水走管程，冷凝剂（F22）走壳程。三、流速选择查得列管换热器管水的流速，管程为0.53m/s,壳程0.21.5m/s2;根据 本设计制冷剂和冷却剂的性质， 综合考虑冷却效率和操作费用， 本方案选择流速 为 1.5m/s。四、冷却剂适宜出口温度的确定任务书要求进水温度为2628C，选择进

6、口温度=26 C。卧式冷凝器的 端部最大温差（tk-t1）可取714 C,冷却水进口温差为410 Co提高冷凝器的传热平均温差 tt2 - t1可以冷凝器的传热面积F QlQlKt q，从而减少传热面积、降低成本。前提是出口水温度不能高于冷凝剂的冷凝温度tk，跨程温差小于28 Co所以确定出口水温度=32 C,冷凝 剂（F22）的冷凝温度tk=35 C五、冷凝剂的蒸发温度和过冷温度确定冷凝器的热负荷QlQo，减少系数可以有效降低热负荷。其中热负荷系数受冷凝温度和蒸发温度影响，蒸发温度 to提高，可以降低热负荷系数 机 由于冷凝剂的蒸发温度要比工作温度低 810C,已知工作温度为04C,即to取

7、 值-84C。综上所述，确定蒸发温度t0=-10C。冷凝器过冷一般不小于1C,取过冷温度tg=32Co六、管体材料及管型的选择选取规格为382.5的换热器用普通无缝钢管，则 do=38mm, di =33mm,S p2.5mm（四）冷凝器的造型计算冷凝器的任务是将压缩机排出的高温高压气态制冷剂冷却使之液化、冷凝器的热负荷QlQo式中：QL冷凝器的热负荷；KwQo制冷量；Qo =1700kw。 数，与蒸发温度to、冷凝温度tK、气缸冷却方式以及制冷剂种类 有关。蒸发温度to=-1OC，冷凝剂（F22）的冷凝温度tk=35C，得系数（1=1.19Q l 总=1.19X 1700kw= 2023kw

8、。二、预算冷凝器的传热面积在水冷式冷凝器中，卧式管壳冷凝器的制冷剂在管外冷凝，冷却水在管流 动。QlQlK t q式中：F冷凝器的传热面积，m2;K传热系数，w/ （m2 K）; t 传热平均温度差，C；q单位面积热负荷，w/ m2。，卧式管壳式（氟利昂）冷凝器的传热系数 K = 800w/ （ m2 K）t2 ti32 26Intk t2ln沦35 32=5.45 C2023*1000800*5.45463.99 m2三、冷凝器冷却水用量计算3600Kw/h水冷式冷凝器的冷却水用量可以用下式求得:式中：QL冷凝器的热负荷，Kw ;CP冷却水的定压比热，KJ/ (kg K)，淡水取4.186;

9、右、t2冷却水进、出冷凝器的温度，K或C。QlCp 上2 ti则:体积流量M3600 =289966.56g/s。4.186 (32 26)冷却水体积 V= M 0.081 m3/s ( p= 998 kg/m3)* 3600四、管数、管程数1. 管数由下式求得单程管子总数nVnd 2u4式中：V 管流体的体积流量，m3 /s;d管子直径，m；u流体流速，m/s；查“热交换器用普通无缝钢管”表1，选取规格为382.5的热交换用普通无缝钢管，其径d= 33mm。而流体的流速u= 1.5 m/&则：n0.08163.17,取整 n=643.14 nd0.0332 1.54.取整后的实际流速u4Vn

10、d24 0.0813.14 64 0.03321.48m/ s2. 管程数按单程冷凝器计算，管速长度为 L,则式中：F传热面积，m2 ; A取预算传热面积;其他符号同前，FL69.97 m,64 3.14 0.033则：管程数为mLm l式中：L按单程计算的管长，m；l 选定的每程管长，m；按管材一般出厂规格为6m，则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，冷凝器的总管数 NT为：NT=n m=768根（五）核算安全系数一、雷诺数计算及流型判断冷凝器冷却水用量：MQl202380.55kg/sCp(t2 tj 4.186

11、(32 26)实际流速：u 1.48m/s雷诺数：Redu0.033 1.48 99880.12 1060836.65 104e六角形最外层管子中心到壳体壁的距离。一般取e=（ 11.5）所以流型为湍流。、阻力的计算冷凝器的阻力计算只需计算管层冷却水的阻力，壳程为制冷剂蒸汽冷凝过 程，可不计算流动阻力。冷却水的阻力可按下式计算：Hfu2g式中：管道摩擦阻力系数，湍流状态下，钢管入=0.22Re-0.2;Z冷却水流程数；L每根管子的有效长度，m；d管子直径，m；u冷却水在管流速，m/s；g重力加速度，m/s2 ；局部阻力系数，可近似取为工& =4ZHfd 2gu2g0.02724 1.480.0

12、33 2 9.8124 121.482 9.88.01m水柱三、安全系数1. 管外总传热面积:2A =Nt n d0l= 768 X 3.14X 0.038X 6 = 549.83 m2. 管总传热面积：2A = NTn dl = 768X 3.14X 0.033X 6 = 477.48m3. 实际总传热面积：A =( A1 + A2) /2=( 549.83+477.48) /2=513.66 m24. 理论总传热面积：a = Ql/(Kt)=463.99m25. 安全系数：A实际 A理(513.66-463.99) /463.99 X 100% = 10.7 %般要求安全系数为 3%15%

13、( 0.030.15)，故本设计合符要求。（六）管壳式冷凝器零部件的设计一 冷凝器阻力的计算冷凝器的阻力计算只需计算管程冷却水的阻力，壳程为制冷剂蒸汽冷凝过程, 可不计算流动阻力。HfL ul d 2g2 u 2g式中：入道的磨擦阻力系数：在湍流状态下，钢管 入=0.22R&0.2 ;本设计所用为钢管则：入=0.22R&0.2=0.22 28065.6-0.2=0.02837;Z冷却水流程数；Z=管程m=6;L每根管子的有效长度，m； L=6m ;d管子直径，m；di=0.02m；u冷却水在管的流速，m/s；比=1.412 m/s；g重力加速度，m/s2Ec 部阻力系数，可近似取为：Ec =4

14、Z =45=24。,L u2 丁 u2HfZ=6.12mH2O。d 2g2g二. 壳体径、厚度的计算1. 管心距、偏转角查指导书的表8，管子外径do=38mm，其管心距a=47mm，偏转角a =7。2. 壳体径壳体的径应等于或稍大于管板的直径。所以，从管板直径的计算可以决定壳 体的径。通常按下式确定壳体的径：D=a （b 1）+ 2e式中：D壳体的径，mm；a管心距，mm； do=0.025m对应 a=32;b最外层的六角形对角线上的管数；查表得，总管数为264，对应最外层六角形对角线上的管数为 b=39。do本设计方案取e= 1do= 25 mm,故 D=a （b 1）+ 2e= 47X（3

15、9- 1）+ 2X1.4 33= 1878.4mm由于壳径的计算值应圆整到最靠近的部颁标准尺寸，查表得：取D = 2000mm3、壳体厚度PDs C式中：s夕卜壳壁厚，cm ；2 PP操作时的压力，N/cm2 （表压），根据壁温查得为80.8N/cm2 ;（7 料的许用应力， N/cm2 ;N/cm2单面焊缝）取0.7查得不锈无缝管YB804-70的许用应力是13230焊缝系数，单面焊缝为0.65,双面焊缝为0.85;（取C腐蚀裕度，其值在（0.10.8） cm之间，根据流体的腐蚀性而定；D外壳径，cm。1.64cm80.8* 20002 13230 0.65 80.8适当考虑安全系数及开孔的

16、强度补偿措施，决定取s=17mm三、热量衡算1. 回热循环：igPh3=h4hih2h图1 压焓图设计过冷温度tg=32C，查F22 （氟利昂）的压焓图、焓湿图，得循环的1, 2,3, 4点的焓值分别为：h1=1484kJ/kg,h2 =1516kJ/kg, h3=h4 =292.65kJ/kg.2. 单位制冷量qo=h1-h4=1191.35kJ/kg,3. 制冷循环量G=Q l /q o =2O23/1191.35kg/s=1.704. 制冷剂的总放热量Qk=G（ h2-h1）=2213.45kw5. 热量衡算本方案符合设计要求：QkQ l（七）设计概要表类型项目指标类型项目|指标冷凝器冷

17、凝器类型卧式列管冷凝器冷 却 剂管流速1.5m/s并联台数7进口温度26 C壳体径1878mm出口温度32 C壳体壁厚0.17cm冷却水用量88.55kg/s每台机热负荷2023kwRe60836.65安全系数10.7%冷却水阻力6.12mH2O管 道换热管类型38 2.5mm光滑无缝钢管制 冷 剂氟利昂F22总管数768管外流速0.35m/s每程管数64蒸发温度-10 C管程数:12冷凝温度1 35 C 1管长6过冷温度32 C管子的排列方式正三角形排列单位制冷量1191.35kJ/kg管心距47mm制冷循环量0.4065kg/s偏心角7（八）主要符号表序号名称符号单位序号名称符号单位1焓i

18、kj/kg15壳体厚度smm2压力PPa16单位制冷量qokj/kg3温度tC17制冷循环量Gkg/s4流速um/s18热负荷Qlkw5粘度Pa s19冷却水用量Mkg/h6密度pkg/m320体积流量Vm3/s7阻力HfmH2O21P传热面积Apm2!8比热CpJ/kg k-22汽化潜热rkj/kg9管径dm23污垢热阻Rm2 k/w10管数n24P 导热系数入w/m -k11管程数m25摩擦阻力系数12总管数Nt26传热系数w/m2 k13管心距amm27传热膜系数aw/m2 k14壳体直径Dmm（九）主体设备结构图蒸发器冷凝器併联）流程及原理：经压缩机压缩的氨气先在冷凝器中被冷却，向冷却水放出热量，然后流经回热器被返流水进一步冷却，并进入节流阀绝热膨胀，压缩气体的压力和 温度同时下降。膨胀后的氨气进入蒸发器，吸取被冷却物体的热量，即达到制冷 的目的。此后，气体返流经过回热器，同压缩气体进行热交换后又进入压缩机中 被压缩。具体结构设计图，见附录CAD图（十）设计评论及讨论本设计由给定的冷库冷负荷，进口水温度，高温库工作温度等已知数据来确