食品工程原理课程设计_管壳式冷凝器设计

1、食品工程原理课程设计任务书 1流程示意图2设计方案的确定及说明3设计方案的计算及说明（包括校核） 5设计结果主要参数表 13主要符号表 1316设计评价及问题讨论 15参考文献食品工程原理课程设计任务书设计题目管壳式冷凝器设计2 设计任务：将制冷压缩机压缩后的制冷剂(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。3 设计条件:1 .冷库冷负荷Q=学生学号最后2位数*100 (kw);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, 每班分别可取进口水温度154 .传热面积安全系数5%- 15%四设计要求：1 . 对确定的工艺流程进行简要论述；2

2、. 物料衡算，热量衡算；3 . 确定管式冷凝器的主要结构尺寸；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（包括校核）；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，管壳式冷凝器的装配图A3氏一张。:、流程示意图面 渐鹫流程图说明： 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。1-2由蒸发器内所产生的低压低温蒸汽被压缩机吸入压缩机气缸，经压缩后温度升高；2-3高温高压的F 22蒸汽进入冷凝器；F-22蒸汽在冷凝器中

3、受冷却水 的冷却，放出热量后由气体变成液态氨。4-4'液态F22不断贮存在贮氨器中；4' -5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F22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。5' -1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内多程式结构，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、设计方案的确定及说明。1 流体流入空间的选择本设计采用河水为冷却剂，河水比较

4、脏和硬度较高，受热后容易结垢。同时，氨走壳程也便于散热，从而减少冷却水的用量。因此，为方便清洗和提高热交换率，冷却水应走管程，氨制冷剂应走壳程。2流速的选择查得列管换热器管内水的流速，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。3 冷却剂适宜温度的确定及制冷剂蒸发温度错误！未找到引用源。 ，冷凝温度错误 ! 未找到引用源。，过热温度错误 ! 未找到引用源。 和过冷温度错误 ！ 未找到引用源。本设计冷却剂的进口温度错误 ！ 未找到引用源。为 15。 而一般卧式管壳式冷凝器冷却剂的进出口的温度之差为 4错

5、误！未找到引用源。0C,本方案取为6，所以出口温度错误 ！ 未找到引用源。为 21。冷库温度为。4错误！未找到引用源。本设计取0C,蒸发温度一般比库内空气低812c本设计取 错误！未找到引用源。t0=-10 C可取714c本设计取tk=25C。过冷温度比冷凝温度低35c本设计取错误！未找到引用源。u=20C过热温度比蒸发温度高35c本设计取错误！未找到引用源。p=-5C4冷凝器的造型和计算4 1 水冷式冷凝器的类型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

6、案采用氨为制冷剂，氨化学式为NH3标准沸点为一33.34C,密度比空气小，极易溶于水，易液化。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，氨所用的管道采用低肋管；5、室内布置，操作较为方便。4 2 冷凝器的选型计算4 2 1 冷凝器的热负荷4 2 2 冷凝器的传热面积计算4 2 3 冷凝器冷却水用量4 2 4 冷凝器的阻力计算5 管数、管程数和管子的排列5 1 管数及管程数5 2 管子在管板上的排列方式5 3 管心距6壳体直径及壳体厚度的计算

7、6 1 壳体直径，厚度计算四、设计计算及说明（包括校核）（一）设计计算1、冷凝器的热负荷：冷凝器的热负荷是制冷剂的过热蒸汽在冷凝过程中所放出的总热量, 可用制冷剂的 压一给图算出。公式如下：QCU式中：Ql冷凝器的热负荷，kwQo制冷量，500kw; 系数，与蒸发温度tk、气缸冷却方式及制冷剂种 类有关，由食品工程原理设计指导书图 3查出。在蒸发温度t0为-10 C, 冷凝温度tk为35C,查得 为1.19。Ql =1.19X500=595 kw2、传热平均温差:16.82 Ct2 t12115 tk t1 '3515ln ln tk t235213、冷凝器的传热面积计算：根据选用卧式

8、管壳式水冷冷凝器及设计指导书表4各种冷凝器的热力性能，取传热系数为800 w/ （nf k）Ql式中： K传热系数，w/itf、C；（由食品工程原理设计指导书表3中可取750 ）F冷凝器得传热面积，itf；20Ql冷凝器得热负荷，w; 传热平均温差，Ct 16 .82 Cl 595 10000 c 2F 41.9m2800 16.824、冷凝器冷却水用量:QlCp(t2 L)3600 kg/h式中：Ql冷凝器的热负荷，kw；Cp冷却水的定压比热，KJ/kg k;淡水可取4.186;t1冷却水进出冷凝器得温度，K或C;t2冷却水进出冷凝器得温度，K或C。595M36004.186 (21 15)

9、85284.3kg. h5、冷凝器冷却水体积流量:M kg/m33式中：取 995.7kg / m ；M360085284.3kg/h330.024 m . s995.7 kg/m3 36006、管数和管程数和管束的分程、管子的排列的确定:1）确定单程管数n由制冷原理及设备一书查得，冷凝器内冷却水在管内流速可选取m/s。设计中选用 38X2.5mm不锈无缝钢管作为冷凝器内换热管。1.5式中：V管内流体的体积流量，M/S ； d d2u4管子内直径，m;u流体流速，m/s。n 3.1440.02420.0332 1.519.5 圆整为20取整后的实际流速4V nd24 0.024"&q

10、uot;""23.14 20 0.0331.40m/s2）管程数:管束长度式中:传热面积，十；管程数 按单程计算的管长,41.9 20.22 m 20 3.14 0.033m。式中:L ll为选定的每程管长，m,考虑到管材的合理利用，l取3m。20.226.743圆整为7所以冷凝器的总管数Nt为Ntn m 20 7140根3）管心距a和偏转角查可得管心距a=48mm 偏转角 a =74）管子在管板上的排列方式管子在管板上排列时，应使管子在整个冷凝器截面上均匀 而紧凑地分布，还要考虑流体性质，设备结垢以及制造等方面地 问题。管子的排列和挡板、隔板的安排如花板布置图所示（如附

11、图）。7.壳体直径及壳体厚度的计算1）壳体直径的计算壳体的内径应稍大于或等于管板的直径，所以，从管板直径的计算 可以决定壳体的内径.D=a （b-1） +2e式中：D壳体内径，mma 管心距，mm;b 最外层的六角形对角线（或同心圆直径）；e六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离。一般取e=（11.5）d0 ,这里取1.4。D= 48 X （391） +2X1.4 X33 =1824 + 92.4=1916.4mm 圆整为 2000mm2）壳体厚度（s）的计算s PD C2 P式中：s外壳壁厚，cm; P操作时白内压力，N/cm2 （表压），根据壁温查得为80.8N/cm2 ; a 材料的许用应

12、力， N/cm2;查得不锈无缝管 YB804-70的许用应力是13230 N/cm2;。一一焊缝系数,单面焊缝为0.65,双面焊缝为0.85;（取单面焊缝）；C-腐蚀裕度，其值在（0.10.8） cm之间，根据流体的腐蚀性而定；取 0.7D 外壳内径，cmfc1.64cm8。8* 20000 72 13230 0.65 80.8适当考虑安全系数及开孔的强度补偿措施，决定取s=17mm（二）设计校核1.雷诺数计算及流型判断冷凝器冷却水用量:QlCp(t2 t)5954.186 (21 15)23.7kg/s实际流速：u 1.40m/s雷诺数：Re du0.033 1.40 )7 57357.9

13、> 10480.12 10所以流型为湍流。2.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:Hf式中： =0.22Re-0.2;L u2 zud画面管道摩擦阻力系数，湍流状态下，钢管入Z冷却水流程数;L每根管子的有效长度，m;d管子内直径，m;u冷却水在管内流速，m/s;g重力加速度，m/s2；局部阻力系数，可近似取为2 £=4Z。22一 L u _ u 八 20.22 1.40/ / /1.40H fZ0.027 4 4 47.76m水柱d 2g 2g0.033 2 9.82 9.83.热量衡算下图为

14、氨在实际制冷循环中的压烙图本设计确定：1）蒸发温度to为：一10C2）冷凝温度tk为：25c3）冷却水出口温度t2为：21c4）过冷温度tu为：20c5）热量 Q° = 500kw制冷循环简易流程为：1 1' 02 -3-4-5-6其中1 1' /在压缩机中压缩的等嫡过程，22'与在冷凝器冷 却的等压过程，34在冷凝器中冷凝的等压等温过程，45为过冷过程， 56为在膨胀阀里作等始膨胀过程，61为在蒸发器中沸腾蒸发的吸热等 压等温过程。制冷剂在低温低压液体状态时吸热达到沸点后蒸发成为低温低压 蒸汽，蒸发成气体的制冷剂在压缩机作用下成为高温高压气体，此高温高 压气

15、体冷凝后成为高压液体，高压液体经过膨胀阀后变成低压低温液体， 再度吸热蒸发构成了冷冻机的制冷循环。过热温度的确定可以由过冷温度 通过热量衡算得出(蒸汽潜热)。根据F-22压始图查得(kj/kg):hi=402 kj/kg , hi' =h+(h4-h4' )=412 kj/kg h2=445 kj/kg ,h2' =430 kj/k gh3=415 kj/kg,h4=245 kj/kg,h5=h4' =235 kj/k gh6= h1=402kj/kg单位制冷量：q0=h1 h5=402235=167 kj/kg制冷循环量：G = Qo/ qo = 500 x

16、3600/ 167= 10778.4kg/h单位循环量：G=Qo/qo=500/167=2.99 kg/s冷却放热量：GX (h2'-h3)=2.99 X(430-415) =44.85冷凝放热量：GX (h3-h4)=2.99 X(415-245) =508.3过冷放热量：GX (h4-h4)=2.99 (245-235)=29.9过热吸热量：GX (hf-hO =2.99)(412-402)=29.9压缩功：wt=h2' =1h =43412=18理论的制冷系数：e t=qo/Wt=167/18=9.28由此可见，本设计热量基本平衡，符合实际要求。4 .传热面积安全系数10

17、0%式中：a实际布置所得的传热面积，m；A理论传热面积，m2管外总传热面积：Ai = Nt 兀 dol = 140X 3.14X 0.038X 3 = 50.1144m2管内总传热面积：A2 = Nt 兀 dl = 140X 3.14X 0.033X 3= 43.5204m2实际总传热面积：A=(A1+A2) /2= (50.1144+ 43.5204) /2=47.3172m2理论总传热面积：_ 'CA = 41.9m安全系数£= ( 47.3172 41.9) / 41.9 = 12.9%一般要求安全系数为3%15% (0.030.15),故本设计合符要求5 .长径比L/

18、D式中：L每程管长，mD壳体内径，mlL/D= 6/1.9164= 3.13符合38范围要求五、设计结果主要参数表序号项目结果序号项目结果1蒸发温度-10 C13管子排列方式正六边形2冷凝温度25 C14壳体内径2000mm3冷却水进口温度15C15壳体壁厚12mm4冷却水由口温度21c16长径比3.135冷却水流速1.40m/s17壳体材料不锈钢管6冷却水阻力7.76m 水柱18管长3m7冷却水用量85284.3 kg/h19内传热面积43.52m28雷诺数57357.920安全系数12.9%9冷凝换热管材料无缝钢管21管程1210换热管规格巾 38 X 2.5 mm22总管数14011单程

19、管数2023管心距48mm12轴线偏转角度7°24冷库冷负荷500kw六、主要符号表序号名称符号单位序号名称符号单位1始ikj/kg15壳体厚度smm2压力PPa16单位制冷量q。kj/kg3温度tC17制冷循环量Gkg/s4流速um/s18热负荷Qlkw5粘度以Pa s19冷却水用量Mkg/h6密度Pkg/m320体积流量Vm3/s7阻力HfmH?。21传热面积Am28比热CpJ/kg k-22汽化潜热rkj/kg9管径dm23污垢热阻Rm2 k/w10管数n24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八、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 据来确定出口温度、传热面积