食品工程原理课程设计

食品工程原理课程设计---管壳式冷凝器设计目录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一、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 0～4℃，采用回热循环；3、冷凝器用河水为冷却剂，取进水温度为 26~28℃；4、传热面积安全系数 5～15%。四、设计要求：对确定的设计方案进行简要论述；物料衡算、热量衡算；确定列管壳式冷却器的主要结构尺寸；计算阻力；编写设计说明书（包括：①.封面；②.目录；③.设计题目；④.流程示意图；⑤.流程及方案的说明和论证；⑥设计计算及说明；⑦主体设备结构图；⑧设计结果概要表；⑨对设计的评价及问题讨论；⑩参考文献。 ）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。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；3高温高压的F—22蒸汽进入冷凝器；F—22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’液态F—22不断贮存在贮氨器中；4’5使用时F—22液经膨胀阀作用后其压力、温度降低，并进入蒸发器；51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。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）设计方案的确定设计方案的确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F—22为制冷剂，F—22化学式为CHF2Cl，名称为二氟一氯甲烷，标准沸点为—℃，凝固温度为— 160℃，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、室内布置，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内水的流速，管程为～ 3m/s，壳程～s[2]；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 s。四、冷却剂适宜出口温度的确定任务书要求进水温度为 26~28℃，选择进口温度=26°C。卧式冷凝器的 端部最大温差（tk-t1）可取7~14°C，冷却水进口温差为 4~10°C。t2-t1提高冷凝器的传热平均温差△ t可以冷凝器的传热面积lntk-t1tk-t2QL QLFKt 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°C。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QL Q0，减少系数φ可以有效降低热负荷。其中热负荷系数φ受冷凝温度和蒸发温度影响，蒸发温度t0提高，可以降低热负荷系数 φ。由于冷凝剂的蒸发温度要比工作温度低

8~10℃，已知工作温度为

0~4℃，即

t

0取值-8~-4

℃。综上所述，确定蒸发温度

t0=-10℃。冷凝器内过冷一般不小于 1℃，取过冷温度 tg=32℃。六、管体材料及管型的选择选取规格为38×的换热器用普通无缝钢管，则 d0=38mm，di=33mm，δp=（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。一、冷凝器的热负荷QL Q0式中：QL――冷凝器的热负荷； KwQ0――制冷量；Q0=1700kw。φ――系数，与蒸发温度t0、冷凝温度tK、气缸冷却方式以及制冷剂种类有关。蒸发温度t0=-10℃，冷凝剂（F22）的冷凝温度tk=35℃，得系数φ=。QL总=×1700kw=2023kw。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，冷却水在管内流动。QL QLFKt q式中：F――冷凝器的传热面积， m2；K――传热系数，w/（m2·K）；――传热平均温度差，℃；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）。△tt2t1=3226=℃lntkt1ln35-26tkt235322023*10002F800*5.45463.99m三、冷凝器冷却水用量计算水冷式冷凝器的冷却水用量可以用下式求得：QL3600Kw/hMCPt2t1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；t1、t2――冷却水进、出冷凝器的温度， K或℃。则:体积流量M20233600=s。4.186(3226)冷却水体积V=M33*36000.081m/s（ρ＝998kg/m）四、管数、管程数1.管数 由下式求得单程管子总数 nn

Vd2u43式中：V——管内流体的体积流量， m/s;d——管子内直径，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38×的热交换用普通无缝钢管，其内径 d＝33mm。而流体的流速 u＝m/s。则：n0.08163.17,取整n=640.03321.544V40.0811.48m/s.取整后的实际流速u23.14640.0332nd2.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，LF69.97m，3.14640.033则：管程数为mLml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l可取1、、2、3、6m等，取l＝6m。m=6=，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：QL2023kgsM4.186(3280.55/Cp(t2t1)26)实际流速：u 1.48m/s雷诺数：Redu0.0331.4899860836.65>10480.12105所以流型为湍流。二、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：HfLu2Zud2g2g式中：———管道摩擦阻力系数，湍流状态下，钢管λ=；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Σε =4Z。HfLu2Zu0.02741.482124121.488.01m水柱d2g2g0.03329.829.8三、安全系数管外总传热面积：=NTπd0l＝768×××6＝管内总传热面积：＝NTπdl＝768×××6＝实际总传热面积：＝（＋）/2＝（+）/2=理论总传热面积：QL/(K·△t)=5.安全系数:ε＝A实际 A理 （）/×100%＝％A理一般要求安全系数为 3％～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。Lu2u2Hf2gZd2g式中：λ——管道的磨擦阻力系数：在湍流状态下，钢管 λ=－；本设计所用为钢管则

:

λ=－=×；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——管子内直径，

m；

d

i=；u——冷却水在管内的流速，

m/s；

u i=m/s；g——重力加速度，

m/s2∑ε——局部阻力系数，可近似取为：∑ε

=4Z=4×6=24。H

f

L u2d 2g

Z

u22g

=。二.壳体内径、厚度的计算管心距、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α=7°。壳体内径壳体的内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内径。通常按下式确定壳体的内径：D=a（b－1）＋2e式中：D――壳体的内径，mm；a――管心距，mm；do=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。e――六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离。一般取 e＝（1～）do本设计方案取e＝1do＝25mm，故D=a（b－1）＋2e＝47×（39－1）＋2××33＝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＝2000mm。3、壳体厚度sPD式中：s———外壳壁厚，cm；C2PP———操作时的内压力，N/cm2（表压），根据壁温查得为 cm2；[σ] ——材料的许用应力， N/cm2；查得不锈无缝管YB804-70的许用应力是13230N/cm2φ———焊缝系数，单面焊缝为，双面焊缝为；（取单面焊缝）C———腐蚀裕度，其值在（～）cm之间，根据流体的腐蚀性而定；取D———外壳内径，cm。s80.8*20000.71.64cm132300.65280.8适当考虑安全系数及开孔的强度补偿措施，决定取 s=17mm三、热量衡算回热循环：lgP332’2’14 1’h3=h4 h1 h2 h图1 压焓图设计过冷温度tg=32℃，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, h 2=1516kJ/kg,h 3=h4=kg.单位制冷量qo=h1-h4=kg，制冷循环量G=Q/q =2023/s=;L 04. 制冷剂的总放热量QK=G（h2-h1）=热量衡算本方案符合设计要求：Qk≈QL（七）设计概要表类型项目指标类型项目指标冷冷凝器类型卧式列管冷凝器冷管内流速s并联台数7却进口温度26°C凝壳体内径1878mm剂出口温度32°C器壳体壁厚冷却水用量s每台机热负荷2023kwRe安全系数%冷却水阻力换热管类型Ф38×光滑无缝氟利昂F22钢管总管数768管外流速s每程管数64制蒸发温度-10°C管管程数12冷冷凝温度35°C道管长6剂过冷温度32°C管子的排列方正三角形排列单位制冷量kg式管心距47mm制冷循环量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ikj/kg15壳体厚度smm2压力PPa16单位制冷量q0kj/kg3温度t℃17制冷循环量Gkg/s4流速um/s18热负荷QLkw5粘度μPa·s19冷却水用量Mkg/h6密度p320体积流量V3kg/mm/s7阻力HfmH2O21传热面积A2m8比热CpJ/kg·k22汽化潜热rkj/kg9管径dm23污垢热阻R2·mk/w10管数n24导热系数λw/m·k11管程数m25摩擦阻力系数w/m2·k12总管数NT26传热系数ε13管心距a