食品工程原理课程设计管壳式冷凝器资料.docx
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食品工程原理课程设计管壳式冷凝器资料
食品工程原理课程设计
管壳式冷凝器设计
班级：
姓名：
学号：
设计时间
目录
（一）设计任务书·····································································································3
（二）设计方案的确定······························································································3
（三）冷凝器的选型计算··························································································4
（四）核算安全系数··································································································6
（五）列管式换热器零部件的设计········································································8
（六）设计概要表··································································································10
（七）主体设备结构图···························································································10
（八）设计评价与讨论··························································································11
（九）参考文献········································································································11
（一）食品科学与工程设计任务书
一、设计题目：
列管式冷却器设计
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=3000KW；
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，可取进水温度为13~26℃；
4、传热面积安全系数5～15%。
四、设计要求：
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：
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）。
备注：
参考文献格式：
期刊格式为：
作者姓名.出版年.论文题目.刊物名称.卷号（期号）：
起止页码。
专著格式为：
作者姓名.出版年.专著书名.出版社名.起止页码。
（二）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
选择卧式壳管式冷凝器（管束采用光滑钢管）、R717（氨气）做冷凝剂，原因有：
1.卧式壳管式结构紧凑、传热效果好、冷却水进出口温差大，耗水量小。
2.氨气较氟利昂环保，其卧式壳管冷凝器的传热性能也比氟利昂高。
以氨作为制冷剂，能制取0℃以下的低温；维修简单、操作方便、易于管理；氨价格低廉，来源充足；对大气臭氧层无破坏作用；钢材及冷却水消耗量大；热力系数较低。
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（氨）走壳程。
三、流速选择
根据后面的各种计算因素互相制约，最终确定：
管内冷却水流速ui=1.412m/s；管外冷凝剂（氨）流速uo=0.35m/s。
1.流速增大可以提高膜传热系数，总传热提高，减少需要的传热面积，从而降低机器成本，尽可能使得Re>104；同时减少结垢，从而减少结垢热阻，减少清洁量；
2.流速过大，会增大流体阻力，消耗能量，常用流速范围0.5～3m/s。
四、冷却剂适宜出口温度的确定
任务书要求进水温度为13~26℃，选择进口温度t1=15°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。
提高冷凝器的传热平均温差△
，可以冷凝器的传热面积
，从而减少传热面积、降低成本。
前提是出口水温度t2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t2=21°C，冷凝剂（氨）的冷凝温度tk=25°C。
五、冷凝剂的蒸发温度和过冷温度确定
冷凝器的热负荷
，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，由《“食品科学与工程原理”课程设计指导书》的图3（b），蒸发温度to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°C，已知工作温度为0~4°C，即to取值-8~-4°C。
综上所述，确定蒸发温度to=-5°C。
由指导书p6，冷凝器内过冷一般不小于1°C，取过冷温度tg=20.
六、管体材料及管型的选择
选取规格为25×2.5的换热器用普通无缝钢管，则d0=25mm，di=20mm，δp=2.5mm
（三）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
Kw
式中：
QL――冷凝器的热负荷；
Q0――制冷量；Qo=3000kw。
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。
可由指导书图3（b）查出。
蒸发温度to=-5°C，冷凝剂（氨）的冷凝温度tk=25°C，得系数φ=1.13。
QL总=1.13×3000kw=3390kw。
由于热负荷很大，冷凝器的操作负荷也高，因此采用多管程设计冷凝器，7台冷凝剂并联，以降低机器成本。
并联数N=7，则各台冷凝器的热负荷QL=QL总/N=484285.7143w。
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。
式中：
F――冷凝器的传热面积，m2；
K――传热系数，w/（m2·K）；
Δt――传热平均温度差，℃；
q――单位面积热负荷，w/m2。
根据指导书的表4，卧式管壳式（氨）冷凝器的传热系数K＝800w/（m2·K）。
△
=
=6.54814
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：
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），淡水取4.186；
t1、t2――冷却水进、出冷凝器的温度，K或℃。
则
且体积流量
=19.28kg/s。
冷却水体积V=
m3/s（ρ＝998kg/m3）
四.管数、管程数
1.管数由下式求得单程管子总数n
式中：
V——管内流体的体积流量，m3/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25×2.5的热交换用普通无缝钢管，其内径d＝20mm。
而流体的流速u＝1.412m/s。
则
取整n=44.
2.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，
m，
则管程数为m
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、1.5、2、3、6m等，取l＝6m。
m=33.46/6=5.58，取整m=6.
采用6管程后，冷凝器的总管数NT为：
NT=n·m=264根
（四）核算安全系数
一.光管水冷凝器的传热系数
1.管外制冷剂冷凝膜系数αo
式中：
r——饱和氨蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg；
Λo——氨气饱和液的导热系数，W/（m·k）；
μo——氨气饱和液的粘度，pa·s；
Z——管束在垂直面上的列数；
△T——蒸汽的饱和温度和壁面温差,°C；
其中，查相关资料[3]，r=283.6kcal/kg=1186582.4kJ/kg，
Λo=0.425kcal/m·h·°C=0.49394W/（m·k），
μo=0.0000155kg·s/m2=0.0001519pa·s，
正三角形错排时，Z=0.6NT0.5=9.748，取整Z=10，
△T=Tk-T壁，壁温T壁总是接近对流传热系数较大的一侧流体的温度,取比水流平均温度高1°C，水流平均温度=（t1+t2）/2，则△T=Tk-（t1+t2）/2-1=6°C,
w/m2·k。
2.管内冷却水的传热膜系数
应用范围：
Re>10000,0.7水被加热n=0.4，
定性温度：
流体进出口温度的算术平均值
°C；
本方案定性温度为17.5℃,根据相关资料[1]，水的物性参数：
ρ＝998.2kg/m3,μ=100.42×10－-5Pa·s,Cp=4.183×103J/（kg·K）,λ=0.5985W/（m·k）。
Re=
=28065.64
w/m2·k。
3.以管外表面积为基准的Ko；
式中：
Aq——基管外表面积，㎡；Aq=∏do·l·NT=124.3m2；
Ai——基管内表面积，㎡;Ai=∏di·l·NT=99.48m2；
Am——基管平均面积，㎡；Am=（Aq+Ai）/2=11.9m2；
δp——管壁厚度，m;δp=0.0025m；
λp——管壁导热系数，w/（m·k），λp=56w（/m·k）；
Ro——制冷剂侧污垢热阻，㎡k/w；根据指导书表5，Ro＝0.35×10－3~0.6×10－3，本方案取Ro＝0.5×10－3。
Ri——水侧垢层热阻㎡k/w；根据指导书表5，澄清的河水水流速为1.412m/s>1m/s，则取Ri=0.18×10－3㎡·k/w。
=830.44w/m2·*k
二.安全系数
1.理论传热面积
A理=QL/（Ko·△t）=89.06m2，
2.实际传热面积
A实际=NT×π×l×di=99.526m2，
3.安全系数
X=
11.75%，符合安全系数要求（5%~15%）。
（五）列管式换热器零部件的设计
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。
式中：
λ——管道的磨擦阻力系数：
在湍流状态下，钢管λ=0.22Re－0.2；本设计所用为钢管则:
λ=0.22Re－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——管子内直径，m；di=0.02m；
u——冷却水在管内的流速，m/s；ui=1.412m/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。
=6.12mH2O。
二.壳体内径、厚度的计算
1.管心距、偏转角
查指导书的表8，管子外径do=25mm，其管心距a=32mm，偏转角α=7°。
2.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；查指导书的表8，do=0.025m对应a=32;
b――最外层的六角形对角线上的管数；查表6，总管数为264，对应最外层六角形对角线上的管数为b=17。
e――六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离。
一般取e＝（1～1.5）do
本设计方案取e＝1do＝25mm，
故D=a（b－1）＋2e＝32×（17－1）＋2×25＝562mm
由于壳径的计算值应圆整到最靠近的部颁标准尺寸，根据指导书表9，取D＝600mm。
故六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离e＝44mm
3、壳体厚度
当换热器受内压时，外壳的厚度s可以用下式计算：
式中：
s——外壳壁厚，cm；
P——操作时之内压力，N/c㎡（表压）；查压焓图，冷凝温度tk时，氨气的分压为5.54bar=57.97N/m2,
[σ]——材料的许用应力，N/c㎡；根据相关资料，钢管的[σ]=18400N/c㎡；
ψ——焊缝系数，单面焊缝ψ=0.65,双面焊缝ψ=0.85；本设计采用双面焊缝，ψ=0.85。
c——腐蚀裕度，其值在（0.1~0.8）cm之间，根据流体的腐蚀性而定；本设计取腐蚀裕度c=0.8cm。
Di——外壳内径，cm。
查相关资料，标准壳体内径为600mm对应最小壁厚为10mm，而
=0.6114cm。
三.热量衡算
1.回热循环：
设计过冷温度tg=20°C，查R717（氨）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=QL/qo=3390/1191.35kg/s=0.4065;
4.制冷剂的总放热量
Qk=G（h2-h1）=497.29kw
5.热量衡算
本方案符合设计要求：
Qk≈QL
（六）设计概要表
类型
项目
指标
类型
项目
指标
冷
凝
器
冷凝器类型
卧式列管冷凝器
冷
却
剂
管内流速
1.412m/s
并联台数
7
进口温度
15°C
壳体内径
562mm
出口温度
21°C
壳体壁厚
0.6114cm
冷却水用量
0.0193kg/s
每台机热负荷
3390kw
Re
28065.64429
安全系数
11.75%
冷却水阻力
6.12mH2O
管
道
换热管类型
Ф25×2.5mm光滑无缝钢管
制
冷
剂
氨气
R717
总管数
264
管外流速
0.35m/s
每程管数
44
蒸发温度
-5°C
管程数
6
冷凝温度
25°C
管长
6
过冷温度
20°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
32mm
制冷循环量
0.4065kg/s
偏心角
7°
（七）主体设备结构图
回热器
压缩机
节流阀
蒸发器
冷凝器（并联）
图2设备结构图
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。
（八）设计评论与讨论
本设计基本符合冷凝器的计算、技术要求，用水量较低，管程为双数，操作比单数管程简单，外膜与内膜传热系数都5000w/m2·k左右，能较好地实现传热冷却，有效降低操作成本。
每台的传热面积要求一般，可以减低管束费用，从而减低冷凝器设备成本。
回热循环既可减轻或消除吸汽管道中的有害过热，又能使液态制冷剂过冷。
但也存在缺陷，并联态数有7台，对附件的布置要求高，在管道的费用较高。
计算叫复杂，仍可能存在误差、计算错误，离实际应用还有很大距离。
对于氨做冷凝剂的冷凝器，回热循环对制冷无大的变化。
参考文献：
[1]李云飞,葛克山.中国农业大学出版社.《食品工程原理》.2008.
[2]《制冷工程设计手册》编写组.中国建筑工业出版社.制冷工程设计手册.1978.
[3]彦启森，申江，石文星.中国建筑工业出版社.《制冷技术及其应用》2006
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