食品工程原理课程设计 管壳式冷凝器.docx

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食品工程原理课程设计管壳式冷凝器

食品工程原理课程设计

目录

一、课程设计任务书

（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的制冷剂（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=学生学号最后2位数X100（KW）；

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，每班分别可取进口水温度:

17～20℃（1班）、21～24℃（2班）、25～28℃（3班）、13～16℃（4班）、9～12℃（5班）、5～8℃（5班）；

4.传热面积安全系数5～15％。

二、流程示意图及说明

流程说明：

制冷机是利用液体汽化时吸热的原理来工作的，制冷机的全套装置包括：

压缩机，冷凝器，回热器，节流阀，蒸发器。

压缩式制冷机的制冷过程分为压缩、冷凝、膨胀、蒸发4个阶段。

低压低温蒸汽在压缩机内压缩成高压高温的过热蒸汽，为等熵过程（1’—2’），该蒸汽温度高与环境介质的温度，其压力使制冷剂蒸汽能在常温下冷凝成液体状态，排至冷凝器时，经冷却，冷凝成高压的制冷剂液体把热量传给冷却水，为等压过程（2’—4）.高压液体通过膨胀阀因节流而降压，同时制冷剂液体因沸腾蒸发吸热，其本身温度也相应下降，为等焓过程（4—4’）。

将该低压低温的制冷剂液体引入蒸发器蒸发吸热，发生冷效应，使周围空气及物料温度下降，为等压等温过程（5’—1）。

从蒸发器出来的低压低温蒸汽重新进入压缩机，即完成一次制冷循环。

流程示意图如图1所示:

图1回热循环制冷原理图

三、流程及方案的说明和论证

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、冷却剂的选择以及其进出口的温度的确定等。

1.制冷剂的选择

工业上常用的制冷剂有氨（NH3）、氟利昂-12（CF2Cl2）、氟利昂-22（CHF2Cl）等。

此设计中选用氨（NH3）为制冷剂。

其正常的蒸发温度为－33.4℃，使用范围是+5℃～-70℃，氨易溶于水，在常温下，一个单位容积的水可以溶解700个单位溶剂的氨，因此排除了形成冰塞的可能性。

纯氨对钢铁无腐蚀作用。

另外氨的比重小，与氟利昂制冷系统比较，其流动截面积可以大为缩小。

由于氨制造容易，价格低廉、容易购买、环保，所以广泛应用于蒸发温度在—65℃以上大型、中型、制冷式压缩机中[3]。

基于以上优点，所以选用氨。

2.流体流入空间的选择

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，可以确定冷却水走管程。

在此设计中氨（NH3）走壳程，冷却介质（河水）走管程。

3.流速的选定

流速增大，流体流动产生湍流，有利于传热膜系数的增大，同时还可以减少污垢在管子表面沉积的可能性，从而降低污垢热阻而使K值提高，所需传热面积减少，设备投资费减少。

但过大的流速会使流动阻力增加，动力消耗增加，增加生产成本。

因此，选择正确的流速十分重要,一般尽可能使流体的雷诺常数Re>104,高粘度的流体按滞流设计。

根据一般液体走管程流速大概在0.5—3m/s。

另根据水在室温下的粘度范围查得液体流速范围在1.1m/s～1.5m/s。

此设计中初选用流速为1.4m/s。

4.冷凝器的选型

卧式管壳式属于水冷式冷凝器,这种冷凝设备的冷却效果好，耗水量较小，传热系数大,同时由于高度低便于安装在室内，操作管理方便。

目前大、中型氨制冷系统及氟利昂制冷系统多采用这种冷凝器.因此此设计选用卧式管壳式冷凝器。

5.冷凝温度tk、冷却剂适宜出口温度t2的确定、平均温差Δt、蒸发温度t0的确定

根据指导书要求2班取进口水温度21—24℃，此处t1选用22℃。

制冷剂的冷凝温度和冷却剂的进出口温度的确定十分重要，因为其涉及到经济问题。

从运行费来说，冷凝温度越低制冷系数越大，可以减少压缩剂的耗电量；从设备投资来看，在冷负荷一定时，传热系数越大，传热平均温差越大，所需要的传热面积越少，冷凝器的初投资越低。

这方面正好和运行费用相矛盾，故应全面权衡。

综合考虑后选定进口温度t1=22℃。

（1）冷凝温度tk：

冷凝温度取决于冷却水温度、水量、水的流速、冷凝面积、压缩机的排气量、空气、水垢等因素。

根据指导书中所提的卧式管壳式冷凝器冷凝温度的选择范围（tk-t1）可取7℃～14℃，此设计冷凝温度tk选用32℃。

（2）冷却剂适宜出口温度t2：

根据指导书中所提的卧式管壳式冷凝器进出口温度的选择范围可取4℃～10℃，此设计的出口温度t2选为29℃。

（3）平均温差Δt：

确定了冷凝温度tk、冷却水的进出口温度后,可以根据下式计算平均温差:

℃

（4）蒸发温度t0的确定：

查阅《食品工程原理》和相关资料可知：

蒸发温度一般应比库内温度低8℃～18℃，冷库为高温库，其温度定为0℃，则选定氨气的蒸发温度t0为—10℃。

冷却水的定性温度tf=（t1+t2）/2=25.5℃。

综上：

t0=-10℃，t1=22℃，t2=29℃，tk=32℃，tf=25.5℃。

6.管道材料及管型的选定

由于要防止氨的一定腐蚀性，则选定管道材料为无缝不锈钢，而其管径则选取φ25×2.5mm,管内径di=20㎜，管外径d0=25㎜，管壁厚度δp=2.5㎜，不锈钢管λp=45.4w/（m·k）

四、冷凝器设计计算及说明

1．冷凝器的热负荷QL

冷凝器的热负荷是制冷剂的过热蒸汽在冷凝过程所放出的总热量。

并可用下式简化计算。

根据设计要求，冷库冷负荷Q0=学生学号最后2位数X100（KW），所以Q0=13×100=1300（kw）。

由于1300KW数值过大，计算出来的管数太多，所以本设计用2台冷凝器并联的方式。

则Q0=

（kw）

QL=ΦQ0kw

式中:

QL-----冷凝器的热负荷kwQ0------制冷量kw；此处为650kw

Φ-----系数,与蒸发温度、冷凝温度、汽缸冷却方式及制冷剂的种类有关。

可以从设计指导书中图3查得Φ=1.17，∴QL=650×1.17kw=760.5kw

2.冷凝器的传热面积计算

在水冷式冷凝器中，卧式管壳冷凝器的制冷在管外冷凝，冷却水在管内流动。

其传热面积可用下式计算：

式中：

F———冷凝器得传热面积，m2；QL———冷凝器得热负荷，w；

K———传热系数，w/m2.℃；（由指导书P6的表4中取800w/m2.℃）∆t———传热平均温差，℃；

q———热流密度，w/m2。

∴传热面积

m2

3.冷凝器冷却水用量

水冷式冷凝器的冷却水用量可用下式求得：

㎏/h

式中：

QL——冷凝器的热负荷，kw；Cp——冷却水的定压比热，kJ/kg·K；此处用淡水的，

取4.186kJ/kg·K

t1、t2——冷却水进出冷凝器的温度，K或℃；（t1=22℃，t2=29℃）

∴

㎏/h

4．管数、管程数和管子的排列

（1）管数

选定了管内流速和管径后，可用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。

ρ-------冷却水定性温度下河水的密度，在25.5℃时，ρ=996.9kg/m3

㎏/h=25.958㎏/s

V=M/ρ=25.958/996.9=0.0261m3/s

∴

根，圆整到60根。

（2）管程数

按单程冷凝器计算，管束长度为L，则：

式中：

F———传热面积，㎡；

m

冷凝器的长径比有一定的要求，一般L/D=3-8。

若按单程设计L太长，超过上述长径比范围时，一般可采用多程管解决。

管程数为m，则：

m=L/l

式中：

L------按单程计算的管长，m；

l-------选定的每程管长，m。

考虑到管材的合理利用，按管材一般出厂规格为6m长，则l可取为1，1.5，2，3，6m等。

此处选用l=6m，算出的m取整数。

∴m=L/l=41.37/6=6.9,圆整到7（设计时采用6程）

（3）总管数

总管数Nt=nm=60×7=420（根）

（4）管子在管板上的排列方式及管心距，偏心距

①管的排列方式：

每台冷凝器总管数为420根，考虑到分层隔板会占有一定的面积，为使到排列均匀,所以采用排列方式为正三角形法，并且六角形层数为11层,采用两台冷凝器并联方式。

具体详图见图纸。

②管心距：

采用的管径是φ25×2.5mm，根据指导书的数据以及花板排列的需要,管心距最小管心距一般采用下式计算：

焊接法：

amin＝1.25do，并且本设计中管子的连接方法采用焊接法。

但考虑到花板布置时管与管间有隔板的插入，所以相应地管心距要选得大些。

根据指导书P13表7，选用amin=32mm

③偏转角:

当卧式冷凝器的壳程为蒸汽冷凝，且管子按等边三角形排列时，为了减少液膜在列管上的包角及液膜厚度，管板在装置时，其轴线应与设备的水平轴线偏转一定角度。

根据指导书P13表8，偏转角为：

α=7°

（5）壳体直径和壳体厚度的计算

①壳体直径

壳体的直径应等于或稍大于管板的直径。

所以，从管板的计算可以决定壳体的内径。

通常用下式确定：

D=a（b-1）+2e

式中：

D-------壳体内径，mm；

a-------管心距，mm；

b------最外层的六角形对角线上的管数，查指导书P12表6本设计为23根

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）d0，本设计取e=1×25=25㎜.

则D=a（b-1）+2e=32×（23-1）+2×25=754mm，将D圆整到部颁标准尺寸，由指导书P13表9可得D=800mm

②壳体厚度的计算

当热交换器受内压时，外壳的厚度S可用下式计算：

式中：

S--------外壳壁厚,㎝

P------操作时的内压力，N/cm2（表压）

[σ]----材料的许用应力；

φ------焊缝系数，单面焊缝=0.65双面焊缝=0.85,此处选用单面焊缝的0.65；

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,此处选用0.5cm；

Di----外壳内径，80cm.

算出壳体厚度后。

还应该适当考虑安全系数，以及开孔的强度补偿措施，一般都应大于指导书P13表九的最小厚度值。

S>12m（标准最小厚度值）,符合设计要求。

6.计算校核

（1）实际流速

（2）雷诺数

di——冷凝管内径，m；

u——水流速度，m/s；

ρ——密度，kg/m3；

——粘度，Pa·s；

用水的定性温度tf＝25.5℃查得式中的值：

ρ=996.9kg/m3，

=90.26×10-5Pa·s

符合要求，流体的流动状态是湍流。

（3）传热系数K值的核算

式中：

α0——管外制冷剂冷凝膜系数，w/（m2·K）；

αi——管内冷却水的传热膜系数，w/（m2·K）；

Ao——基管外表面积，m2；

Ai——基管内表面积，m2；

Am——基管平均面积，m2；

δp——管壁厚度，m；

λp——管壁导热系数，w/（m·K），由查表得λp=45.4w/（m·K）

Ro——制冷剂侧污垢热阻，m2·K/w，本设计的制冷剂是氨，根据指导书的范围（0.35×10-3～0.6×10-3），选0.6×10-3m2·K/w；

Ri——水侧垢层热阻，m2·K/w，根据指导书P12表5，澄清河水的Ri=0.18×10-3m2·K/w；

1Ao、Ai、Am的计算

A0=πd0lNT=3.14×2.5×10-2×6×420=197.82m2

Ai=πdilNT=3.14×2.0×10-2×6×420=158.26m2

因为

/

=1.25

所以Am==

=178.04m2

2αi的计算

其中Cp、μ、λ由水的定性温度tf＝25.5℃查得:

Cp=

J/kg·℃,

λ=

w/（m·k）,μ=9.026×10-4Pa·s

Pγ=

=

=6.23

Nu=0.023•Re0.8Pγ0.4=0.023×

0.8×6.230.4=184.83W/（m2•K）

αi=

=

=5616.98W/（m2•K）

③α0的计算

α0=0.725•（

）0.25

式中μ、λ、ρ、γ分别为冷凝液的粘度、热导率、密度和汽化潜热;△t、Z、

分别为冷凝液的饱和温度和壁面温度之差、管的高度和管子的外径；n=0.6NT0.5；

此时

twn=

+

=

=26.6℃

△t=tK－twn=32℃-26.6℃=5.4℃

此时定性温度tf=tK-（△t/2）=32－（5.4/2）=29.3℃

查表得：

μ=1.380×10-4N·s/m2，λ=0.47595w/（m·K），ρ=595.955kg/m3，

γ=1147.595kJ/kgn=0.6NT0.5=0.6×4200.5≈13

=

=8.372×

104W/（m2•K）

④∴

=[

+6.0×

10－4+

×

+（1.8×10-4+

）×

]-1=729.93W/（m2•K）

（4）传热面积安全系数的验证

m2

实际的面积：

A0=πd0lNT=3.14×2.5×10-2×6×420=197.82m2

则:

安全系数I=

×100%=9.46%

符合5～15%的要求。

（5）长径比的验算

L/D

式中：

L—每程管长，m；

D—壳体内径，m；

L/D=

7.5符合指导书上3—8范围要求，设计合理。

（6）阻力的计算

冷凝器的阻力计算只需计算管程冷却的阻力，壳程为制冷剂蒸汽冷凝过程，可不计其流动阻力，按下式计算：

式中：

λ—管道摩擦阻力系数；

Z—冷却水流程数，6；

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；

Σε—局部阻力系数，可近似取为Σε=4Z。

湍流状态下，钢管λ=0.22Re-0.2=0.22

-0.2=0.028

7.22mH2O

7.热量衡算

i

图2压焓图

冷凝水进口温度为22℃，出口温度为29℃，冷凝温度为32℃，蒸发温度为-10℃，根据氨的过冷温度一般比进口温度高3～5℃，选用氨的过冷温度27℃。

则得出：

t1=—10℃，t3=t4=32℃，t4/=27℃。

查氨的压焓图得：

h1=1450kJ/kg，

h

h2=1656kJ/kg，h3=1480kJ/kg，h4=h5=355kJ/kg。

根据过热段的焓差与过冷段的焓差相同可以查得：

H1′=1490kJ/kg，h2′=1670kJ/kg，h4′=h5′=317kJ/kg。

单位制冷量q0=h1－h5′=1450－321=1129kJ/kg

循环制冷量

G=

=

=0.5314kg/s

Q放=G×（h2′－h4）=0.5314×（1670－357）＝697.73kw

Q吸＝G（h1－h5′）+G（h2′－h1′）＝0.5314×（1450－317＋1670－1490）＝697.73kw

∴Q放=Q吸即热量平衡，符合要求。

五、主体设备结构图

冷凝器的花板布置图及卧式壳管式冷凝器结构图（附图）

六、设计结果概要表

表1设计结果概要表

项目

结果

项目

结果

冷凝器类型

卧式管壳式

冷凝器换热管规格

Φ25×2.5不锈无缝钢管

蒸发温度

-10℃

冷凝温度

20℃

冷却水进口温度

12℃

冷却水出口温度

16℃

冷凝器的热负荷

776.25kw

雷诺准数

24800.15

传热平均温差

6.48℃

制冷剂

氨

冷却水流速

1.39m/s

冷却水用量

0.0463m3/s

管程数

4

管长

6m

流程管数

106

总管数

420根

管心距

31.25㎜

管的排列方式

正三角形

壳体外壳厚度

15mm

偏转角

6.4°

壳体内直径

800㎜

实际传热面积

199.70㎡

外表面传热系数

746.61w/㎡k

长径比

7.5

安全系数

9.70%

冷却水阻力

5.05mH2O

冷凝器并联个数

2个

七、设计的评价与总结

1．此次设计的难度较大，因为所给条件有限，大部分要自己查阅相关资料，要处理的数据很多，在设计过程中走了不少弯路。

对于校核中的各项，实际流速、雷诺数、传热面积、安全系数等要经过次的演算才能得到相对合理的数据。

由于参考数据的来源不同，查图表过程中也会出现不可避免的误差，所以导致设计结果会存在一定的误差。

4．在用方面，由于缺乏经验，

6．在整个设计的过程中，遇到了3个较大的困难。

参考资料不够，并且一些资料比较旧，旧到查表时都无法准确读数，这给运算带来了极大的误差。

另外，不同的参考资料的参数也有一些差别，这使我们很难做出正确的选择。

运算量大，数据关联性很大，过程中如果出现不符合要求的数据就得重新再运算，牵一发而动全身，所以要反复尝试新的设计规格，使安全系数等符合要求。

花板图和结构图的设计和绘画有较大困难，经验不足，操作生疏。

通过本次课程设计，使我们的独立工作能力、设计能力、动手能力得到了极大的提高。

在设计的过程中锻炼了我们的统筹、创新、综合运用知识的能力；在反复演算的过程中既锻炼了我们的计算能力及提高了我们EXCEL操作能力，又锻炼了耐性。

最后要感谢老师在整个设计过程中对我们耐心的帮助和指导，使我们能以顺利完成设计。

虽然设计出来的冷凝器在一定程度上不成熟，但设计过程中，我已经体验到了课程设计的乐趣，并且对课本的知识掌握得更加清晰、牢固了。

总的来说，无论从设计结果上，还是过程中学到、体会到的设计思路上，本次设计都算是成功。

八、参考文献