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食品工程原理课程设计

一管壳式冷凝器设计

食品工程原理课程设计任务书

流程示意图

设计方案的确定

冷凝器的造型计算6

核算安全系数£

管壳式冷凝器零部件的设计

设计概要表It

主体设备结构图

设计评论及讨论H

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M2、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Q.=I7OOKW；

2、高温库,工作温度0〜JC,采用回热循环；

$、冷凝器用河水为冷却剂，取进水温度为26*28°C：

眼传热面积安全系数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；

$・确定列管壳式冷却器的主要结构尺寸；

几计算阻力;

5・编写设计说明书（包括：

①•封面；②・|_1录；③•设计题日；④•流程示意图；⑤•流程及方案的说明和论证；⑥设讣讣算及说明；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（$号图纸）、花板布置图（5号或理号图纸）。

（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，共分为彳个阶段,分別是压缩、冷凝、膨胀、蒸发。

I~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~J高温高压的r-n蒸汽进入冷凝器：

r-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。

A―『液态f-22不断贮存在贮氨器中：

出―勺使用时F-22液经膨胀阀作用后其压力、温度降低，并进入蒸发器；

5~I低压的f-M蒸汽在蒸发器中不断的吸收周囤的热量而汽化，然后又被压缩机吸入，从而形成一个循环。

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。

所设讣的卧式管壳式冷凝器采用管内多程式结构，冷却水迟管程，『一22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r-M为制冷剂，『一伽化学式为cnr2ci,名称为二氟一氯甲烷，标准沸点为-40e8C，凝固温度为一I60C,不燃烧，不爆炸，无色，无味。

冷凝器型式的选择：

本方案釆用卧式壳管式冷凝器。

卧式管壳式水冷凝器的优点是：

I、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；

$、冷却水进、出口温差大，耗水量少;

乩为增加其传热面积，「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

山于冷却剂为河水，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（M2）走壳程。

三、流速选择

查得列管换热器管内水的流速，管程为0・$〜壳程0・2〜l.5m//[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l.5m//o

四、冷却剂适宜出口温度的确定

任务书要求进水温度为26*18°C,选择进口温度Co卧式冷凝器的

端部最大温差（孔占）可取7*M°C,冷却水进口温差为吗~10°Co

提高冷凝器的传热平均温差△t=仝二—可以冷凝器的传热面积

In山

lk_t2

F_Ql_Ql

knq,从而减少传热面积、降低成本。

前提是出口水温度不能上2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上2=皿°6冷凝剂（M2）的冷凝温度tk=J5°Co

五、冷凝剂的蒸发温度和过冷温度确定

冷凝器的热负荷Qi®减少系数＜p可以有效降低热负荷。

其中热负荷系数（P受冷凝温度和蒸发温度影响，蒸发温度"提高，可以降低热负荷系数（Po曲于冷凝剂的蒸发温度要比工作温度低8*IO°C,已知工作温度为0~『C,即5

取值・8=『C。

综上所述，确定蒸发温度^=-IOCo

冷凝器内过冷一般不小于l°C,取过冷温度tg=52°Co

六、管体材料及管型的选择

选取规格为18x2.5的换热器用普通无缝钢管，则d0=58mm,d=55mm,

8p=2«5mm

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=①a

式中：

——冷凝器的热负荷；Kui

0制冷量；＜20=l700kuio

（P——系数，与蒸发温度％、冷凝温度J、气缸冷却方式以及制冷剂种类有关。

蒸发温度to=-IO°C,冷凝剂（42）的冷凝温度tk=J5°C,得系数（p=l.l9o

总=I.I9Xl700kui=2025kuio

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。

=2=鱼K△/q

式中：

f一一冷凝器的传热面积，m2

传热系数，ui/（m-K）；

At一一传热平均温度差，°C；

q单位面积热负荷，in/m2o

卧式管壳式（氟利昂）冷凝器的传热系数K=800w/（m-K）o

△2上亠寻经"C

t—ti35-26

-仃fiIn

ln7TT35-32Ikh

f=2023*1000=4639:

800*5.45rn

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:

式中：

01——冷凝器的热负荷，Kui；

OP——冷却水的定压比热,KJ/（kgK）,淡水取4.186；

冷却水进、出冷凝器的温度，K或。

C。

2023

则:

体积流量M=4.186；02-26）*泌渤叭肌也

冷却水体积▼二=0.081mJ//（p=998ka/m）

q*3600

4.管数、管程数

I•管数山下式求得单程管子总数n

式中：

Y—管内流体的体积流量，m*//：

d—管子内直径，m；

u—流体流速，m//：

查“热交换器用普通无缝钢管”表【1],选取规格为58X2.5的热交换用普

通无缝钢管，其内径而流体的流速1.5m//o

则：

“=_=63.17•取整

-xO.O332xl.5

・取整后的实际流速a=,=空（巴*"_=1.48〃?

mid13.14x64x0.0332

■•管程数按单程冷凝器讣算，管速长度为I,则

L=A

3.14/zJ

式中：

f——传热面积，A取预算传热面积；

其他符号同前，

L==69.97m.

64x3.14x0.033

则：

管程数为m

m=—

式中：

I一一按单程计算的管长，m：

I一一选定的每程管长，m；按管材一般出厂规格为6ffi,贝畀可取I、1.5.

2、$、等，取l=6m。

m=69e97/6=11.66,取整mW

采用6管程后，冷凝器的总管数I1T为：

nT=n-m=768根

（五）核算安全系数

一、雷诺数计算及流型判断

实际流速：

"=l・48m/s

雷诺数：

Re=^=

=0.033x1.48x998=6083665…

80.12x10，

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：

式中：

2一管道摩擦阻力系数，湍流状态下，钢管X=0.11Re-0.2；

Z—冷却水流程数；

I—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//：

9重力加速度，m//2；

工'一局部阻力系数，可近似取为工£=4Zo

Ht=2-—Z+Yg—=0,027x4xL48"_x12+4x12x-^-=8.01〃mK柱

d2gJ2g0.033x2x9.82x9.8

三、安全系数

I•管外总传热面积:

=ntnd.|=768X5.MX0.0J8X6=5fl9.8J/n2

■•管内总传热面积：

A,=nTn<11=768X5.14X0.0IIX6=477.48/«2

$•实际总传热面积：

A=（儿+仏）/2=（M9・8$

•理论总传热面积：

q'=2/（K・冲&$・99加$

••安全系数：

£=_=/46S.99X100%=10.7%

A理

一般要求安全系数为$%〜is%（o.oro.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。

孔"+佥Z+工哙

式中：

入一管道的磨擦阻力系数：

在湍流状态下，钢管入=0.22Re-0.2：

本设计所用为钢管则：

入=0.MRe-0.2=0.Mxl8065.6-0.i=0.02857：

Z—冷却水流程数：

乂=管程m=6：

I—食J：

根管了的冇效长度，m：

l=6m：

d—管子内直径，m；dj=0.02m；

u—冷却水在管内的流速，m/j；u4=1.412m//；

9—重力加速度，m/M

&—局部阻力系数，可近似取为：

0=/JZ=4x6=24o

H.=2-—-^―Z+=6.l2mH.Oefd2g2g

二•壳体内径、厚度的计算

I.管心距、偏转角

查指导书的表8,管子外径do=58mm,其管心距a=47mm,偏转角a=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=o（b—I）+2。

式中：

D壳体的内径，mm；

a管心距，mm；do=0.025mci=5i:

b—一最外层的六角形对角线上的管数；查表得，总管数为26鼻对应

最外层六角形对角线上的管数为b=59o

e一一六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离。

一般取（I〜1・5）

本设计方案取Ido=i5mm,

D=q（b-l）+2e=47«（59-1）+2x|・Ax$$=|878・Amm

山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|>=

lOOOmmo

I.壳体厚度

w^+c式中：

一外壳壁厚，g

P——操作时的内压力，n/cm2（表压），根据壁温查得为80<8n/cm2；

[a]—材料的许用应力，n/cm2；

查得不锈无缝管YB804-70的许用应力是

n/cm2

（P——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・l〜0・8）cm之间，根据流体的腐蚀性而

定；取0・7

D外壳内径，emo

80.8*2000

2x13230x0.65-80.8

适当考虑安全系数及开孔的强度补偿措施，决定取/=!

7mm

三.热量衡算

I-回热循环:

h>=h<

阪i■ixM-rsi

设计过冷温度t广M°C，查"2（氟利昂）的压焙图、焰湿图，得循环的I,2,

$,冲点的焙值分别为:

h严M8AkJ/Xg・h2=ISIdkJ/kg・h3=h4=292.65kJ/kQ・

1.单位制冷量

qo=hl-h^l=ll9l.55kJ/k9，

5-制冷循环量

G=Q,/qo=2O2S/l191.S5k9//=1.70:

4.制冷剂的总放热量

Qk=G（h2-hI）=22l5.45kuj

5.热量衡算

本方案符合设计要求：

Ok~0|.

（七）设计概要表

项目

指标

类型

项目

指标

类型

冷

凝

器

冷凝器类型

卧式列管冷凝器

冷

却

剂

管内流速

L5m//

并联台数

进口温度

26°C

壳体内径

1878mm

出口温度

J2°C

壳体壁厚

0.17cm

冷却水用量

88«55k9//

每台机热负荷

60856>65

安全系数

10>7%

冷却水阻力

&J2mH.O

管

道

换热管类型

GS8x2»5mm光

滑无缝钢管

制

冷

剂

氟利昂

总管数

768

管外流速

0.55m//

每程管数

蒸发温度

-10°C

管程数

冷凝温度

J5°C

管长

过冷温度

J2°C

管子的排列方

式

正二角形排列

单位制冷量

H9LS5kJ/k

管心距

制冷循环量

0>4065k9//

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

焙

kj/k9

壳体厚度

压力

单位制冷量

■

kj/kg

温度

°C

制冷循环量

kg//

流速

m//

热负荷

kui

粘度

Po-/

冷却水用量

■

Xg/h

密度

kg/m'

体积流量

▼

m*//

阻力

mHtO

传热面积

•

比热

J/k9k

汽化潜热

kj/kg

■

管径

•

污垢热阻

m'k/uj

管数

导热系数

ui/mk

管程数

摩擦阻力系数

总管数

flr

传热系数

€

uj/m'k

管心距

传热膜系数

ui/m^k

壳体直径

（九）主体设备结构图

蒸发器

流程及原理：

经压缩机圧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U的。

此后，气体返流经过回热器，同压缩气体进行热交换后乂进入压缩机中被压缩。

具体结构设计图，见附录CUD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定出口温度、传热面积、流速、管径等数据来完成设计，其中有部分参数和计算公式需要查找相关资料，如化工手册和实用冷冻手册，各种资料中查出的参考计算公式和数据有所不同，导致再整个设计工程中，设计思路产生分歧，产生儿种设计方案，经过反复验证和数据计算才确定其中一种，山于参考数据的来源不同,可能导致设计结果存在误差。

其次，计算过程中各个步骤要经过反复的校核，符合要求才能继续，如计算管程数时需校核径比。

计算结束后要进行校核，要求雷诺数ROI04,传热系数£（700-800）,安全系数在5-15%内，经过校核计算，都能满足要求，如果不考虑经济其他因素，这个设计是成功的。

这次的课程设计很好地检验了本人掌握工程原理知识的程度，暴露出各种不足之处，让本人可以及时纠正存在的不足和错误，加深我对这门课程的了解，如使我更全面的了解到冷凝器的结构和要求，进一步了解冷凝器的各种知识等，学到了很多书本上没有的东西。

我深刻体会到只有课内课外相结合，最后的设计结果才能比较符合实际，

在本方案设计•过程中，山于受到各种条件的限制，不能更好的解决设计中遇到的问题，所以造成很多不合理或设计•不够理想的地方，请老师多多包涵，指出其错漏之处！

（十一）参考文献

［1］李雁•宋贤良.《食品工程原理课程设计指导书》•华南农业大学印刷厂印

刷.2006

［2］李云飞•葛克山.《食品工程原理》・中国轻工业出版社.2001

［巧高福成.《食品工程原理》・中国轻工业出版社.1998

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