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：

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）。

（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；

2 3 高温高压的F—22蒸汽进入冷凝器；F—22蒸汽在冷凝器中受冷却水的冷却，放出热量后由气体变成液态氨。

4 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；

5 1 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。

Cl，名称为二氟一氯甲本方案采用F—22为制冷剂，F—22化学式为CHF

2

烷，标准沸点为—40.8℃，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0.5～3m/s ，壳程0.2～1.5m/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1.5m/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（t k -t 1）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△2

k 1k 1

2t -t t -t ln

t -t t =

可以冷凝器的传热面积q Q

t K Q F L

L =?=

，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t k ，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t k =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

Q Q L Φ=，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t 0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t 0=-10℃。

冷凝器内过冷一般不小于1℃，取过冷温度t g =32℃。

六、管体材料及管型的选择

选取规格为38×2.5的换热器用普通无缝钢管，则d 0=38mm ，d i =33mm ，δp=2.5mm

（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

Q Q L Φ=

式中：QL ――冷凝器的热负荷；Kw

0Q ――制冷量；0Q =1700kw 。

φ――系数，与蒸发温度t 0、冷凝温度t K 、气缸冷却方式以及制冷剂种类有关。

蒸发温度t 0=-10℃，冷凝剂（F22）的冷凝温度t k =35℃，得系数φ=1.19。 Q L 总=1.19×1700kw= 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。

q Q t K Q F L

L =?=

式中：F ――冷凝器的传热面积，m 2；

K ――传热系数，w/（m 2·K ）； Δt ――传热平均温度差，℃； q ――单位面积热负荷，w/ m 2。

，卧式管壳式（氟利昂）冷凝器的传热系数K ＝800w/（m 2·K ）。

△t

t t t t

t k

k t 2

112

ln

---=

=

32

3526-35ln

26

32--=5.45℃

m F 2

99.46345

.5*8001000*2023==

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：

()

h Kw t t C Q M P L

/360012?-=

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； t 1

、t

2

――冷却水进、出冷凝器的温度，K 或℃。

则:

体积流量3600)

2632(186.42023

?-?=

M =289966.56g/s 。

冷却水体积V=081.03600

*=ρM

m 3

/s （ρ＝998 kg/m 3

）

四、管数、管程数

1.管数 由下式求得单程管子总数n

u

d V

n 24

π

=

式中：V ——管内流体的体积流量，m 3

/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× 2.5的热交换用普通无缝钢管，其内径d ＝33mm 。而流体的流速u ＝1.5 m/s 。 则：17.635

.1033.04

081

.02=??=

π

n ,取整n=64

. 取整后的实际流速s m nd V u /48.1033

.06414.3081

.0442

2=???==

π 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，m 2；A 取预算传热面积；

其他符号同前，

97.69033

.014.364=??=

F

L m ，

则：管程数为m

l L 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=69.97/6=11.66，取整m=12

采用6管程后，冷凝器的总管数NT 为：NT=n ·m=768根

nd

A

L 14.3=

（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：s kg t t C Q M p L /55.80)

2632(186.42023

)(12=-?=-=

实际流速：s u /m 48.1=

雷诺数：65.6083610

12.80998

48.1033.0Re 5

=???=

=

-μ

ρ

du > 104

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：

∑+=g

u

Z g u d L H f 222ε

λ 式中：λ——— 管道摩擦阻力系数，湍流状态下，钢管λ=0.22Re-0.2；

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/s 2；

∑ε—— 局部阻力系数，可近似取为Σε=4Z 。

水柱

m g u Z g u d L H f 01.88

.9248

.1124128.92033.048.14027.02222=???+?????=+=∑ελ

三、安全系数

1.管外总传热面积：

1A =N T

πd 0

l ＝768×3.14×0.038×6＝549.832m

2.管内总传热面积：

2A ＝N T

πdl ＝768×3.14×0.033×6＝477.482m

3.实际总传热面积：

A ＝（1A ＋2A ）/2＝（549.83+477.48）/2=513.662

m

4.理论总传热面积：

'A ＝L Q /(K ·△t)=463.992m 5.安全系数:

ε＝

=-A

A A 理

理

实际

（513.66-463.99）/463.99×100%＝10.7％

一般要求安全系数为3％～15％（0.03~0.15），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。

g u Z g u d L H f 2222ε

λ∑+???=

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 ； d i =0.02m ； u ——冷却水在管内的流速，m/s ； u i =1.412 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。

g

u Z g u d L H f 222

2ελ∑+???==6.12mH 2

O 。

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=38mm ，其管心距a=47mm ，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 ；do=0.025m 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 ＝（1～1.5）do

本设计方案取e ＝1do ＝25 mm ，

故D=a （b －1）＋2e ＝47×（39－1）＋2×1.4×33＝1878.4mm 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

[]C P

PD

s +-=

?σ2 式中：s ——— 外壳壁厚，cm ；

P ——— 操作时的内压力，N/cm 2（表压），根据壁温查得为80.8N/cm 2；

[σ] —— 材料的许用应力， N/cm 2；

查得不锈无缝管YB804-70的许用应力是13230

N/cm2

φ——— 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（0.1～0.8）cm 之间，根据流体的腐蚀性而

定；取0.7

D ——— 外壳内径，cm 。

cm s 64.17.08

.8065.01323022000

*8.80=+-??=

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

1. 回热循环：

设计过冷温度t g =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：

h 1=1484kJ/kg, h 2=1516kJ/kg, h 3=h 4=292.65kJ/kg.

2. 单位制冷量

qo=h1-h4=1191.35kJ/kg ，

3. 制冷循环量

G=Q L /q 0=2023/1191.35kg/s=1.70;

4. 制冷剂的总放热量

Q K =G （h2-h1）=2213.45kw

5. 热量衡算

本方案符合设计要求：Q k ≈Q L

（七）设计概要表

h

h 1

h 2

h 3

=h 4

图1 压焓图

（八）主要符号表

（九）主体设备结构图

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。

具体结构设计图，见附录CAD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，产生几种设计方案，经过反复验证和数据计算才确定其中一种，由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Re>104，传热系数ε（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，由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. 2002

[3] 高福成. 《食品工程原理》. 中国轻工业出版社. 1998