食品工程原理课程设计

1“食品工程原理”课程设计管壳式冷凝器设计2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··································································································103（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。4三、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5成本，尽可能使得Re104；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△ttttttkkt2112ln，可以冷凝器的传热面积qQtKQFLL，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0QQL，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0QQL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。6qQtKQFLL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）。△ttttttkkt2112ln=21251525ln1521=6.54814mF245.9254814.68007143.484285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：360012ttCQMPLkg/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3600)1521(186.47143.484285M=19.28kg/s。冷却水体积V=01932.0Mm3/s（ρ＝998kg/m3）四.管数、管程数1.管数由下式求得单程管子总数nudVn24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57.43412.102.0401932.02n,取整n=44.2.管程数按单程冷凝器计算，管速长度为L，则7ndAL14.3式中：F――传热面积，m2；A取预算传热面积；其他符号同前，46.3302.014.344FLm，则管程数为mlLm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αo4132o725.0TZdgro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,8.5015610025.00001519.04939.09984.11865828.9725.04132ow/m2·k。2.管内冷却水的传热膜系数4.08.08.0Pr023.0023.0einpiiiRdCudd应用范围：Re10000,0.7Pr120,l/di≥60；水被加热n=0.4，8定性温度：流体进出口温度的算术平均值5.17221tt°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=0010042.0412.199802.0udii=28065.6418.25985.00010042.04183Pr4.04.04.0pC543018.2)02.05985.0(023.0Pr023.064.280658.04.08.0eiiRdw/m2·k。3.以管外表面积为基准的Ko；1qq11iiimppoooAARAARK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/s1m/s，则取Ri=0.18×10－3㎡·k/w。1qq11iiimppoooAARAARK=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=AAA理实际理