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……………………………1流程示意图…………………………………………………2设计方案的确定及说明……………………………………3设计方案的计算及说明（包括校核）……………………5设计结果主要参数表……………………………………13主要符号表……………………………………………13设计评价及问题讨论……………………………………15参考文献……………………………………………161一食品工程原理课程设计任务书一．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（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*100（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15℃4.传热面积安全系数5%～15%。四．设计要求：1.对确定的工艺流程进行简要论述；2.物料衡算，热量衡算；3.确定管式冷凝器的主要结构尺寸；24.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（包括校核）；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,管壳式冷凝器的装配图A3纸一张。二、流程示意图流程图说明：3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、设计方案的确定及说明。1·流体流入空间的选择本设计采用河水为冷却剂，河水比较脏和硬度较高，受热后容易结垢。同时，氨走壳程也便于散热，从而减少冷却水的用量。因此，为方便清洗4和提高热交换率，冷却水应走管程，氨制冷剂应走壳程。2·流速的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。3·冷却剂适宜温度的确定及制冷剂蒸发温度错误!未找到引用源。，冷凝温度错误!未找到引用源。，过热温度错误!未找到引用源。和过冷温度错误!未找到引用源。。本设计冷却剂的进口温度错误!未找到引用源。为15℃。而一般卧式管壳式冷凝器冷却剂的进出口的温度之差为4～错误!未找到引用源。0℃，本方案取为6℃，所以出口温度错误!未找到引用源。为21℃。冷库温度为0～4错误!未找到引用源。本设计取0℃，蒸发温度一般比库内空气低8～12℃本设计取错误!未找到引用源。t0=-10℃可取7～14℃本设计取tk=25℃。过冷温度比冷凝温度低3～5℃本设计取错误!未找到引用源。u=20℃过热温度比蒸发温度高3～5℃本设计取错误!未找到引用源。p=-5℃4·冷凝器的造型和计算4．1水冷式冷凝器的类型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。5本方案采用氨为制冷剂，氨化学式为NH3，标准沸点为—33.34°C，密度比空气小，极易溶于水，易液化。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，氨所用的管道采用低肋管；5、室内布置，操作较为方便。4．2冷凝器的选型计算4．2．1冷凝器的热负荷4．2．2冷凝器的传热面积计算4．2．3冷凝器冷却水用量4．2．4冷凝器的阻力计算5·管数、管程数和管子的排列5．1管数及管程数5．2管子在管板上的排列方式5．3管心距6·壳体直径及壳体厚度的计算6．1壳体直径，厚度计算6四、设计计算及说明（包括校核）（一）设计计算1、冷凝器的热负荷：冷凝器的热负荷是制冷剂的过热蒸汽在冷凝过程中所放出的总热量，可用制冷剂的压－焓图算出。公式如下：0QQLkw式中:LQ————冷凝器的热负荷，kw；0Q————制冷量，500kw；————系数，与蒸发温度tk、气缸冷却方式及制冷剂种类有关，由《食品工程原理设计指导书》图3查出。在蒸发温度0t为-10℃，冷凝温度kt为35℃，查得为1.19。∴LQ=1.19×500=595kw2、传热平均温差：2112lntttttttkk82.1621351535ln1521℃3、冷凝器的传热面积计算：根据选用卧式管壳式水冷冷凝器及设计指导书表4各种冷凝器的热力性能，取传热系数为800w/（㎡·k）tKQFL0式中：K————传热系数，w/㎡、℃；（由《食品工程原理设计指导书》表3中可取750）F————冷凝器得传热面积，㎡；7LQ————冷凝器得热负荷，w；t————传热平均温差，℃82.16t℃29.4182.168001000595mF4、冷凝器冷却水用量：3600)(12ttCQMpLkg/h式中：LQ————冷凝器的热负荷，kw；pC————冷却水的定压比热，KJ/kg·k；淡水可取4.186；1t————冷却水进出冷凝器得温度，K或℃；2t————冷却水进出冷凝器得温度，K或℃。hkgM3.852843600)1521(186.45955、冷凝器冷却水体积流量：MV3/mkg式中：————取995.73/mkg；smmkghkgMV33024.03600/7.995/3.8528436006、管数和管程数和管束的分程、管子的排列的确定：1)确定单程管数n由《制冷原理及设备》一书查得，冷凝器内冷却水在管内流速可选取1.5m/s。设计中选用38×2.5mm不锈无缝钢管作为冷凝器内换热管。8udVn24式中：V———管内流体的体积流量，㎡/s；d———管子内直径，m；u———流体流速，m/s。5.195.1033.0414.3024.02n圆整为20取整后的实际流速smndVu/40.1033.02014.3024.044222)管程数：管束长度dnFL式中：F———传热面积，㎡；L———按单程计算的管长，m。m22.20033.014.3209.41L管程数lLm式中：l为选定的每程管长，m，考虑到管材的合理利用，l取3m。74.6322.20m圆整为7所以冷凝器的总管数TN为140720mnNT根3）管心距а和偏转角α查可得管心距а=48mm偏转角α=7℃94）管子在管板上的排列方式管子在管板上排列时，应使管子在整个冷凝器截面上均匀而紧凑地分布，还要考虑流体性质，设备结垢以及制造等方面地问题。管子的排列和挡板、隔板的安排如花板布置图所示（如附图）。7.壳体直径及壳体厚度的计算1）壳体直径的计算壳体的内径应稍大于或等于管板的直径，所以，从管板直径的计算可以决定壳体的内径.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(或同心圆直径)；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，这里取1.4。D=48×（39－1）＋2×1.4×33=1824＋92.4=1916.4mm圆整为2000mm2）壳体厚度(s)的计算CPPDs2式中：s——外壳壁厚，cm；P——操作时的内压力，N/cm2（表压），根据壁温查得为80.8N/cm2；[σ]——材料的许用应力，N/cm2；10查得不锈无缝管YB804-70的许用应力是13230N/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0.7D——外壳内径，cm。cms64.17.08.8065.01323022000*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（二）设计校核1.雷诺数计算及流型判断冷凝器冷却水用量：skgttCQMpL/7.23)1521(186.4595)(12实际流速：su/m40.1雷诺数：9.573571012.807.99540.1033.0Re5du104所以流型为湍流。2.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：guZgudLHf222式中：———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；11L———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；——局部阻力系数，可近似取为Σε=4Z。水柱mguZgudLHf76.78.9240.14448.92033.040.122.20027.022223.热量衡算下图为氨在实际制冷循环中的压焓图本设计确定：1）蒸发温度to为：—10℃2）冷凝温度tk为：25℃3）冷却水出口温度t2为：21℃4）过冷温度tu为：20℃5）热量Q0＝500kw制冷循环简易流程为：1—1’—2—2’—3—4—5—6。12其中1—1’—2在压缩机中压缩的等熵过程，2—2’—3在冷凝器冷却的等压过程，3—4在冷凝器中冷凝的等压等温过程，4—5为过冷过程，5—6为在膨胀阀里作等焓膨胀过程，6—1为在蒸发器中沸腾蒸发的吸热等压等温过程。制冷剂在低温低压液体状态时吸热达到沸点后蒸发成为低温低压蒸汽，蒸发成气体的制冷剂在压缩机作用下成为高温高压气体，此高温高压气体冷凝后成为高压液体，高压液体经过膨胀阀后变成低压低温液体，再度吸热蒸发构成了冷冻机的制冷循环。过热温度的确定可以由过冷温度通过热量衡算得出（蒸汽潜热）。根据F-22压焓图查得（kj/kg）：h1=402kj/kg，h1’=h1+(h4-h4’)=412kj/kg，h2=445kj/kg，h2’=430kj/kg，h3=415kj/kg，h4=245kj/kg，h5=h4’=235kj/kg，h6=h1=402kj/kg单位制冷量：q0=h1－h5=402－235=167kj/kg制冷循环量：G＝Q0/q0＝500×3600/167＝10778.4kg/h单位循环量：G=Qo/qo=500/167=2.99kg/s冷却放热量：G×（h2’-h3）=2.99×（430-415）=44.85冷凝放热量：G×（h3-h4）=2.99×（415-245）=508.3过冷放热量：G×（h4-h4’）=2.99×(245-235)=29.9过热吸热量：G×（h1’-h1）=2.99×(412-402)=29.9压缩功：wt=h2’=h1’=430-412=18理论的制冷系数：εt=qo/wt=167/18=9.28由此可见，本设计热量基本平衡，符合实际要求。4.传热面积安全系数%100''AAA＝式中：A———实际布置所得的传热面积，m2；13'A———理论传热面积，m2管外总传热面积：1A＝NTπd0l＝140×3.14×0.038×3＝50.11442m管内总传热面积