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。

本方案采用F—22为制冷剂，F—22化学式为CHF2Cl，名称为二氟一氯甲烷，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（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△tt2-t1可以冷凝器的传热面积tk-t1lntk-t2FQLQLKtq，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tk，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tk=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QLQ0，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t0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t0取值-8~-4℃。综上所述，确定蒸发温度t0=-10℃。

冷凝器内过冷一般不小于1℃，取过冷温度tg=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d0=38mm，di=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

QLQ0 式中：QL――冷凝器的热负荷；Kw

Q0――制冷量；Q0 =1700kw。

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。

蒸发温度t0=-10℃，冷凝剂（F22）的冷凝温度tk=35℃，得系数φ=1.19。 QL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。

FQLQLKtq

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。

，卧式管壳式（氟利昂）冷凝器的传热系数K＝800w/（m2·K）。

△tttttlntt21kk=

123226=5.45℃

35-26ln3532 F

2023*10002463.99m

800*5.45三、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：

MQL3600Kw/h

CPt2t1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； 则:

体积流量Mt、t12――冷却水进、出冷凝器的温度，K或℃。

20233600=289966.56g/s。

4.186(3226)M0.081m3/s（ρ＝998 kg/m3）

*3600冷却水体积V=

四、管数、管程数

1.管数 由下式求得单程管子总数n

nV4

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：n0.081d2u463.17,取整n=64

4V40.0811.48m/s nd23.14640.03320.0331.52. 取整后的实际流速u2.管程数 按单程冷凝器计算，管速长度为L，则

AL3.14nd

式中：F――传热面积，m2；A取预算传热面积；

其他符号同前，

LF69.97m，

643.140.033

则：管程数为m

Ll

式中：L――按单程计算的管长，m；

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

（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：MQL202380.55kg/s

Cp(t2t1)4.186(3226) 实际流速：u1.48m/s

雷诺数：Redu0.0331.4899860836.65 > 104 580.1210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：

Lu2u HfZd2g2g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；

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；

—— 局部阻力系数，可近似取为Σε

=4Z。

Lu2u41.4821.48HfZ0.027124128.01m水柱d2g2g0.03329.829.8

三、安全系数

1.管外总传热面积：

A1=NTπd0l＝768×3.14×0.038×6＝549.83m2

2.管内总传热面积：

A2＝NTπdl＝768×3.14×0.033×6＝477.48m2

3.实际总传热面积：

2A＝（A1＋A2）/2＝（549.83+477.48）/2=513.66m

4.理论总传热面积： A'＝QL/(K·△t)=463.99m2 5.安全系数:

ε

＝A实际AA理理（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。

Lu2u2HfZd2g2g

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； di=0.02m； u——冷却水在管内的流速，m/s； ui=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。

Lu2u2=6.12mH2O。 HfZd2g2g

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

sPDC 式中：s ——— 外壳壁厚，cm；

2PP——— 操作时的内压力，N/cm2（表压），根据壁温查得为80.8N/cm2；

[ζ] —— 材料的许用应力， N/cm2；

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。

s

80.8*20000.71.64cm

2132300.6580.8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：

lgP 3’ 3 2’ 2 4 1 1’ h3=h4 h1 h2 h

图1 压焓图

设计过冷温度tg=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：

h1=1484kJ/kg, h2=1516kJ/kg, h3=h4=292.65kJ/kg.

2. 单位制冷量

qo=h1-h4=1191.35kJ/kg，

3. 制冷循环量

G=QL/q0=2023/1191.35kg/s=1.70;

4. 制冷剂的总放热量

QK=G（h2-h1）=2213.45kw

5. 热量衡算

本方案符合设计要求：Qk≈QL

（七）设计概要表

类型 项目 冷凝器类型 冷 凝 器 并联台数 壳体内径 壳体壁厚 每台机热负荷 安全系数 指标 卧式列管冷凝器 7 1878mm 0.17cm 2023kw 10.7% 冷 却 剂 类型 项目 管内流速 进口温度 出口温度 冷却水用量 Re 冷却水阻力 指标 1.5m/s 26°C 32°C 88.55kg/s 60836.65 6.12mH2O 换热管类型 总管数 每程管数 管 道 管程数 管长 管子的排列方式 管心距 偏心角 Ф38×2.5mm光滑无缝钢管 768 64 12 6 正三角形排列 47mm 7° 制 冷 剂 氟利昂 管外流速 蒸发温度 冷凝温度 过冷温度 单位制冷量 制冷循环量 F22 0.35m/s -10°C 35°C 32°C 1191.35kJ/kg 0.4065kg/s

（八）主要符号表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

名称 焓 压力 温度 流速 粘度 密度 阻力 比热 管径 管数 管程数 总管数 管心距 壳体直径 符号 i P t u μ p Hf Cp d n m NT a D 单位 kj/kg Pa ℃ m/s Pa·s kg/m3 mH2O J/kg·k m mm mm 序号 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 名称 壳体 厚度 单位制冷量 制冷循环量 热负荷 冷却水用量 体积流量 传热面积 汽化潜热 污垢热阻 导热系数 摩擦阻力系数 传热系数 传热膜系数 符号 s q0 G QL M V A r R λ ε 单位 mm kj/kg kg/s kw kg/h m3/s m2 kj/kg m2·k/w w/m·k w/m2·k w/m2·k α

（九）主体设备结构图

冷凝器（并联） 回热器 压缩机 节流阀

蒸发器

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