食品工程原理课程设计报告书

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1、食品工程原理课程设计-管壳式冷凝器设计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、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Q=1700KW2、高温库，工作温度04C,采用回热循环；3、冷凝器用河水为冷却剂，取进水温度为 2628C；4、传热面积安全系数515%四、设计要求：1.

2、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：.封面；.目录；.设计题目；流程示意图；流程及方案的说明和论证；设计计算及说明；主体设备结构图； 设计结果概要表；对设计的评价及问题讨论；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）流程示意图八.-默器流程图说明：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 一2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

3、；2 3高温高压的F22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 铲 液态F 22不断贮存在贮氨器中；4一5使用时F22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F22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- -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，F22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。（二）设计方案的确定设计方案的确定包括制冷剂的选

4、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F22为制冷剂，F22化学式为CHF2CI，名称为二氟一氯甲 烷，标准沸点为一40.8 C,凝固温度为一160C，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

5、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 0.53m/s,壳程0.21.5m/s2； 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2628C，选择进口温度7 =26 C。

6、卧式冷凝器的端部最大温差（t k-t J可取714 C,冷却水进口温差为410 Co提高冷凝器的传热平均温差 tT可以冷凝器的传热面积lntk - t2QlQl高于Kt q，从而减少传热面积、降低成本。前提是出口水温度不能冷凝剂的冷凝温度t k ,跨程温差小于28 Co所以确定出口水温度上=32 C,冷凝剂（F22）的冷凝温度t k =35 Co五、冷凝剂的蒸发温度和过冷温度确定冷凝器的热负荷QlQo，减少系数可以有效降低热负荷。其中热负荷系数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o 由于冷凝剂的蒸发温度要比工作温度低 810C,已知工作温度为04C,即t o取 值-

7、8-4 C。综上所述，确定蒸发温度t o=-1OC。冷凝器内过冷一般不小于1C,取过冷温度tg=32Co六、管体材料及管型的选择选取规格为38X 2.5的换热器用普通无缝钢管，则 do=38mm di =33mmS p=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QLQ0式中：QL冷凝器的热负荷；KwQo制冷量；Qo =1700kw。 系数，与蒸发温度to、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 C,冷凝剂（F22）的冷凝温度t k=35C,得系数 =1.19Ql 总=1.19 x 1700kw

8、= 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。QlQlK t q式中：F冷凝器的传热面积，m2 ;K 传热系数，w/ (m2 K); t 传热平均温度差，C；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）t2 t132 26Initk t2In沦35 32=5.45 C2023*1000800*5.45463.99 m2三、冷凝器冷却水用量计算3600 Kw / h水冷式冷凝器的冷却水用量可以用下式求得:式中：QL冷凝器的热负荷，KwCP冷却水的定压比热，KJ/ (kg K

9、)，淡水取4.186 ;右、t2冷却水进、出冷凝器的温度，K或C。QlCp t2tl则:体积流量M3600 =289966.56g/s。4.186 (32 26)冷却水体积 V=一M一 0.081 mVs (p = 998 kg/m 3) *3600四、管数、管程数1. 管数由下式求得单程管子总数nVn d 2u4式中：v管内流体的体积流量，m /s;d管子内直径，mu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38X 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：n0.08163.17,取整 n=6440.0332 1.5取整后的实

10、际流速u4V4 0.081nd23.14 64 0.03321.48m/s2. 管程数按单程冷凝器计算，管速长度为L,则3.14 nd式中：F传热面积，m2 ; A取预算传热面积;其他符号同前，L-69.97 m64 3.14 0.033则：管程数为mLm l式中：l按单程计算的管长，mi 选定的每程管长，m按管材一般出厂规格为6m则I可取1、1.5、2、3、6m等，取 I = 6mm=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=nm=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：MQl202380.55kg/sCp(t2 tj

11、4.186 (32 26)实际流速：u 1.48m/s雷诺数：Redu0.033 1.48 99860836.65 1080.12 10所以流型为湍流。、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:Hfd 2gu2g式中：管道摩擦阻力系数，湍流状态下，钢管入=0.22Re-0.2Z冷却水流程数；l每根管子的有效长度，md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，可近似取为工& =4乙d 2gu4 1.4821.480.027124 12 -2g0.033 2 9.82 9.

12、88.01m水柱三、安全系数1. 管外总传热面积:2A =Mn dol = 768X 3.14 X 0.038 X 6= 549.83 m2. 管内总传热面积：2A = NT n dl = 768 X 3.14 X 0.033 X 6= 477.48 m3. 实际总传热面积：A =( Ai + A?)/2 =( 549.83+477.48 ) /2=513.66 m24. 理论总传热面积：A = Ql/(Kt)=463.99 m2A实际 A理5. 安全系数：(513.66-463.99 ) /463.99 X 100%= 10.7 %(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

13、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。HfL u! d 2g2 u 2g式中：入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=0.22Re 0.2=0.22 X 28065.6-0.2=0.02837 ;Z冷却水流程数；Z=管程m=6L-每根管子的有效长度，mL=6m ;d-管子内直径，mdi =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局部阻力系数，可近似取为:Ec=4Z =4 X 6=24L2Ur2 uH fZ=6.12mHO。d2g2g二. 壳体内径

14、、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a =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，mma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=39e六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离般取e= （11.5 ）do本设计方案取e= 1do= 25 mm故 D=a（b 1）+ 2e = 47X（ 39- 1）+ 2X 1.4

15、X 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= 2000mm3、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 ;（7 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 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（0.10.8 ） cm之间，根据流体的腐蚀性而 定；取0.7D外壳内径，cm。80.8* 2000 s0.71.64cm2 13230 0.65 80.8适当考虑安全系数及开孔的

16、强度补偿措施，决定取s=17mm三、热量衡算1. 回热循环：igPh3=h4hih2h图1 压焓图设计过冷温度tg=32C,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：m=1484kJ/kg, h 2=1516kJ/kg, h 3=h4 =292.65kJ/kg.2. 单位制冷量qo=h1-h4=1191.35kJ/kg ，3. 制冷循环量G=Q/q 0=2O23/1191.35kg/s=1.7O ；4. 制冷剂的总放热量Qk=G（ h2-h1）=2213.45kw5. 热量衡算本方案符合设计要求：QkQl（七）设计概要表类型项目指标类型项目指标冷凝器冷凝器

17、类型卧式列管冷凝器冷 却 剂管内流速1.5m/s并联台数7进口温度26 C壳体内径1878mm出口温度32 C壳体壁厚0.17cm冷却水用量88.55kg/s每台机热负荷2023kwRe60836.65安全系数10.7%冷却水阻力6.12mH2O管 道换热管类型38 x 2.5mm光滑无缝钢管制 冷 剂氟利昂F22总管数768管外流速0.35m/s每程管数64蒸发温度-10 C管程数:12冷凝温度1 35 C 1管长6过冷温度32 C管子的排列方式正三角形排列单位制冷量1191.35kJ/kg管心距47mm制冷循环量0.4065kg/s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1

18、焓ikj/kg15壳体厚度smm2压力PPa16单位制冷量qokj/kg3温度tC17制冷循环量Gkg/s4流速um/s18热负荷QLkw5粘度Pa s19冷却水用量Mkg/h6密度pkg/m320体积流量Vm/s7阻力HfmHO21P传热面积A2 m8比热CpJ/kg k22汽化潜热rkj/kg9管径dm23污垢热阻Rm k/w10管数n24P 导热系数入w/m-k11管程数m25摩擦阻力系数12总管数Nr26传热系数w/mT k13管心距amm27传热膜系数aw/m2 -k14壳体直径Dmm（九）主体设备结构图蒸发器冷凝器併联）睦流程及原理：经压缩机压缩的氨气先在冷凝器中被冷却， 向冷却水

19、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

20、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Re104传热系数( 700 800)，安全系数在515%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,20062 李云飞,葛克山.食品工程原理.中国轻工业出版社.20023 高福成.食品工程原理.中国轻工业出版社.1998