1、1食品工程原理课程设计管壳式冷凝器设计班 级：姓 名：学 号：设计时间目录（ 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 102（ 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
2、液体，送去冷库蒸发器使用。三、设计条件：1、冷库冷负荷 Q0=3000KW；2、高温库，工作温度 04，采用回热循环；3、冷凝器用河水为冷却剂，可取进水温度为 1326；4、传热面积安全系数 515%。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：.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）
3、 。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。3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；
4、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=0.35 m/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
5、速过大，会增大流体阻力，消耗能量，常用流速范围 0.53m/s。四、 冷却剂适宜出口温度的确定任务书要求进水温度为 1326，选择进口温度 t1=15C。卧式冷凝器的端部最大温差（tk-t1）可取 714C，冷却水进口温差为 410C。提高冷凝器的传热平均温差 ，可以冷凝器的传热面积tkt21ln，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qQtKFL剂的冷凝温度 tk，跨程温差小于 28C。所以确定出口水温度 t2=21C，冷凝剂（氨）的冷凝温度 tk=25C。五、 冷凝剂的蒸发温度和过冷温度确定冷凝器的热负荷 ，减少系数 可以有效降低热负荷。其中热负荷系数 受0QL冷
6、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 。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 to 取值-8-4C。综上所述，确定蒸发温度 to=-5C。由指导书 p6，冷凝器内过冷一般不小于 1C，取过冷温度 tg=20.六、 管体材料及管型的选择选取规格为 252.5 的换热器用普通无缝钢管，则 d0=25mm，d i=20mm， p=2.5mm4（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Kw0QL式中：Q L冷凝器的热负荷；Q0制
7、冷量； Qo=3000kw。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=-5C，冷凝剂（氨）的冷凝温度 tk=25C，得系数 =1.13。QL 总 =1.133000kw= 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。 qQtKFL式中：F冷凝器的传热面积，m 2；K传热系
8、数，w/（m 2K） ；t传热平均温度差，；q单位面积热负荷，w/ m 2。根据指导书的表 4，卧式管壳式（氨）冷凝器的传热系数 K800 w/（m 2K） 。 = =6.54814tkt212ln5lF24.98.60734三.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：kg/h 3012tCQMPL式中：Q L冷凝器的热负荷， Kw；CP冷却水的定压比热，kJ/（kgK） ，淡水取 4.186；t1、t 2冷却水进、出冷凝器的温度，K 或。则5且体积流量 =19.28kg/s。360)152(86.47.M冷却水体积 V= m3/s（998 kg/m 3）09.四.管数、管
9、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 252.5 的热交换用普通无缝钢管，其内径 d20mm。而流体的流速 u1.412 m/s。则 ,取整 n=44.57.4312.0.49n2.管程数 按单程冷凝器计算，管速长度为 L，则ndAL.3式中：F传热面积，m 2；A 取预算传热面积；其他符号同前，m，46.30.14F则管程数为 m lL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
10、等，取 l6m。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=nm=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 o4132o75.0TZdgro式中：r饱和氨蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg； 6o氨气饱和液的导热系数，W/(mk)；o氨气饱和液的粘度，pas；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=1186582.4 kJ/kg，o= 0.425 kcal/mhC= 0.49394 W/(mk)，o= 0.0000155kgs/m 2= 0.000
11、1519 pas，正三角形错排时，Z=0.6N T0.5=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1C，水流平均温度=（t1+t2）/2，则T= Tk-（t1+t2）/2-1=6 C,w/m2k。8.50161025.019. 493.868725.4o 2.管内冷却水的传热膜系数 4.08.8. Pr3.03. einpiii RdCud应用范围：Re10000, 0.71m/s，则取 Ri=0.18103 k/w 。=830.44w/m2*k1qq1iimpoo ARK二.安全系数1. 理论传热面积A 理 =
12、QL/(Kot)=89.06 m 2， 2. 实际传热面积A 实际 = NTldi=99.526 m 2，3. 安全系数X= 11.75%，符合安全系数要求（5%15% ） 。理 实 际理（五）列管式换热器零部件的设计一.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。 guZdLHf 22式中：管道的磨擦阻力系数：在湍流状态下，钢管 =0.22Re0.2 ；本设计所用为钢管则: =0.22Re0.2 =0.2228065.6-0.2=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
13、； 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/s 2局部阻力系数，可近似取为：=4Z =46=24。=6.12mH2O。guZdLHf2二.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=25mm，其管心距 a=32mm，偏转角 =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（b1）2e8式中：D壳体的内径，mm ；a管心距，mm；查指导书的表 8，do=0.025m 对应 a=32;b最外层的六角形对角线上的管数；查表 6，总管数为
14、 264，对应最外层六角形对角线上的管数为 b=17。e六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离。一般取 e（11.5）d o本设计方案取 e1d o25 mm，故 D=a（b1）2e32 （ 171）225 562 mm由于壳径的计算值应圆整到最靠近的部颁标准尺寸，根据指导书表 9，取 D600mm。故六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离 e44mm3、壳体厚度当换热器受内压时，外壳的厚度 s 可以用下式计算：CPDsi2式中： s外壳壁厚， cm；P操作时之内压力，N/c（表压） ；查压焓图，冷凝温度 tk 时，氨气的分压为 5.54bar=57.97N /m2,材料的许用应力，N/c；根据相
15、关资料，钢管的=18400N/c ；焊缝系数，单面焊缝 =0.65 , 双面焊缝 =0.85；本设计采用双面焊缝，=0.85。c腐蚀裕度，其值在（0.10.8）cm 之间，根据流体的腐蚀性而定；本设计取腐蚀裕度 c=0.8cm。Di外壳内径，cm 。查相关资料，标准壳体内径为 600mm 对应最小壁厚为 10mm，而=0.6114cm。CPsi2三.热量衡算1. 回热循环：1 122334lgPhh1 h2h3=h4图 1 压焓图设计过冷温度 tg=20C，查 R717(氨) 的压焓图、焓湿图，得循环的 1，2，3，4 点的焓9值分别为：h1=1484kJ/kg, h2=1516kJ/kg,
16、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/qo=3390/1191.35kg/s=0.4065;4. 制冷剂的总放热量Qk=G（ h2-h1）=497.29kw5. 热量衡算本方案符合设计要求：QkQ L（六）设计概要表类型 项目 指标 类型 项目 指标冷凝器类型 卧式列管冷凝器 管内流速 1.412m/s并联台数 7 进口温度 15C壳体内径 562mm 出口温度 21C壳体壁厚 0.6114cm 冷却水用量 0.0193kg/s每台机热负荷 3390kw Re 28065.64429冷凝器安全系数 11.75%
17、冷却剂冷却水阻力 6.12mH2O换热管类型 252.5mm 光滑无缝钢管氨气 R717总管数 264 管外流速 0.35m/s每程管数 44 蒸发温度 -5C管程数 6 冷凝温度 25C管长 6 过冷温度 20C管子的排列方式 正三角形排列 单位制冷量 1191.35kJ/kg管心距 32mm 制冷循环量 0.4065kg/s管道偏心角 7制冷剂（七）主体设备结构图10图 2 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
18、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。（八）设计评论与讨论本设计基本符合冷凝器的计算、技术要求，用水量较低，管程为双数，操作比单数管程简单，外膜与内膜传热系数都 5000w/m2k 左右，能较好地实现传热冷却，有效降低操作成本。每台的传热面积要求一般，可以减低管束费用，从而减低冷凝器设备成本。回热循环既可减轻或消除吸汽管道中的有害过热，又能使液态制冷剂过冷。但也存在缺陷，并联态数有 7 台，对附件的布置要求高，在管道的费用较高。计算叫复杂，仍可能存在误差、计算错误，离实际应用还有很大距离。对于氨做冷凝剂的冷凝器，回热循环对制冷无大的变化。参考文献：1李云飞,葛克山.中国农业大学出版社.食品工程原理 .2008.2制冷工程设计手册编写组.中国建筑工业出版社.制冷工程设计手册 .1978.3彦启森，申江，石文星.中国建筑工业出版社.制冷技术及其应用 2006压缩机冷凝器（并联）回热器节流阀蒸发器
