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

主要符号表 ……………………………………………13

设计评价及问题讨论 ……………………………………15

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

参考文献 ……………………………………………16

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；

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（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：

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

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。

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

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：

QLQ0 kw

式中:Q———— 冷凝器的热负荷，kw； Q0———— 制冷量，500kw；

———— 系数，与蒸发温度t k、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t0为-10℃，冷凝温度tk为35℃，查得为1.19。

∴ QL=1.19×500=595 kw

L

2、传热平均温差：

t

t2t1lntkt1tkt2

2115ln

35153521

16.82

℃

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800 w/（㎡·k）

F

QLKt 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，㎡；

QL

———— 冷凝器得热负荷，w； t———— 传热平均温差，℃

t16.82℃

F

595100080016.82

41.9m

2

4、冷凝器冷却水用量：

M

QL

Cp(t2t1)

3600

kg/h

式中：Q———— 冷凝器的热负荷， kw； C

———— 冷却水的定压比热，KJ/kg·k；淡水可取4.186； t———— 冷却水进出冷凝器得温度，K或℃； t———— 冷却水进出冷凝器得温度，K或℃。

L

p

1

2

M

5954.186(2115)

360085284.3kgh

5、冷凝器冷却水体积流量：

V

M



kg/m3

995.7kg/m3；



85284.3kg/h995.7kg/m3600

3

式中：————取

V

M

3600

0.024m

3

s

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1.5

m/s。设计中选用38×2.5mm不锈无缝钢管作为冷凝器内换热管。

n

V

式中：V——— 管内流体的体积流量， ㎡/s； d—



d2

4

u

—— 管子内直径， m； u——— 流体流速，m/s。

n0.024

3.1419.5 圆整为20

4

0.0332

1.5

取整后的实际流速u

4V

40.024nd

2



3.14200.033

2

1.40m/s

2) 管程数： 管束长度

L

Fnd

式中：F——— 传热面积，㎡；

L

——— 按单程计算的管长，m。

L

41.9203.140.033

20.22m

管程数

m

Ll

式中： l为选定的每程管长，m，考虑到管材的合理利用，3m。

m

20.223

6.74

圆整为7

所以冷凝器的总管数NT

为

NTnm207140

根

3）管心距а和偏转角 α

查可得管心距а=48mm 偏转角 α=7℃

l取

4）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2000mm

2）壳体厚度(s)的计算

s

PD

2P

C

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；

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*20002132300.6580.8

0.71.64cm

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：M

QLCp(t2t1)



5954.186(2115)

23.7kg/s

实际流速：u1.40m/s 雷诺数：Re

du





0.0331.40995.7

80.1210

5

57357.9

> 104

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：

H

f



Lu

2

d2g

Z



u2g

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。

H

f



Lu

2

d2g

Z



u2g

0.027

20.221.40

2

0.03329.8

444

1.4029.8

7.76m水柱

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。

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=402 kj/kg，h1’=h1+(h4-h4’)=412 kj/kg，h2=445 kj/kg，

h2’=430 kj/kg，h3=415 kj/kg，h4=245 kj/kg，h5=h4’=235 kj/kg，h6= h1=402kj/kg

单位制冷量：q0=h1－h5=402－235=167 kj/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=2.99 kg/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

AA100% ＝

'

A

'

式中：A——— 实际布置所得的传热面积，m2 ；

——— 理论传热面积，m2

管外总传热面积：

2

A＝NTπd0l＝140×3.14×0.038×3＝50.1144m 管内总传热面积：

2

A＝NTπdl＝140×3.14×0.033×3＝43.5204m 实际总传热面积：

A＝（A＋A）/2＝（50.1144＋43.5204）/2=47.3172m2 理论总传热面积： '

A＝41.9m2

A

'

12

12

安全系数ε＝（47.3172－41.9）/41.9＝12.9％

一般要求安全系数为3％～15％（0.03~0.15），故本设计合符要求。

5.长径比L/D

式中：L——— 每程管长，m；

D——— 壳体内径，m。 L/D= 6/1.9164= 3.13 符合3~8 范围要求

五、设计结果主要参数表

六、主要符号表

八、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！

九、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

[4] 杨同舟，于殿宇。《食品工程原理》 中国农业出版社 2012