食品工程原理課程設(shè)計

食品工程原理課程設(shè)計---管殼式冷凝器設(shè)計目錄食品工程原理課程設(shè)計任務(wù)書????????????2流程示意圖????????????????????3設(shè)計方案的確定???????????????4冷凝器的造型計算???????????6核算安全系數(shù)??????????????8管殼式冷凝器零部件的設(shè)計????????????10設(shè)計概要表???????????????12主要符號表?????????????13主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖????????????????14設(shè)計評論及討論???????????????14參考文獻???????????????15（一）食品科學(xué)與工程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目：管殼式冷凝器設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)：將制冷壓縮機壓縮后制冷劑 (如F-22、氨等)過熱蒸汽冷卻、冷凝為過冷液體，送去冷庫蒸發(fā)器使用。三、設(shè)計條件：1、冷庫冷負(fù)荷Q0=1700KW；2、高溫庫，工作溫度 0～4℃，采用回?zé)嵫h(huán)；3、冷凝器用河水為冷卻劑，取進水溫度為 26~28℃；4、傳熱面積安全系數(shù) 5～15%。四、設(shè)計要求：對確定的設(shè)計方案進行簡要論述；物料衡算、熱量衡算；確定列管殼式冷卻器的主要結(jié)構(gòu)尺寸；計算阻力；編寫設(shè)計說明書（包括：①.封面；②.目錄；③.設(shè)計題目；④.流程示意圖；⑤.流程及方案的說明和論證；⑥設(shè)計計算及說明；⑦主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；⑧設(shè)計結(jié)果概要表；⑨對設(shè)計的評價及問題討論；⑩參考文獻。 ）6.繪制工藝流程圖、管殼式冷凝器的的結(jié)構(gòu)（ 3號圖紙）、花板布置圖（3號或4號圖紙）。（二）流程示意圖流程圖說明：本制冷循環(huán)選用臥式管殼式冷凝器， 選用氨作制冷劑，采用回?zé)嵫h(huán)，共分為4個階段，分別是壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)。1 2 由蒸發(fā)器內(nèi)所產(chǎn)生的低壓低溫蒸汽被壓縮機吸入壓縮機氣缸，經(jīng)壓縮后溫度升高；3高溫高壓的F—22蒸汽進入冷凝器；F—22蒸汽在冷凝器中受冷卻水的冷卻，放出熱量后由氣體變成液態(tài)氨。4’液態(tài)F—22不斷貯存在貯氨器中；4’5使用時F—22液經(jīng)膨脹閥作用后其壓力、溫度降低，并進入蒸發(fā)器；51低壓的F—22蒸汽在蒸發(fā)器中不斷的吸收周圍的熱量而汽化，然后又被壓縮機吸入，從而形成一個循環(huán)。5’ 1是一個回?zé)嵫h(huán)。本實驗采用臥式殼管式冷凝器， 其具有結(jié)構(gòu)緊湊， 傳熱效果好等特點。 所設(shè)計的臥式管殼式冷凝器采用管內(nèi)多程式結(jié)構(gòu)，冷卻水走管程，F(xiàn)—22蒸汽走殼程。采用多管程排列，加大傳熱膜系數(shù)，增大進，出口水的溫差，減少冷卻水的用量。（三）設(shè)計方案的確定設(shè)計方案的確定包括制冷劑的選擇、冷凝器型式的選擇、流體流入冷凝器空間的選擇、冷卻劑的選擇及其進出口溫度的確定等。一、冷凝器造型與冷凝劑的選擇本次設(shè)計是以河水為冷卻劑，本人選擇氨高效臥式冷凝器為設(shè)計對象。此冷卻系統(tǒng)的原理是將壓縮機排出的高溫、 高壓氨氣等壓冷凝成液體，在冷庫中蒸發(fā)，帶走待冷物料的熱量，起到冷卻物料的效果。本方案采用F—22為制冷劑，F(xiàn)—22化學(xué)式為CHF2Cl，名稱為二氟一氯甲烷，標(biāo)準(zhǔn)沸點為—℃，凝固溫度為— 160℃，不燃燒，不爆炸，無色，無味。冷凝器型式的選擇：本方案采用臥式殼管式冷凝器。臥式管殼式水冷凝器的優(yōu)點是：1、結(jié)構(gòu)緊湊，體積比立式殼管式的??；2、傳熱系數(shù)比立式殼管式的大；3、冷卻水進、出口溫差大，耗水量少；4、為增加其傳熱面積，F(xiàn)-22所用的管道采用低肋管；5、室內(nèi)布置，操作較為方便。二、流體流入空間選擇由于冷卻劑為河水，根據(jù)不潔凈或易結(jié)垢的物料應(yīng)當(dāng)流經(jīng)易清洗的一側(cè)，飽和蒸汽一般應(yīng)通入殼程，以便排出冷凝液，被冷卻物料一般走殼程，便于散熱和減少冷卻劑用量，所以確定冷卻水走管程，冷凝劑（F22）走殼程。三、流速選擇查得列管換熱器管內(nèi)水的流速，管程為～ 3m/s，殼程～s[2]；根據(jù)本設(shè)計制冷劑和冷卻劑的性質(zhì)，綜合考慮冷卻效率和操作費用，本方案選擇流速為 s。四、冷卻劑適宜出口溫度的確定任務(wù)書要求進水溫度為 26~28℃，選擇進口溫度=26°C。臥式冷凝器的 端部最大溫差（tk-t1）可取7~14°C，冷卻水進口溫差為 4~10°C。t2-t1提高冷凝器的傳熱平均溫差△ t可以冷凝器的傳熱面積lntk-t1tk-t2QL QLFKt q，從而減少傳熱面積、降低成本。前提是出口水溫度不能高于冷凝劑的冷凝溫度 tk，跨程溫差小于 28°C。所以確定出口水溫度=32°C，冷凝劑（F22）的冷凝溫度tk=35°C。五、冷凝劑的蒸發(fā)溫度和過冷溫度確定冷凝器的熱負(fù)荷QL Q0，減少系數(shù)φ可以有效降低熱負(fù)荷。其中熱負(fù)荷系數(shù)φ受冷凝溫度和蒸發(fā)溫度影響，蒸發(fā)溫度t0提高，可以降低熱負(fù)荷系數(shù) φ。由于冷凝劑的蒸發(fā)溫度要比工作溫度低

8~10℃，已知工作溫度為

0~4℃，即

t

0取值-8~-4

℃。綜上所述，確定蒸發(fā)溫度

t0=-10℃。冷凝器內(nèi)過冷一般不小于 1℃，取過冷溫度 tg=32℃。六、管體材料及管型的選擇選取規(guī)格為38×的換熱器用普通無縫鋼管，則 d0=38mm，di=33mm，δp=（四）冷凝器的造型計算冷凝器的任務(wù)是將壓縮機排出的高溫高壓氣態(tài)制冷劑冷卻使之液化。一、冷凝器的熱負(fù)荷QL Q0式中：QL――冷凝器的熱負(fù)荷； KwQ0――制冷量；Q0=1700kw。φ――系數(shù)，與蒸發(fā)溫度t0、冷凝溫度tK、氣缸冷卻方式以及制冷劑種類有關(guān)。蒸發(fā)溫度t0=-10℃，冷凝劑（F22）的冷凝溫度tk=35℃，得系數(shù)φ=。QL總=×1700kw=2023kw。二、預(yù)算冷凝器的傳熱面積在水冷式冷凝器中，臥式管殼冷凝器的制冷劑在管外冷凝，冷卻水在管內(nèi)流動。QL QLFKt q式中：F――冷凝器的傳熱面積， m2；K――傳熱系數(shù)，w/（m2·K）；――傳熱平均溫度差，℃；q――單位面積熱負(fù)荷， w/m2。，臥式管殼式（氟利昂）冷凝器的傳熱系數(shù)K＝800w/（m2·K）。△tt2t1=3226=℃lntkt1ln35-26tkt235322023*10002F800*5.45463.99m三、冷凝器冷卻水用量計算水冷式冷凝器的冷卻水用量可以用下式求得：QL3600Kw/hMCPt2t1式中：QL――冷凝器的熱負(fù)荷， Kw；CP――冷卻水的定壓比熱， KJ/（kg·K），淡水?。籺1、t2――冷卻水進、出冷凝器的溫度， K或℃。則:體積流量M20233600=s。4.186(3226)冷卻水體積V=M33*36000.081m/s（ρ＝998kg/m）四、管數(shù)、管程數(shù)1.管數(shù) 由下式求得單程管子總數(shù) nn

Vd2u43式中：V——管內(nèi)流體的體積流量， m/s;d——管子內(nèi)直徑，m；u——流體流速， m/s；查“熱交換器用普通無縫鋼管”表 [1]，選取規(guī)格為38×的熱交換用普通無縫鋼管，其內(nèi)徑 d＝33mm。而流體的流速 u＝m/s。則：n0.08163.17,取整n=640.03321.544V40.0811.48m/s.取整后的實際流速u23.14640.0332nd2.管程數(shù)按單程冷凝器計算，管速長度為L，則式中：F――傳熱面積，m2；A取預(yù)算傳熱面積；其他符號同前，LF69.97m，3.14640.033則：管程數(shù)為mLml式中：L――按單程計算的管長， m；l――選定的每程管長， m；按管材一般出廠規(guī)格為 6m，則l可取1、、2、3、6m等，取l＝6m。m=6=，取整m=12采用6管程后，冷凝器的總管數(shù) NT為：NT=n·m=768根（五）核算安全系數(shù)一、雷諾數(shù)計算及流型判斷冷凝器冷卻水用量：QL2023kgsM4.186(3280.55/Cp(t2t1)26)實際流速：u 1.48m/s雷諾數(shù)：Redu0.0331.4899860836.65>10480.12105所以流型為湍流。二、阻力的計算冷凝器的阻力計算只需計算管層冷卻水的阻力，殼程為制冷劑蒸汽冷凝過程，可不計算流動阻力。冷卻水的阻力可按下式計算：HfLu2Zud2g2g式中：———管道摩擦阻力系數(shù)，湍流狀態(tài)下，鋼管λ=；Z———冷卻水流程數(shù)；L———每根管子的有效長度， m；d———管子內(nèi)直徑,m；u———冷卻水在管內(nèi)流速，m/s；g———重力加速度，m/s2；——局部阻力系數(shù)，可近似取為Σε =4Z。HfLu2Zu0.02741.482124121.488.01m水柱d2g2g0.03329.829.8三、安全系數(shù)管外總傳熱面積：=NTπd0l＝768×××6＝管內(nèi)總傳熱面積：＝NTπdl＝768×××6＝實際總傳熱面積：＝（＋）/2＝（+）/2=理論總傳熱面積：QL/(K·△t)=5.安全系數(shù):ε＝A實際 A理 （）/×100%＝％A理一般要求安全系數(shù)為 3％～15％（~），故本設(shè)計合符要求。（六）管殼式冷凝器零部件的設(shè)計一.冷凝器阻力的計算冷凝器的阻力計算只需計算管程冷卻水的阻力， 殼程為制冷劑蒸汽冷凝過程，可不計算流動阻力。Lu2u2Hf2gZd2g式中：λ——管道的磨擦阻力系數(shù)：在湍流狀態(tài)下，鋼管 λ=－；本設(shè)計所用為鋼管則

:

λ=－=×；Z——冷卻水流程數(shù)；

Z=

管程

m=6；L——每根管子的有效長度，

m；

L=6m

；d——管子內(nèi)直徑，

m；

d

i=；u——冷卻水在管內(nèi)的流速，

m/s；

u i=m/s；g——重力加速度，

m/s2∑ε——局部阻力系數(shù)，可近似取為：∑ε

=4Z=4×6=24。H

f

L u2d 2g

Z

u22g

=。二.殼體內(nèi)徑、厚度的計算管心距、偏轉(zhuǎn)角查指導(dǎo)書的表8，管子外徑do=38mm，其管心距a=47mm，偏轉(zhuǎn)角α=7°。殼體內(nèi)徑殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于管板的直徑。所以，從管板直徑的計算可以決定殼體的內(nèi)徑。通常按下式確定殼體的內(nèi)徑：D=a（b－1）＋2e式中：D――殼體的內(nèi)徑，mm；a――管心距，mm；do=對應(yīng)a=32;b――最外層的六角形對角線上的管數(shù)；查表得，總管數(shù)為 264，對應(yīng)最外層六角形對角線上的管數(shù)為 b=39。e――六角形最外層管子中心到殼體內(nèi)壁的距離。一般取 e＝（1～）do本設(shè)計方案取e＝1do＝25mm，故D=a（b－1）＋2e＝47×（39－1）＋2××33＝由于殼徑的計算值應(yīng)圓整到最靠近的部頒標(biāo)準(zhǔn)尺寸，查表得：取D＝2000mm。3、殼體厚度sPD式中：s———外殼壁厚，cm；C2PP———操作時的內(nèi)壓力，N/cm2（表壓），根據(jù)壁溫查得為 cm2；[σ] ——材料的許用應(yīng)力， N/cm2；查得不銹無縫管YB804-70的許用應(yīng)力是13230N/cm2φ———焊縫系數(shù)，單面焊縫為，雙面焊縫為；（取單面焊縫）C———腐蝕裕度，其值在（～）cm之間，根據(jù)流體的腐蝕性而定；取D———外殼內(nèi)徑，cm。s80.8*20000.71.64cm132300.65280.8適當(dāng)考慮安全系數(shù)及開孔的強度補償措施，決定取 s=17mm三、熱量衡算回?zé)嵫h(huán)：lgP332’2’14 1’h3=h4 h1 h2 h圖1 壓焓圖設(shè)計過冷溫度tg=32℃，查F22(氟利昂)的壓焓圖、焓濕圖，得循環(huán)的1，2，3，4點的焓值分別為：h1=1484kJ/kg, h 2=1516kJ/kg,h 3=h4=kg.單位制冷量qo=h1-h4=kg，制冷循環(huán)量G=Q/q =2023/s=;L 04. 制冷劑的總放熱量QK=G（h2-h1）=熱量衡算本方案符合設(shè)計要求：Qk≈QL（七）設(shè)計概要表類型項目指標(biāo)類型項目指標(biāo)冷冷凝器類型臥式列管冷凝器冷管內(nèi)流速s并聯(lián)臺數(shù)7卻進口溫度26°C凝殼體內(nèi)徑1878mm劑出口溫度32°C器殼體壁厚冷卻水用量s每臺機熱負(fù)荷2023kwRe安全系數(shù)%冷卻水阻力換熱管類型Ф38×光滑無縫氟利昂F22鋼管總管數(shù)768管外流速s每程管數(shù)64制蒸發(fā)溫度-10°C管管程數(shù)12冷冷凝溫度35°C道管長6劑過冷溫度32°C管子的排列方正三角形排列單位制冷量kg式管心距47mm制冷循環(huán)量s偏心角7°（八）主要符號表序號名稱符號單位序號名稱符號單位1焓ikj/kg15殼體厚度smm2壓力PPa16單位制冷量q0kj/kg3溫度t℃17制冷循環(huán)量Gkg/s4流速um/s18熱負(fù)荷QLkw5粘度μPa·s19冷卻水用量Mkg/h6密度p320體積流量V3kg/mm/s7阻力HfmH2O21傳熱面積A2m8比熱CpJ/kg·k22汽化潛熱rkj/kg9管徑dm23污垢熱阻R2·mk/w10管數(shù)n24導(dǎo)熱系數(shù)λw/m·k11管程數(shù)m25摩擦阻力系數(shù)w/m2·k12總管數(shù)NT26傳熱系數(shù)ε13管心距a