(建筑工程设计)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)设计方案的确定及说明 (4)设计方案的计算及说明（包括校核） (5)设计结果主要参数表 (10)主要符号表 (11)主体设备结构图 (11)设计评价及问题讨论 (12)参考文献 (12)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：17～20℃（1班）、21～24℃（2班）、 25～28℃（3班）、13～16℃（4班）、9～12℃（5班）、5～8℃（6班）；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,管壳式冷凝器的结构图（3号图纸）、及花板布置图（3号或者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，冷凝温度，过热温度和过冷温度。

本设计冷却剂的进口温度为25～28℃[2]，可取为26℃。

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～，本方案取为6℃，所以出口温度为32℃。

冷库温度为0～4本设计取0，蒸发温度一般比库内空气低8～12本设计取可取7～14本设计取℃。

过冷温度比冷凝温度低3～5℃本设计取℃过热温度比蒸发温度高3～5℃本设计取℃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。

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：0Q Q L φ= kw式中 ：L Q ———— 冷凝器的热负荷，kw ； 0Q ———— 制冷量，2900kw ；φ———— 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0t 为-10℃，冷凝温度k t 为35℃，查得φ为1.19。

∴ L Q =1.19×2900=3451 kw2、传热平均温差：2112lnt t t t t t t k k ---=∆=---=32352635ln 2632 5.45℃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 ）tK Q F L∆=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，㎡； L Q ———— 冷凝器得热负荷，w ； t ∆———— 传热平均温差，℃又45.5=∆t Θ℃25.79145.5*80010003451m F =⨯=4、冷凝器冷却水用量： 3600)(12⨯-=t t C Q M p Lkg/h式中：L Q ———— 冷凝器的热负荷， kw ； pC ————冷却水的定压比热，KJ/kg·k ；淡水可取 4.186； 1t ———— 冷却水进出冷凝器得温度，K 或℃；2t ———— 冷却水进出冷凝器得温度，K 或℃。

h kg M 9.4960703600)2632(174.43451=⨯-⨯=5、冷凝器冷却水体积流量：ρMV =3/m kg式中：ρ————取995.73/m kg ；s m m kg hkg M V 33138.03600/7.995/9.4960703600=⨯=⨯=ρ6、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ϕ38×2.5mm 不锈无缝钢管作为冷凝器内换热管。

ud Vn 24π=式中：V ——— 管内流体的体积流量， ㎡/s ；d ——— 管子内直径， m ； u ——— 流体流速，m/s 。

6.1075.1033.0414.3138.02=⨯⨯=n 圆整为108取整后的实际流速s m nd V u /49.1033.010814.3138.04422=⨯⨯⨯==π2）管程数： 管束长度 dn F L π=式中：F ——— 传热面积，㎡；L ——— 按单程计算的管长，m 。

m 73.70033.014.31085.791=⨯⨯=L管程数 lL m =式中： l 为选定的每程管长，m ，考虑到管材的合理利用，l 取6m 。

79.11673.70==m 圆整为12 所以冷凝器的总管数T N 为129612108=⨯=⋅=m n N T 根3）管心距а和偏转角 α查可得管心距а=48mm 偏转角 α=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2000mm2）壳体厚度(s)的计算[]C PPDs +-=ϕσ2 式中：s ——— 外壳壁厚，cm ；P ——— 操作时的内压力，N/cm 2（表压），根据壁温查得为80.8N/cm 2[σ] —— 材料的许用应力， N/cm 2；查得不锈无缝管YB804-70的许用应力是13230 N/cm 2φ——— 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0.7D ——— 外壳内径，cm 。

cm s 64.17.08.8065.01323022000*8.80=+-⨯⨯=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：s kg t t C Q M p L /8.137)2632(174.43451)(12=-⨯=-=实际流速：s u /m 49.1=雷诺数：6.611061012.807.99549.1033.0Re 5=⨯⨯⨯==-μρdu > 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：∑+=guZ g u d L H f 222ελ式中：λ——— 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/s 2；∑ε—— 局部阻力系数，可近似取为Σε=4Z 。

水柱m g u Z g u d L H f 36.58.9249.1124128.92033.049.14027.02222=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯=+=∑ελ3.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：35℃3）冷却水出口温度t2为：32℃ 4）过冷温度tu 为：32℃ 5）热量Q 0＝2900kw制冷循环简易流程为：1—1’—2—2’—3—4—5—6。