食品工程原理课程设计

食品工程原理课程设计
一管壳式冷凝器设计
食品工程原理课程设计任务书...................
流程示意图...................................
设计方案的确定...............................
冷凝器的造型计算 (6)
核算安全系数.............................. £
管壳式冷凝器零部件的设计.....................
设计概要表................................ It
主要符号表
主体设备结构图
设计评论及讨论............................... H
参考文献 (15)
（一）食品科学与工程设计任务书一、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制冷剂（如M2、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.= I7OOKW；
2、高温库,工作温度0〜JC,采用回热循环；
$、冷凝器用河水为冷却剂，取进水温度为26*28°C：
眼传热面积安全系数5〜15%。

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；
$・确定列管壳式冷却器的主要结构尺寸；
几计算阻力;
5・编写设计说明书（包括：①•封面；②・|_1录；③•设计题日；④•流程示意图；⑤•流程及方案的说明和论证；⑥设讣讣算及说明；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、管壳式冷凝器的的结构（$号图纸）、花板布置图（5 号或理号
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，共分为彳个阶段, 分別是压缩、冷凝、膨胀、蒸发。

I~ 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~ J 高温高压的r-n蒸汽进入冷凝器：r-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。

A―『液态f-22不断贮存在贮氨器中：
出―勺使用时F-22液经膨胀阀作用后其压力、温度降低，并进入蒸发器；
5~ I 低压的f-M蒸汽在蒸发器中不断的吸收周囤的热量而汽化，然后又被压缩机吸入，从而形成一个循环。

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。

所设讣的卧式管壳
式冷凝器采用管内多程式结构，冷却水迟管程，『一22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
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
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r-M为制冷剂，『一伽化学式为cnr2ci,名称为二氟一氯甲烷，标准沸点为-40e8C，凝固温度为一I60C,不燃烧，不爆炸，无色，无味。

冷凝器型式的选择：
本方案釆用卧式壳管式冷凝器。

卧式管壳式水冷凝器的优点是：
I、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；
$、冷却水进、出口温差大，耗水量少;
乩为增加其传热面积，「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
山于冷却剂为河水，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（M2）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・$〜壳程0・2〜l.5m//[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l.5m//o
四、冷却剂适宜出口温度的确定
任务书要求进水温度为26*18°C,选择进口温度Co卧式冷凝器的
端部最大温差（孔占）可取7*M° C,冷却水进口温差为吗~10° Co
提高冷凝器的传热平均温差△ t =仝二—可以冷凝器的传热面积
In山
l k _t2
F _ Q L _Q L
KN q ,从而减少传热面积、降低成本。

前提是出口水温度不能上2高于冷凝剂的冷凝温度tk，跨程温差小于28° Co所以确定出口水温度上2=皿° 6 冷凝剂（M2）的冷凝温度t k=J5° Co
五、冷凝剂的蒸发温度和过冷温度确定
冷凝器的热负荷Qi®减少系数＜p可以有效降低热负荷。

其中热负荷系数（P受冷凝温度和蒸发温度影响，蒸发温度"提高，可以降低热负荷系数（P o 曲于冷凝剂的蒸发温度要比工作温度低8*IO°C,已知工作温度为0~『C,即5
取值・8=『C 。

综上所述，确定蒸发温度^=-IO Co
冷凝器内过冷一般不小于l°C,取过冷温度t g =52°Co
六、管体材料及管型的选择
选取规格为18x2.5的换热器用普通无缝钢管，则d 0 = 58mm, d =55mm, 8 p=2«5mm
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
Q L =① a
式中：——冷凝器的热负荷；Kui
0 ----- 制冷量；＜20 =l700kuio
（P ——系数，与蒸发温度％、冷凝温度J 、气缸冷却方式以及制冷剂种类 有关。

蒸发温度t o =-IO°C,冷凝剂（42）的冷凝温度t k =J5°C,得系数（p =l.l9o
总=I.I9X l700kui= 2025kuio
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。

=2 =鱼 K △/ q
冷凝器的造型计
式中：f 一一冷凝器的传热面积，m 2
传热系数，ui/ (m -K)； A t 一一传热平均温度差，°C；
q ---- 单位面积热负荷，in/ m 2
o
,卧式管壳式(氟利昂)冷凝器的传热系数K=800w/ (m-K)o
△ 2上亠寻经"C t — t i 35 - 26
-仃 fi In -------- ln 7TT 35-32 Ik h
F = 2023*1000=4639 :
800*5.45 rn 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:
式中：01——冷凝器的热负荷，Kui ；
OP ——冷却水的定压比热,KJ/ (kg K),淡水取4.186；
冷却水进、出冷凝器的温度，K 或。

C 。

则:
体积流量M = 4.186；
02-26) *泌渤叭肌也
\4 冷却水体积▼二 -- --- =0.081 m J // (p =998 ka/m )
Q *3600
四. 管数、管程数
I •管数 山下式求得单程管子总数n
Q L M =—泮__ x3600Kw/〃 5 —
2023
4
式中：Y—管内流体的体积流量，m* //：
d—管子内直径，m；
u—流体流速，m//：
查“热交换器用普通无缝钢管”表【1],选取规格为58X2.5的热交换用普
通无缝钢管，其内径而流体的流速1.5 m//o
则：“= _------------- = 63.17 •取整
-xO.O332 xl.5
4
・取整后的实际流速a = ,= --- 空（巴*" _ = 1.48〃? / s
mid1 3.14x64x0.0332
■•管程数按单程冷凝器讣算，管速长度为I,则
L= A
3.14/zJ
式中：f——传热面积，A取预算传热面积；
其他符号同前，
L = ------ ----- = 69.97 m.
64x3.14x0.033
则：管程数为m
L
m =—
式中：I一一按单程计算的管长，m：
I一一选定的每程管长，m；按管材一般出厂规格为6ffi,贝畀可取I、1.5.
2、$、等，取l = 6m。

m=69e97/6= 11.66,取整mW
采用6管程后，冷凝器的总管数I1T为：nT=n - m=768根
（五）核算安全系数
一、雷诺数计算及流型判断
实际流速："= l ・48m/s
雷诺数：Re = ^ = =0.033x1.48x998 =6083665 …
80.12x10，
所以流型为湍流。

二、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：
式中：2一 管道摩擦阻力系数，湍流状态下，钢管X =0.11Re-0.2；
Z —冷却水流程数；
I —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//： 9 --- 重力加速度，m//2 ；
工'一局部阻力系数，可近似取为工£ =4Zo
H t =2- —Z + Yg — = 0,027x
4X L48
"_X 12 + 4X 12X -^- = 8.01〃M K 柱
d 2g J 2g
0.033x2x9.8
2x9.8
三、安全系数
I •管外总传热面积:
冷凝器冷却水用量:
2023
一4」86x(32-26)
= 80.55£g/$
=n t nd.|=768X 5. MX 0.0J8X6 = 5fl9.8J/n2
■•管内总传热面积：
A, =n T n <11 = 768X5.14X0.0II X6=477.48/«2
$ •实际总传热面积：
A=（儿 + 仏）/2= （M9・8$<M77/8） /2=SI$・66"『
•理论总传热面积：
q' = 2/（K ・冲&$・99 加$
••安全系数：
£ =_ =/46S.99X 100%= 10.7%
A理
一般要求安全系数为$%〜is%（o.oro.15）,故本设计合符要求。

（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。

孔"+佥Z +工哙
式中：入一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.MRe-0.2 = 0.Mxl8065.6-0.i=0.02857：Z—冷却水流程数：乂=管程m=6：
I—食J：根管了的冇效长度，m：l=6m：
d—管子内直径，m；dj =0.02m；
u—冷却水在管内的流速，m/j； u4 = 1.412 m//；
9—重力加速度，m/M
& —局部阻力系数，可近似取为：0 =/JZ=4x6=24o
2 2
H. = 2-— -^― Z + =6.l2mH.Oe f d 2g 2g
二•壳体内径、厚度的计算
I.管心距、偏转角
查指导书的表8,管子外径do=58mm,其管心距a = 47mm,偏转角a =7 '。

■・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=o (b— I) +2。

式中：D ---- 壳体的内径，mm；
a --- 管心距，mm； do=0.025m ci = 5i:
b—一最外层的六角形对角线上的管数；查表得，总管数为26鼻对应最外层六角形对角线上的管数为b=59o
e一一六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离。

一般取(I〜1・5) do
本设计方案取Ido = i5 mm,
D=Q（b-l）+2e = 47« （59-1） +2x| ・Ax$$ = |878・Amm 山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|>=
lOOOmmo
I.壳体厚度
w^+c式中：一外壳壁厚，g
P——操作时的内压力，n/cm2（表压），根据壁温查得为80<8n/cm2；
[a ]—材料的许用应力，n/cm2；
查得不锈无缝管YB804-70的许用应力是
n/cm2
（P——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・l〜0・8） cm之间，根据流体的腐蚀性而定；取0・7
D ---- 外壳内径，emo
+ 0.7 = 1,64cm
80.8*2000
2x13230x0.65-80.8
适当考虑安全系数及开孔的强度补偿措施，决定取/=!7mm
三.热量衡算I-回热循环:
h>=
h<
阪i ■ ixM -rsi
设计过冷温度t 广M°C ，查"2（氟利昂）的压焙图、焰湿图，得循环的I, 2, $,冲点的焙值分别为:
h 严 M8AkJ/Xg ・ h 2 = ISIdkJ/kg ・ h 3=h 4 =292.65kJ/kQ ・
1.单位制冷量
qo=hl-h^l=l l9l.55kJ/k9， 5-制冷循环量
G=Q, /q o =2O2S/l 191 .S5k9//= 1.70: 4. 制冷剂的总放热量
Q K
=G （h2-hI ） =22l5.45kuj
5. 热量衡算
本方案符合设计要求：Ok~0|.
（七）设计概要表
IS
类型
h.
（八）主要符号表
（九）主体设备结构图
蒸发器
流程及原理：经压缩机圧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，即达到制冷的U的。

此后，气体返流经过回热器，同压缩气体进行热交换后乂进入压缩机中被压缩。

具体结构设计图，见附录CUD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，产生儿种设计方案，经过反复验证和数据计算才确定其中一种，山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ROI04,传热系数£ (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，山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.2006
［2］李云飞•葛克山.《食品工程原理》・中国轻工业出版社.2001
［巧高福成.《食品工程原理》・中国轻工业出版社.1998。