食工原理课程设计4Word下载.docx
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3.确定管壳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（任务书）；
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）。
五、设计进度安排：
2周内完成（按10个工作日计算）
设计阶段内容工作日
1准备布置任务、现场参观，老师介绍有关情况，借阅资料0.5
2拟定设计方案阅读有关资料，确定自己的流程及设计方案、步骤2.0
及设计步骤
3设计计算进行具体计算并调整3.0
4编写说明书整理计算结果并绘图4.0
5交流总结0.5
1前言......................................................................................................................................4
1.1设计意义.......................................................................................................................4
1.2设计依据.......................................................................................................................4
2工艺说明及流程示意图.……………………………………………………….…………4
2.1工艺说明…...…………….......….……………………………………………………4
2.2流程示意图…...………………....……………………………………………………5
3流程及方案说明和论证…..…………………………........................................…....……5
3.1设计方案的论证………….......….………………………………………………...…5
3.2设计方案的确定………….......….………………………………………………...…5
3.2.1制冷剂的选择.......….……………………………………………………........…5
3.2.2冷凝器型式的选择…….......….…………………………………………………6
3.2.3流体流入冷凝器空间的选择…..….……………………………………….........6
3.2.4冷却剂流速的选择……………………………………………………………....7
3.2.5冷却剂进、出口温度的确定…………..………………………………………..7
3.2.6制冷剂冷凝温度、蒸发温度的确定….…………...........................................…7
4设计计算及说明…..……………………………………............................................……7
4.1设计计算………….......….…………………………........……………………….......7
4.1.1冷凝器的热负荷和冷负荷….....………………………………………………...7
4.1.2河水流体密度和黏度的选择………….......….…………………........................8
4.1.3管道材料和直径………….......….…………………............................................8
4.1.4平均温差计算………….......….…………………................................................8
4.1.5冷凝器的传热面积估算…….......….…………………………………………....9
4.1.6冷凝器冷却水用量计算…….......….…………………………………………....10
4.1.7管数、管程数的计算……..….…………………………………………….........10
4.1.8管束分程与排列方式………….......….…………………....................................10
4.1.9管心距及偏转角计算………….......….…………………....................................10
4.1.6壳体直径和壳体厚度计算…....….………………………………………….......10
4.2计算校核……….....….……………………………………………………….............10
4.2.1实际流速……...........….………………………………………………………....10
4.2.2冷却剂雷诺数计算……..……………………………………………………......11
4.2.3管内制冷却水的传热膜系数……......….…………………………………….....11
4.2.4管外制冷剂冷凝膜系数…….......….………………………………………....11
4.2.5光管冷凝器的传热系数…….......….…………………………………………....12
4.2.6冷凝传热面积安全系数…….......….…………………………………………....13
4.2.7长径比…….......….…………………………........……………………………....13
4.2.8冷凝器阻力计算……….………………………………………………………...13
4.2.9热量衡算….......….…..……………………………………………………..........13
5设计结果概要表…..…….…………………………….......................................……....…14
6设计评价及问题讨论…………………….....………………………………...….….……15
参考文献…………………….……………............…......…..……..………………...........…16
附录..……..……….............................................….………..………...………...........…16
1前言
1.1设计意义
制冷是食品工业中的一个重要的单元操作，随着全球对能源需求的不断增长，各种不可再生资源十分紧缺，而冷凝器作为制冷系统里的核心设备，所以如何高效合理的利用和配置资源显得极其重要。
良好的管壳式冷凝器设备结构形式、工艺设计控制方法和参数的选择，不仅能使生产过程稳定进行，而且还能节省投资、降低能耗、增加企业经济效益。
1.2设计依据
在管壳式冷凝器的工艺设计中,流体压力降要求、流量分配、流路情况设计的好坏，直接关系到冷凝器是否能满足实际生产要求、经济和操作稳定性，这就归结到流体力学问题。
在设计时，需要考虑四个问题：
一是流体给热系数提高，传热系数也必须提高，否则无意义；
二是提高流速，要考虑是否经济；
三是要满足系统的工艺要求；
四是要保证操作可靠和稳定，还要有利于操作的掌握和提高[1]。
2工艺说明及流程示意图
2.1工艺说明
制冷机是利用液体气化时吸热的原理来工作的，制冷剂在蒸发器中不断吸收欲降温物体的热量而气化，产生的低压蒸气由压缩机压缩后，在冷凝器中冷凝成为液体，并将冷凝热传给冷却水，冷凝后的制冷剂降压后送回蒸发器。
全套装置包括：
压缩机、冷凝器、回热器、节流阀、+蒸发器[2]。
氨蒸气在蒸发器中产生的低压制冷蒸汽在压缩机中被压缩至冷凝压力，消耗了机械功W，此时为绝热压缩，同时温度不断升高，然后压缩后的蒸气在过饱和状态下进入冷凝器中，因受到冷却介质的冷却而凝结成饱和液体，并放出热量，其冷凝过程为一等温等压过程；
由冷凝器出来的制冷剂液体，经膨胀阀进行绝热膨胀至蒸发压力，温度降至与之相对应的饱和温度，此时已成为两相状态的气液混合物，然后进入蒸发器进行等温等压的蒸发过程，以制取冷量Q，并回复到起始状态，完成一个循环[2]。
2.2流程示意图
图1制冷设备流程图
3方案论证及确定
3.1设计方案的论证
3.1.1确定设计方案的原则
（1）满足工艺操作的要求。
满足生产上的需要，得到所需的实验结果；
（2）满足经济上的要求。
在确定设备形式和操作指标时，要由经济观点，既要满足生产要求，又要便于实施。
造价低廉，材料来源容易；
（3）保证生产的安全。
所用的材料和工艺过程对人、畜无害。
3.1.2方案条件的选定
按照任务书规定，本方案选用的条件为：
1.冷库冷负荷:
Q0=16×
100=1600kw。
2.取高温库工作温度为0℃，采用回热循环。
3.冷凝器用河水为冷却剂，取进口水温度为10℃。
4.传热面积安全系数5～15％。
3.2设计方案的确定
3.2.1制冷剂的选择
在制冷装置中实现制冷循环工作的物质称为制冷剂或简称为制冷工质。
制冷剂在蒸发器内吸收被冷却物质（水、盐水、食品）的热量而制冷，在冷凝器中经过水或空气的冷却放出热量而被冷凝。
所以说制冷剂是实现制冷循环不可缺少的物质，对制冷剂的要求主要有[3]：
（一）热力学方面的要求
1）在大气压力下制冷剂的蒸发温度要低，便于在低温下蒸发吸热。
2）常温下制冷剂的冷凝压力不宜过高，这样可以减少制冷装置承受的压力，也可以减少制冷剂向外渗漏的可能性。
3）单位容积制冷量要大，这样可以缩小压缩机尺寸。
4）制冷剂临界温度要高，便于用一般冷却水或空气进行冷凝；
同时凝固温度要低，便于获得较低的蒸发温度。
5）绝热指数应该低一些。
绝热指数越小，压缩机排气温度越低，不但有利于提高压缩机的容积效率，而且对压缩机的润滑也是有好处的。
（二）物理化学方面要求
1）制冷剂在润滑油中的可溶性。
2）制冷剂的粘度和密度尽可能小，这样可以减少制冷剂在管道中的流动阻力，可以降低压缩机的耗功率和缩小管道直径。
3）热导率和放热系数要高，这样便于提高蒸发器和冷凝器的传热效率，减少其传热面积。
4）对金属和其他材料不产生腐蚀作用。
5）具有化学稳定性。
制冷剂在高温下不分解、不燃烧、不爆炸。
6）具有一定的吸水性。
当制冷系统中渗入极少量的水分时，虽会导致温度蒸发温度升高，但不至于在低温条件下形成“冰塞”而影响制冷系统的正常运行。
（三）其他方面的要求
1）制冷剂对人的生命和健康不应有危害，不应有毒性和窒息性以及刺激作用。
2）制冷剂应价格便宜，便于获得。
由于氟利昂对水的溶解度小，制冷装置中进入水分后会产生酸性物质，并容易造成低温系统的“冰堵”[3]，堵塞节流阀或管道，且氟利昂在低空中很稳定，但是上升到高空中，会发生分解，破坏臭氧层会破坏大气臭氧层而导致地球气候环境恶化，紫外线辐射增大。
所以本设计采用选择氨作为制冷剂。
氨作为制冷剂的优点有以下几点[4]：
（1）氨的单位容积气化潜热较大，具有适合做制冷剂的良好热力性质
（2）氨能溶解于水中，因此在制冷系统中不会有冰塞的现象
（3）氨蒸汽无色，有刺激性气味，因而氨的泄漏易于发觉
（4）氨的比重小，流动阻力小，与氟利昂制冷系统比较，其流通截面积可以大为缩小，价格便宜。
当系统中含有水分时氨将会对铜及铜合金造成腐蚀，但氨对钢铁不腐蚀。
（5）氨的ODP值为0，GWP小于1。
氨如果泄漏可被雨水吸收，而后返回土壤，成为农业肥料。
3.2.2冷凝器型式的选择
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。
冷凝器的形式多种多样，根据冷却介质的不同可以分为三种基本类型：
用水冷却的冷凝器，用空气冷却的冷凝器，和用水蒸发吸热及空气流动的冷凝器（即蒸发式和淋水式冷凝器）。
本设计是以河水作为冷却剂，故应使用水冷式冷凝器。
水冷式冷凝器结构型式主要有立式管壳冷凝器、卧式管壳冷凝器及套管式冷凝器。
其中的卧式管壳式冷凝器中，为了提高水侧的传热膜系数，多采用管内多程式结构。
即将管束分成几个流通部分，使冷却水串联流过所有管子，从而可提高管内冷却水的流速，增大其传热膜系数，加大进、出水的温差（一般为4-6℃），减少冷却水的消耗量。
由于卧式管壳式冷凝器具有上述优点，且比较符合本设计要求。
虽然在清洗上不如立式管壳式方便，但是综合考虑，本设计选择卧式管壳式冷凝器是较为适合的。
3.2.3流体流入冷凝器空间的选择
在管壳式冷凝器中，哪种流体流经管内，哪一种流体流经管外，是关系到该冷凝器的使用是否合理的问题。
流体流入空间的确定一般可从以下方面考虑：
（1）不清洁或易结垢的物料应当流经易清洗的一侧，固定管板式换热器的直管束管内较易清洗，故一般应通入管内；
（2）要保证管内和管外都有适当的流速，以保证有较高的传热系数；
（3）有腐蚀的流体走管程；
（4）压力高的流体走管程；
（5）饱和蒸汽一般走壳程，以便排出冷凝器，而且蒸汽较清洁。
上述诸原则有时是矛盾的，实际使用不可能同时满足所有的要求。
必须从设计任务的实际要求和设计条件考虑选择。
首先从压力、腐蚀性及清洗等考虑，再从压力降或其他要求校核决定[4]。
由于本设计采用氨作为制冷剂，氨的压力不是很高，循环过程中会产生相变形成蒸汽，而且比较干净，不容易结垢，可以选择其走壳程。
而设计任务规定冷却剂采用河水，河水受热后容易结垢，为方便清洗，提高热交换率，选择冷却水走管程。
冷却水与制冷剂流向相反。
3.2.4流速的选择
增加流速能够使传热膜系数增大，降低污垢在管子表面沉积的可能性，从而降低污垢热阻，使k值提高，因而所需传热面积减少，相应的设备投资费用也随之减少。
但流速增大又使流动阻力相应增加，动力消耗即操作费增加。
因此选择适宜的流速十分重要，最好通过经济核算进行选择。
一般都尽可能使流动的Re>
104（同时注意其他方面的合理性）。
根据流体常用流速范围表,查得换热器管内水流速范围为0.5~3m/s，再根据实验目的，本设计决定选取流速为1.5m/s。
3.2.5冷却剂进、出口温度的确定
任务书要求冷却水的进口温度为6～10℃，本设计取进口温度为10℃。
若选用较低的出口温度，则用水量大，操作费用高，但传热平均温差较大，所需传热面积较小，设备费也较低。
根据冷却水出口温差为4～10℃[5]，即冷却水出口温度比进口温度高4～10℃,本设计取出口温度为16℃，比所取进口水温度高6℃。
3.2.6制冷剂冷凝温度、蒸发温度的确定
设计书规定高温库的工作温度为0～4℃，制冷剂的蒸发温度应比高温库的工作温度低8～12℃，故本设计取工作温度为0℃，氨的蒸发温度为-10℃。
由于本设计用河水作为冷却剂，氨的冷凝温度应比冷却剂的进口温度高7～14℃，本设计中冷却剂的进口温度为10℃，故本设计取氨的冷凝温度20℃。
4设计计算及说明
4.1设计计算
4.1.1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（包括冷却、冷凝及过冷）所放出的总热量。
对于开启式制冷压缩机，在忽略热损失的情况下，它等于制冷剂在蒸发器中吸收的热量（制冷量Q0）与气态低压制冷剂在制冷机中被压缩成高压气体时所获得得机械功之和,并可用下式简化计算:
QL=φQ0kw
式中:
QL--冷凝器的热负荷,kw；
Q0--制冷量,根据设计任务书要求Q0=1600kw；
φ--系数,与蒸发温度t0,冷凝温度tk,汽缸冷却方式及制冷剂的种类有关，可t0=-10℃，tk＝20℃，“t0、tk与φ的关系图”查得φ=1.13。
考虑到单台冷凝器热负荷过大，本设计方案采取2台相同的冷凝器并联工作，以下以单台冷凝器的设计进行参数设定，则
冷凝器的热负荷QL=φQ0=1.13×
=904kw
4.1.2冷凝器的传热面积计算
在水冷式冷凝器中，立式和卧式管壳冷凝器的制冷在管外冷凝，冷却水在管内流动。
其传热面积可用下式计算：
m2
式中：
F--冷凝器的传热面积，㎡；
ＱL--冷凝器的热负荷，w，已求得QL=904kw；
Ｋ--传热系数,根据“各种冷凝器的热力性能表”，本设计的卧式管壳式（氨）冷凝器K=800W/（m2·
k）；
Δt--传热平均温差，℃；
求得
Δ
q--单位面积热负荷，W/㎡.
则冷凝器的传热面积
4.1.3冷凝器冷却水用量计算
水冷式冷凝器的冷却水用量可由下式求得：
kg/h
ＱL--冷凝器的热负荷，kw，已求得QL=904kw；
Cp—冷却水的定压比热，kJ/（kg.K）；
淡水可取4.186，海水取4.312，本设计采用河水为冷却水，故取4.186；
t1、t2——冷却水进、出冷凝器的温度，K或℃，t1=10℃、t2=16℃。
则冷却水质量用量M=
=
冷却水的定性温度取进出口温度的算术平均值，即
则，查表得水的密度ρ=999.333kg/m3。
则冷却水体积用量
4.1.4管数、管程数的计算
冷凝器设计常用的换热管管径为19、25、38mm。
对无污垢的常压下的流体，如工艺系统对流体通过冷凝器的压力降没有特殊要求，换热管管径可取19mm；
介质易结垢的，管径可放大，取25mm[5]。
由于河水易结垢，选取规格为Φ25×
2.5mm的光滑无缝钢管，即管外径为25mm，管壁厚为2.5mm。
（1）单程管数
V——管内流体（即冷却水）的体积流量，m3/s，已求得V=0.036m3/s；
d——管子内径，m，本设计选取规格为Φ25×
2.5的普通无缝钢管，则d=0.02m；
u——流体流速，m/s，本设计取流速u＝1.5m/s。
则单管程数
n取整数，则n=77。
（2）管程数
管程数是指介质在换热管内沿换热管长度方向往返的次数。
按单程冷凝器计算，管束长度为L，则
A——传热面积,㎡，已求得A=172.52㎡；
n——单程管子总数，已求得n=77；
d——管子内直径，m，已求得d=0.02m；
则管束长度
m
冷凝器的长径比有一定的要求，一般L/D=3-8。
若按单程设计L太长，超过上述长径比范围时，一般可采用多程管解决。
管程数为m，一般计算为：
L——按单程计算的管长，m，已求得L=35.66m；
l——选定的每程管长，m,考虑到管材的合理利用，按管材一般出厂规格为6m长，则l可取为1、1.5、2、3和6m等，本设计取l=6m。
则管程数
m取偶整数，则m=6。
采用多管程后，则
冷凝器的总管数NT=n·
m=77×
6=462根
（3）传热管总根数
冷凝器总管程为NT=n×
m=110×
3=330根。
4.1.5管子在管板上的排列方式、管心距及偏转角
根据经验，跨程温度最大值不得超过28℃。
分程可采用各种组合形式，但每一程中的管数应大致相等，隔板形式应简单，密封长度应短。
在工艺安装采用换热器叠加时，为接管方便，选用平行分法较为合适，同时平行分发也可使管箱内残液放尽。
所以本设计采用六管程平行分法。
（1）排列方式
管子在管板上的排列方式有三种：
同心圆法、正三角形法和正方形法。
当壳程流体是不污浊性介质时，采用正三角形。
当管子总数NT超过127根（相当于层数>
6）时，按正三角形排列的最外层管子与壳壁之间形成的弓形部分也应配置上附加管子，这样不仅可以增加排管数，增大传热面积，而且可以消除了管外这部分空间，是管外流体分布更均匀。
根据“按等边三角形布管时的管子根数表”所示，本设计采用正三角形排列法，六角形的层数设为12，对角线上的管数为25，冷凝器内管子总根数最高可达517根大于本设计需要462根，所以可行。
（2）管心距
管心距的大小要考虑管板强度和清洗管子的外表面时所需空隙，它与管子在管板上固定的方法有关。
本设计采用正三角形法排管，焊接法连接。
若相邻两根管子的焊接太近，就会因相互受到热的影响，使焊接质量不易保证。
根据生产实践经验，焊接法最小管心距一般采用amin=1.25do=1.25×
25＝31.25mm≥（
+6）=31mm，根据“管孔直径及中距偏差表”，取a=32mm。
（3）偏心距
当卧式冷凝器的壳程为蒸汽冷凝，且管子按等边三角形排列时，为了减少液膜在列管上的包角及液膜厚度，管板在装置时，其轴线应与设备的水平轴线偏转一定角度α。
因为a=32mm，查“轴线偏转角度表”得偏转角α=7°
4.1.6壳体直径和壳体厚度
（1）壳体直径
D=a（b-1）+2e
D——壳体内经，mm；
a——管心距，mm，本设计取a=32mm；
b——最外层的六角形对角线上的管数，查得b=25；
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，此处取e=1.25×
d0=1.25×
25=31.25mm。
则壳体内经D=a（b-1）+2e=32×
（25—1）+2×
31.25=830.5mm
壳体的内径应圆整到最靠近的部颁标准尺寸，根据“标准尺寸表”将计算值圆整至最靠近的标准尺寸即壳体内经为900mm，最小壁厚为12mm。
（2）壳体厚度
s=
s——外壳壁厚，cm；
P——操作时之内压力，N/cm2（表压），以tk=20℃为定性温度，从《实用制冷工程设计手册》[6]查得氨的表压为0.8562Mpa，即85.62N/cm2；
[
]——材料的许用应力，查《机械设计手册》[7]得不锈钢无缝管YB804-70的许用应力是13230N/cm2；
——焊缝系数，本设计选用单面焊缝
=0.65；
C——腐蚀裕度，其值在（0.1～0.8）cm之间，本设计取0.8cm；
Di——外壳内径cm，根据壳体内经为900mm，最小壁厚为12mm，得Di=900mm-12mm×
2=876mm=87
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