食品科学与工程毕业设计管壳式冷凝器设计.doc

姓名：李长海班级：08食品科学与工程5班学号：200830600510指导老师：李璐设计时间：2010.12目 录一设计题目（一）设计题目-4（二）设计任务-4（三）设计条件-4（四）设计要求-4二工艺流程图及说明- 4三工艺流程方案及说明论证1、制冷剂的选择-52.流体流入空间的选择- 53.冷凝器的造型选择- 64.流速的选择-65.冷却剂适宜出口温度的确定-66.管束材料的选择-6四、设计计算及说明1.1 冷凝器的选型计算1.1.1 冷凝器的热负荷1.1.2 冷凝器的传热面积的估算1.1.3 冷凝器冷却水用量的计算1.1.4 管数、管程数和管数的分程、管子的排列1.1.4.1 管数1.1.4.2 管程数和总管数的确定1.1.4.3 管子在管板上的排列1.1.5 壳体直径和厚度的计算1.1.5.1 壳体直径的计算1.1.5.2 壳体厚度的计算1.2 设计核算1.2.1 热量核算1.2.2 雷诺数和阻力核算1.2.3 安全系数核算六设计数据结果概要表-七设计的评价及问题讨论-八主要参考文献 - 一 设计题目（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（如f-22、氨等）过热蒸汽冷气，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04，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： 1720（1班）、2124（2班）、2528（3班） 1316（4班）、912（5班）、58（6班）4传热面积安全系数515%；（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：封面；目录；设计题目（任务书）；流程示意图；流程及方案的说明和论证；设计计算及说明（包括校核）；主体设备结构图；设计结果概要表；对设计的评价及问题讨论；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 流程示意图三 流程和方案的说明和论证1 制冷剂的选择制冷剂又称制冷工质，是制冷循环的工作介质，利用制冷剂的相变来传递热量，既制冷剂在蒸发器中汽化时吸热，在冷凝器中凝结时放热。当前能用作制冷剂的物质有80多种，最常用的是氨、氟里昂类、水和少数碳氢化合物等。考虑到制冷剂的实用性和经济性，最终选择氨作为此次制冷循环的制冷剂，原因主要有以下几个方面：（1）、氨（r717、nh3）是中温制冷剂之一，当冷却水温度达30时，冷凝器中的工作压力一般不超过1.5mpa；（2）、氨的临界温度较高（tkr=132）。氨的汽化潜热大，在大气压力下为1164kj/kg，单位容积制冷量也大，氨压缩机尺寸可以较小；（3）、纯氨对钢铁无腐蚀作用，但当氨中含有水分时将腐蚀铜和铜合金（磷青铜除外），故在氨制冷系统中对管道及阀件均不采用铜和铜合金；（4）、氨在常温下不易燃烧。2 流体流入空间的选择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，本实验中确认了冷却时河水，河水比较脏，硬度也比较高，受热后易结垢，流管内便于清洗，所以选择冷却水走管程，氨走壳程。3 冷凝器的造型选择由于卧式冷凝器具有大、中、小型氨的制冷装置都可采用，结构紧凑和传热效果等优点，所以选择它作为冷凝器的造型。4 流速的选择 根据设计指导中的表1列管换热器内常用的流速范围，综合考虑尽可能使流动的re104，加上流速增大，流体流动产生湍流，有利于传热膜系数的增大，同时还可以减少污垢在管子表面沉积的可能性，从而降低污垢热阻而使k值提高，所需传热面积减少，设备投资费减少。但过大的流速会使流动阻力增加，动力消耗增加，增加生产成本等原因，选择冷却剂的流速为1.2m/s.5 冷却剂适宜出口温度的确定 根据设计要求，冷却剂的进口温度必须在912，根据广州河水的实际情况，取进口温度为12，对于出口温度的选择主要根据选择河水做冷却剂，选用较低的出口温度可使传热的平均温差较大，所需传热面积较少，设备费用也减少，还有设计选择的冷凝器类型是卧式水冷式冷凝器，温差最好控制在420，综合考虑之后选择冷却剂的出口温度为16.6 管束材料的选择 目前较为常见的管束材料有铜和钢两种，由于氨气会腐蚀铜，所以选择用252mm的不锈无缝钢管作为管束材料。四 设计计算和说明1.1 冷凝器的选型计算1.1.1 冷凝器的热负荷根据 kw，式中 ql冷凝器的热负荷；q0制冷量；已知q0=1000kw.根据提前设定好的氨的冷凝温度蒸发温度=-10，可在图3b中查得得到=1.081.所以冷凝器的热负荷1.1.2 冷凝器的传热面积的估算在水冷式冷凝器中，卧式管壳式冷凝器的制冷剂在管外冷凝，冷却水在管内流动。其传热面积可用下式计算：，式中q为单位面积热负荷，w/m2；f冷凝器的传热面积，m2；ql冷凝器的热负荷，w； k=传热系数，；传热平均温差，；根据表4各种冷凝器的热力性能，取k=750，由下式求得：将和k值代入到f值的求导式中，就可大致估算出传热面积为211.96。1.1.3 冷凝器冷却水用量的计算水冷式冷凝器的冷却水用量可由下式求得：其中冷却水的定压比热，kj/()；淡水可取4.186，海水取4.312；本设计用河水作为冷凝水，则= kj/()。所以可得到冷凝器中冷却水的用量m为1.1.4 管数、管程数和管数的分程、管子的排列1.1.4.1 管数选定了管内流速和管径后，可由下式求得单程管子总数n：其中v为管内流体的体积流量，；d为管子内直径，m；u为流体流速，m/s。又，所以1.1.4.2 管程数和总管数的确定按单程冷凝器算，管速长度为l，则，本设计中由于长径比l/d38，所以采用多管程解决。管数m，则采用多管程后，冷凝器的总管数nt1.1.4.3 管子在管板上的排列（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。氨符合这一要求，故将管子在管板上排列方式取正三角形法。（2）管心距根据设计指导书中采用胀接法amin1.25 d0，即amin31.25mm，另外还要考虑作花板布置的空间，最外层管中心至壳体内表面的距离不应小于(d0+100)mm=112.5mm由此，根据表7选取管心距a=32mm（3）偏转角度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的包角及液膜厚度，管板在设置时，其轴线应与设备的水平轴线偏转一定的角度，即偏转角度。根据设计书的表8和所选的管径、管心距，选择1.1.5 壳体直径和厚度的计算1.1.5.1 壳体直径的计算壳体内径：，其中：d为壳体内径，mm；a为管心距,mm；b为最外层的六角形对角线上的管数；e六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离，一般取e=(11.5)d0，本设计取e=1.5d0。则，d=32(27-1)+37.52=907mm1.1.5.2 壳体厚度的计算当热交换器受内压时，外壳的厚度s可用下式计算：其中：s为外壳壁厚，cm；p为操作时之内压力，n/cm2；为材料的许用应力，n/cm2；为焊缝系数，单面焊缝=0.65，双面焊缝=0.85，此设计选择双面焊缝；c腐蚀裕度，其值在(0.10.8)cm之间，此处取0.7cm；d外壳内径，cm。操作时的内压力主要是有氨气引起的，所以通过查询氨的压焓图，得到氨在该操作条件下的绝对压力为85 n/cm2，所以p=85-10.13=74.87 n/cm2所以满足设计指导书中表9的最小壁厚12mm的要求，设计合理。1.2 设计核算1.2.1 热量核算1.2.2 雷诺数和阻力核算（1）冷却水在壳程内流动，其雷诺数re为满足设计的要求。（2）冷凝器的阻力计算只需计算管程冷却水的阻力，当冷凝器的结构尺寸确定之后，即可按下式计算冷却水的阻力：其中：为管道的摩擦阻力系数，本设计使用钢管=0.22re-0.2；z为冷却水流程数；l为每根管的有效长度；d为管子内径u为冷却水在管内的流速，m/s；g为重力加速度，m/s2局部阻力系数，可取近似值=4z。所以：1.2.3 安全系数核算（1）传热系数的核算光管水冷凝器的传热系数，以管外表面积为基准k0可用下式求得：其中：式中 a0为管外制冷剂冷凝膜系数， w/m2k；ai为管内冷却水的传热系数， w/m2k；a0为基管外表面积，m2；ai为基管内表面积，m2；am为基管平均面积（实际传热面积），m2；ri为水侧垢层热阻，查阅课程设计指导书表5，水流速度大于1m/s的澄清的河水的热阻值为0.1810-3k/w；ro为制冷剂侧污垢热阻，k/w;因为冷剂为氨，可取ro0.3510-30.610-3 ；此处取p管壁厚度，0.002m；p管壁导热系数，采用钢，43.15w/mk。除了可以直接取得的量外，要计算传热系数还要计算、a0、ai、am的值。于是有：为制冷剂的冷凝膜传热系数，根据食品工程原理课本中的公式，其可以通过下式求得其中根据本实验的操作温度（），查得：所以 w/m2k 可由下式求得：其中，根据操作条件求得 kj/（kg.k）。所以： w/m2k因此可以求得传热系数=740.4此结果与设计要求的传热系数必须在700到900之间的设计要求吻合，符合生产实际。（2）安全系数根据化工原理课本：所以本设计的安全系数满足安全系数满足设计要求。五 设计结果概要表项目指标冷凝器冷凝器类型卧式壳管式冷凝器冷凝器内径907壳体壁厚30.3管板壁厚18.75m