食工课程设计参考文件

1、目 录1 设计任务书22 流程示意图及方案说明23 设计方案的确定44 冷凝器的选型设计计算75设计核算116 热量衡算 147 设计结果概要表 158 总结 169 参考文献 161 课程设计任务书1.1 设计题目：管壳式冷凝器设计1.2 设计任务：将制冷压缩机压缩后的制冷剂（如F-22、氨等）过热蒸汽冷却、冷凝为过冷液体，送去冷库蒸发器使用。1.3 设计条件：1.冷库冷负荷； 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

2、数515。1.4 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；流程及方案的说明及论证；设计计算及说明（包括校核）；主体设备设计图；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、管壳式冷凝器结构图（3号图纸）及花板布置图（3号或4号图纸）。2 流程示意图图1 制冷设备流程图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

3、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。氨蒸汽在压缩机内压缩成过热蒸汽，该过程为绝热可逆等熵过程（1-2）；进入冷凝器后，被冷凝成液体状态，把热量传给冷却水，该过程为等压过程（24）；高压液体通过节流膨胀阀时，氨降压吸热沸腾蒸发，温度下降，为等焓过程（44）；液体氨进入蒸发器，吸热发生冷效应，使周围空气温度下降，为等压等温过程（5'-1）。回热器能防止低压蒸汽夹带液滴进入压缩机中避免液击，提高低压蒸汽的温度，提高制冷系数，减轻压缩机的吸入蒸汽与汽缸间的热交换，便于提高压缩机的输气系数。在冷凝器设计过程中，将蒸发器产生的低温低压

4、蒸汽与节流前的液体工质进行热交换，即可以减轻或消除吸气管道中的有害过热，又能使液态制冷剂过冷，称为回热循环。但制冷系数是否提高，还要视具体环境和制冷剂种类而定。图2 冷却流程示意图 参考资料中的管壳式换热设备的自控流程为以上流程图 冷却水的出口温度需要调节，因此安装旁路切断阀。 热流温差大于冷流温差时，热流体流量的变化将会引起冷流体出口温度的显著变化，调节热流体效果较好。3.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、冷却剂的选择及进出口温度的确定等。31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

5、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（吴志全，2002）：(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

6、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

7、）制冷剂应价格便宜，便于获得。本设计采用的制冷剂是氨(R717)，其作为制冷剂的优点有以下几点(郭庆堂)： (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 冷却剂的选择本设计选用河水为冷却剂，其来源广、经济、方便

8、3.3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。在1500kw冷量以下，可采用空冷或者水冷；冷量大于1500kw，则采用水冷。（文献离心式冷水机组的制冷剂选择），本设计制冷量为1700kw，故应使用水冷方式。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

9、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，而且由于其传热系数大，操作、管理、维护方便，目前氟利昂制冷系统多采用这种冷凝器。3.4流体流入冷凝器空间的选择在管壳式（有称列管式）冷凝器中，流体流入空间的选择是关系到该冷凝器的使用是否合理的问题。其确定可以从以下几个方面考虑(李雁、李璐等)： 不洁净或易结垢的物料应当流经易清洗的一侧。固定管板式的直管束管内较易清洗，故一般应通入管内。如冷却水采用河水，比较脏或硬度比较高，受热后容易结垢，流管内便于清洗。此外，管内流体易维持高速，可避免悬浮粒子沉积。要保证管内和管外有适当的流速，以保证有较高的传热系数。因此要提

10、高流速以增大其传热膜系数的流体应通入管内。故管程易采用多管程以增大流速。有腐蚀性的液体应该流管内。压力高的流体应该流管内。饱和蒸汽一般应通入壳程，以便于派出冷凝液，而且蒸汽较清洁。被冷却物料一般走壳程，便于散热，可减少冷却剂用量。综上所述，本设计中设计的冷凝器的管程采用多管程，冷却水走管程，制冷剂走壳程。3.5进出口温度的确定冷却水进水温度为1316，本设计取t1=15，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410【4】，即冷却水出口温度t2=t1+(410),本设计取t2=21.由此可得到冷却介质水的定性温度为T

11、水=（15+21）/2=18，查得物理性质如下：=998.2kg/m3,=1.0042*10-3Pa·s3.6 制冷剂蒸发温度T0、冷凝温度Tk的确定 本设计蒸发器中以空气作载冷剂，蒸发温度t0应比库内空气温度低812，而高温库的工作温度为04，故本设计取t0=-10; 冷凝温度取决于冷凝介质的温度，也与冷凝器的型式有关，对于卧式冷凝器，当用水冷却时，冷凝温度tk=t2+(45),本设计取tk=25。 过热温度tp比蒸发温度t0高34，本设计取tp=-6;因此氨的定性温度为T氨=Tk-( Tk-T水/2)/2=17。3.7 平均温差 3.8流速的选择增加流速能够使传热膜系数增大，降低

12、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，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0.53m/s，本设计方案选取流速为u1.5m/s。3.9 水冷式冷凝器的选型综上，根据“各种冷凝器的热力性能表”，本方案采用氨卧式管壳式水冷式冷凝器，其结构紧凑，体积比立式壳管式的小；传热系数大, 传热效果好；冷却水进出口温差大，耗水量少；操作管理方便，因而目前大

13、、中型氨制冷系统多采用这种冷凝器，但卧式管壳式冷凝器清理水垢和铁锈比较困难，对冷却水水质要求较高，而本设计中在冷却水进入冷凝器前需经过过滤器，可提高水质，减少水垢生成。冷凝管则选用38mm×2.5mm的光滑无缝钢管。为提高冷凝器的传热膜系数，冷凝器的结构采用多程式结构，冷却水选用河水，选择冷却水走管程，R717走壳程。 4 冷凝器选型的设计计算及说明4.1 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

14、所获得得机械功之和,并可用下式简化计算:QL=Q0 kw式中: QL-冷凝器的热负荷,kwQ0-制冷量,；设计任务要求Q0=8×100=800kw。 -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.由管壳式冷凝器设计指导书图3 压缩机气缸风冷 查得=1.4.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。热负荷QL=Q0 =1.4×800=1120kw。4.2冷凝器的传热面积在水冷式冷凝器中，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

15、热面积，；L-冷凝器的热负荷，kw；计算得QL=1.4×800=1120kw。-传热系数,取K=730W/（·）【3】；t-传热平均温差，；计算得t=6.55.q-单位面积热负荷，W/.=234.4.3冷凝器冷却水用量 水冷式冷凝器的冷却水用量可由下式求得： kg/h式中：L-冷凝器的热负荷，kw； 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，取4.186（李云飞，葛克山等，2009）； t1 、t2 冷却水进、出冷凝器的温度，K或。所以，冷却水质量用量M=冷却水体积用量4.4 管数的计算选取规格为38×

16、2.5mm的光滑无缝钢管，则d0=38mm=0.038m，di=33mm=0.033m4.4.1 单程管数， 取整数得n=35根。式中：V管内流体（即冷却水）的体积流量，m3/sd管子内径，mu流体流速，取1m/s4.4.2管程数 管程数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 式中：A: 传热面积,； n: 单程管子总数； d：管子内直径，m；故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： 式中：L:按单程计算的管长，m；l：选定的每程管长，m,考虑到管材的合理

17、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6m。 算出的m必须取整数, 所以: =故m取12.4.4.3 冷凝管总管数NTNT=n×m=35×12=420（根）4.5 管子在管板上的排列方式，管心距根据经验，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。所以本设计采用四管程平行分法。4.5.1 管子在管板上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

18、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。根据课程设计指导书表6所示，本设计采用正三角形排列法，六角形的层数设为11，对角线上的管数为23，冷凝器内管子总根数最高可达439根大于本设计需要420根，所以可行。4.5.2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

19、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=1.25×3847.5mm，根据“管孔直径及中距偏差表”(李雁，李璐等，2012)，取a=48 mm。4.5.3 偏心距由管壳式冷凝器设计指导书表8查得，do=38mm时，偏转角为7度4.6 壳体直径D D = a（b1）+2e式中：a管心距，a=48mmb最外层的六角形对角线上的管数，查得b=23e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，此处取e=1.4×d0=1×38=38mm D = 48×（231）+2×1.4&#

20、215;38=1162.4(mm), 将计算值调整至最靠近的标准尺寸即1200mm，最小壁厚为14mm。4.7 壳体厚度ss= 式中: P-操作时的内压力，查得（高福成，1998）：P=110N/cm2材料的许用应力，从百度文库上搜索得20R钢管，小于等于25时，=13230 N/cm2焊缝系数，本设计选用单面焊缝=0.65C腐蚀程度（0.10.8cm），取0.8cmD外壳内径cm，D=120cm算出壳体厚度后，还应该适当考虑安全系数以及开孔的强度补偿措施。一般都应大于最小厚度值，故取s=16mm。5 设计核算5.1 实际流速 u实m/s与设定值1.5m/s相等，设计可行。5.2流体雷诺数及流

21、体类型雷诺数Re=式中：di管的内直径，di=0.033m；u流体实际流速,u=1.50 m/s； 粘度，在定性温度18时，=1.004×10-3；流体的密度，。Re>104 即管内冷却水流动状态为湍流，符合要求。5.3 传热系数K 以管外表面积为基准 以管内表面积为基准式中：0-管外制冷剂冷凝膜系数，8200w/(m2·K)【6】i-管内制冷却水的传热膜系数，5350w/(m2·K) 【6】Aq基管外表面积，m2; Aq=2××d0/2×l×NT=2××0.038/2×6×38

22、5=275.6m2Ai基管内表面积，m2; Ai=2××di/2×l×N T =2××0.033/2×6×385=239.4 mTAm基管平均面积，m2; Am=dlN T=( di- d0)/Ln(di/ d0)×6×385×=441.0 m2p管壁厚度，mp管壁导热系数，43.2w/(m·K)Ro制冷剂侧污垢热阻，0.6×103m2·K/w【3】;Ri水侧垢层热阻0.35×103m2·K/w【3】;5.3.1以管外表面积为基准的传热

23、系数K=708.22w/(m2.k)5.3.2以管内表面积为基准的传热系数Ki =815.00 w/(m2.k)卧式冷凝器（氨）的传热系数范围在700900，本设计方案的传热系数符合要求。5.4 安全系数核算式中： 实际布置所得的传热面积，m2 ； 理论传热面积，m2 管外总传热面积：NTd0l385×3.14×0.038×6275.62管内总传热面积：NTdl385×3.14×0.033×6239.36实际总传热面积：（）/2（275.62239.36）/2=257.49理论总传热面积：安全系数（257.49234）/23410.0

24、4%一般要求安全系数为315（0.030.15），故本设计合符要求5.5 阻力计算冷凝器的阻力计算只需计算管程冷却水的阻力，当冷凝器的机构尺寸由设计确定后，可按下式计算冷却水的阻力：式中：管道摩擦阻力系数，湍流状态下，钢管=0.22Re-0.2Z冷却水流程数，根据前面的计算可以知道流程数为11L每根管子的有效长度，本设计取6md管子内直径, 0.033mu冷却水在管内流速，本设计取1.5m/sg重力加速度，m/s2局部阻力系数，可近似取为=4Z=4×11=445.6 长径比L/D L/D = 6/1.162=5.16（符合长径比38的范围）6 热量衡算LgP 41 4 3 2 21

25、51 5 1 11压焓图过热温度比蒸发温度高35，过冷温度比冷凝温度低35.蒸发温度t0= -10，过热温度t=-6，冷凝温度tk=25，过冷温度tu=22.由压焓图查得2h1=1450kJ/kg,h1=1460kJ/kg,h2=1615kJ/kg,h2=1630kJ/kg,h3=1480kJ/kg,h4=h5=325kJ/kg,h4=h5=305kJ/kg.（1）回热循环1-11-21-2-3-4-41-51-5-1单位制冷量=1460-305=1155kJ/kg压缩功：W= h2- h1=1630-1460=180kJ/kg制冷系数=q0/W=1155/180=7.90单位循环量：G=Q0/q0=800/1155=0.69kJ/kg制冷剂的放热量：Qk=G(h2-h4)=0.69×(1630-305)=914.25kJ/s冷凝器的热负荷：QL=Q0+G×W=800+0.69×180=924.20kJ/s由计算结果可以看出, 放热量吸热量，热量平衡。本设计的冷凝器热量基本平衡，符合实际要求。7 设计结果概要表项 目制冷剂R-717（壳程）蒸发温度T0100C冷凝温度Tk250C过热温度Tp-6过冷