食工原理课程设计-管壳式冷凝器设计

15/16食品工程原理课程设计管壳式冷凝器设计设计任务书华南农业大学食品学院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(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。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:21~25℃(1班)、6~10℃(2班)、11~15℃(3班)、16~20℃(4班)、1~5℃(5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4号图纸）。

目录TOC\o"1-3"\h\u1前言 31.1设计意义 31.2文献综述 32工艺说明及流程示意图 32.1工艺说明 32.2流程示意图 33设计方案的确定 43.1制冷剂的选择 43.2冷却剂的选择 43.3液体流入冷凝器空间的选择 43.4液速的选择 43.5冷却剂适宜出口温度的确定 53.6蒸发温度、冷库温度、制冷剂蒸发温度、冷凝温度确定 54设计计算及说明 54.1冷凝器型式的选择 XX954.2冷凝器的选型计算 64.2.1冷凝器的热负荷 64.2.2冷凝器的传热面积计算 64.2.3冷凝器冷却水用量 74.3管数、管程数和管束的分程、管子的排列 74.3.1管数 74.3.2管程数 74.3.3管束的分程、管子在管板上的排列方式 84.3.4管心距及偏转角 84.4壳体直径、壳体厚度计算 84.4.1壳体直径 84.4.2壳体厚度的计算 84.5计算校核 94.5.1实际流速 94.5.2流体雷诺数及流体类型 94.5.3传热系数K 94.5.3.1管内冷却水的传热系数 94.5.3.2管外制冷剂冷凝膜系数 104.5.3.3以管内表面积为基准的Ki 104.5.4传热面积计算及安全系数计算 114.5.5冷凝器的阻力 114.4.6回热的判断及热量衡算 125设计结果概要表 136设计评价及问题讨论 136.1设计评价 136.2设计问题及讨论 146.2.1设计问题 146.2.2问题讨论 14参考文献 15附录 151前言1.1设计意义食品工程原理作为食品科学与工程的最重要的专业课之一，学生要非常熟悉，并掌握其中的原理及懂得如何应用。流体传热、制冷是食品工程原理中最重要的章节，也是运用最多的内容，本课程设计以设计管壳式冷凝器方案为主题，依据食品工程原理中的流体传热、制冷相关知识设计，能很好的考察学生对流体传热、制冷等内容的掌握程度，增强学生思考问题的能力与维度，让学生充分运用课内学习到的知识并结合文献设计出一款合格的管壳式冷凝器。1.2文献综述在各种换热器中，采用最多的是管壳式散热器，其使用的广泛程度接近换热器使用总量的90%。目前，在换热器设计过程中，实现了用计算机进行画图和计算的设计方式，但这同时也造成了设计者对计算机的过度依赖，在进行换热器的设计时，只注重计算结果，忽视了计算过程。对计算过程的忽视，是导致错误结论的主要因素。[1]因此我们要清楚知道计算过程中每一个步骤及相应的原理。近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势[2]。所以懂得如何设计管壳式换热器至关重要。2工艺说明及流程示意图2.1工艺说明本设计中的制冷循环为蒸汽压缩式制冷回热循环，采用氨做制冷剂，利用氨发生相变（即液态变气态，气态经压缩再变液态）时的能量变化来实现制冷目的。其工作原理为：利用制冷剂氨在蒸发器中不断吸收欲降温物体的热量而汽化，产生的低温低压蒸汽由压缩机压缩后，在冷凝器中冷凝成液体，并将冷凝热传给冷却水，从而实现了将热量从低温物体传给高温物体，使低温物体进一步降温的制冷目的。而为了使制冷剂循环使用，冷凝后的液体减压后送回蒸发器，即液体工质经压缩——冷凝——膨胀——蒸发过程的逆卡诺循环。2.2流程示意图制冷系统的工艺流程如下图1所示:图1制冷流程示意图3设计方案的确定3.1制冷剂的选择制冷剂是在制冷系统中通过相变传递热量的流体，它在低温低压时吸收热量，在高温高压时放出热量。制冷剂作为制冷(热)系统的工作介质。F-22是为二氟一氯甲烷，为消耗臭氧层物质，为国家限用的制冷剂，我们不用也不提倡大家使用此类制冷剂。从20世纪30年代开始，以R11、R12和R22为代表的CF-Cs和HCFCs制冷剂的大量开发，使得制冷技术得到了飞跃性发展;但在70年代中期，科学家发现CFCs和HCFCs在大气平流层中会消耗大量的臭氧，并且在南极上空造成了臭氧空洞，对地球表面的气候、生物产生了一系列不利影响[3]。本设计使用氨做制冷剂，氨作为天然、无害的制冷剂，不仅对环境没有污染，还会有许多的优点。国际制冷学会最新的文献[4]提出：在蒸发温度-35℃以上，氨制冷剂的热力性质是所有制冷剂中最佳的，即在蒸发温度-35℃以上，采用氨制冷剂运行能耗最低。氨工质的主要优点：[5]1)除空气与水外最廉价的一种制冷工质；2)标准沸腾温度低，在冷凝器和蒸发器压力适中；3)单位容积制冷量大，单位冷量所需的制冷剂循环量少，热传导率高气化潜热大；4)节流损失少，运行效率高；5)运转压力低，对机器的要求低，冷冻系统材料成本低；6)有刺激性气味，泄漏时极容易由气味及测漏试纸、试药测出，空气中含有50mg/m3的氨时，人的嗅觉即可分辨；7)与矿物油不相溶，在低温下与油容易分离，氨比重较油轻，冷冻油往往沉于氨液之下，可方便地对冷冻系统进行回油；8)常温及低温下热力学性质、化学性质稳定；9)ODP=0,GWP=0。3.2冷却剂的选择选取河水作为冷却剂，其来源广、经济、方便。3.3液体流入冷凝器空间的选择在管壳室冷凝器中,哪种流体流经管内（管程）、哪一种流体流经管外（壳程）、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以从以下几个方面考虑：（1）不洁净或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。因此要提高流速以增大其传热膜系数的流体应通入管内；（3）有腐蚀性的流体应流管内；（4）压力高的流体应流管内；（5）饱和蒸汽一般应通入壳程,以便排出冷凝液,而且蒸汽较清洁；（6）冷凝剂一般走壳程，便于散热减少冷凝剂用量。综上所述，本次设计使用河水做冷却剂，比较脏，走管程；而冷凝剂氨走壳程。3.4液速的选择流速增大，传热膜系数增大，同时还可以减少污垢在管子表面沉积的可能性而降低污垢热阻，从而使K值提高，所需传热面积减少，设备投资费减少。但增大流速又使流动阻力相应增加，动力消耗即操作费用增加。因此，选择适宜的流速十分重要，一般都尽可能使流动的Re>104。根据设计任务书，流速的范围见下表：表1列管换热器工业上常用的流速范围流体种类流速（m/s）管程壳程一般液体0.5~30.2~1.5易结垢液体＞1＞0.5气体5~303~15因此，综合考虑各种因素，本设计选择河水的流速u=1.2m/s。3.5冷却剂适宜出口温度的确定按课程设计任务书，我班冷却水进水温度为6-10℃，本设计取t1=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℃，即冷却水出口温度t2=t1+(4~10)℃,而冷却水的进口温度比较低，因此本设计取t2=18℃。因此可得到冷却介质水的定性温度为T水=（10+18）/2=14℃。3.6蒸发温度、冷库温度、制冷剂蒸发温度、冷凝温度确定在冷库中以空气为载冷剂，高温库的工作温度为0～4℃，选取高温库0℃，根据蒸发温度t0应比载冷剂低8～12℃，选取蒸发温度t0=-12℃。冷凝温度取决于冷凝介质的温度，也与冷凝器的型式有关，为了保证冷凝器内的热交换，冷凝温度tk必须高于冷却水出口温度t24～5℃，且其端部温差（tk-t1）可取7～14℃，本设计冷凝温度取tk=20℃。根据过冷温度tu较冷凝温度tk应低3-5℃，所以选取tk=20℃，tu=16℃。过热温度tp比蒸发温度t0高3~4℃，本设计取tp=-8℃。综上所述，本实验所选择的相关温度如下：进口温度t1=10℃出口温度t2=18℃冷凝温度tk=20℃过冷温度tu=16℃蒸发温度t0=-12℃过热温度tp=-8℃4设计计算及说明4.1冷凝器型式的选择本方案采用了河水作为冷却剂，所以选择水冷式的冷凝器。水冷式的冷凝器是最常见的冷凝器，最常用的水冷式冷凝器有两形式，一种立式管壳式冷凝器，一种是卧式管壳式冷凝器，一下表2为这两种冷凝器的比较，

表2常用冷凝器的比较冷凝器类型优点缺点使用范围立式壳管式1.可装设在室外露天，节省机房面积；2.清洗方便；3.漏氨易发现。1.传热系数比卧式壳管式低；2.冷却水进出温差小，耗水量大。中型及大型氨制冷装置卧式壳管式1.结构紧凑；2.传热效果好；3.冷却水进出温差大，耗水量小。1.清洗不方便；2.漏氨不易发现。大、中、小氨和氟利昂制冷装置都可采用一般情况下立式冷凝器与卧式相比其给热系数较小，无特殊要求一般选取卧式的换热方式。而且一般立式比卧式的管子半径大一些[6]。综合比较两种常用冷凝器的优缺点和使用范围，本设计使用卧式管壳式冷凝器。4.2冷凝器的选型计算4.2.1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，可用制冷剂的压焓图算出。对于开启式制冷压缩机，在忽略热损失的情况下，它应等于制冷剂在蒸发器中吸收的热量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的机械功之和，并可用下式简化计算：QL=φQ0（kW）式中：QL——冷凝器的热负荷；kWQ0——制冷量kW；φ——系数,与蒸发温度,冷凝温度,汽缸冷却方式及制冷剂的种类有关，可以从设计指导书中图查得。其中，Q0=1300kW，查表得φ=1.13所以，QL=1300×1.13kW=1469kW4.2.2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：QUOTE式中：F——冷凝器的传热面积，m2；

QL——冷凝器得热负荷，W；K——传热系数，W/（m2·K）或W/（m2·℃）；∆t——传热平均温差，℃；

q——单位面积热负荷，W/m2。由表中初估，K=700~900W/m2·K，取K=800W/m2·K；q=4000~5000W/m2，取q=4500W/m2。则：预估4.2.3冷凝器冷却水用量水冷式冷凝器的冷却水用量可以用下式求得：式中：QL——冷凝器的热负荷，kW；Cp――冷却水的定压比热，kJ/（kg·K），淡水取4.186，海水取4.312；t1、t2――冷却水进、出冷凝器的温度，K或℃。体积流量4.3管数、管程数和管束的分程、管子的排列本次设计方案选取传热管道尺寸为ф25×2mm的无缝钢管，则di=21mm；do=25mm；b=2mm；dm=23mm。4.3.1管数选定了管内流速和管径后，可用下式求得单程管子总数n:QUOTE式中：V——管内流体的体积流量，m3/s；d——管子内直径，m；u——流体流速，m/s。算出n后，圆整为整数。根。4.3.2管程数按单程冷凝器计算，管束长度为L，则式中：A——传热面积，m2；其他符号同前。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，则：m=L/l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。此处选用l=6m，算出的m必须取整数。因此采用多程管后，冷凝器的总管数NT为4.3.3管束的分程、管子在管板上的排列方式从制造、安装、操作角度考虑，偶数管程有更多的方便之处，由上面的计算可得，管程数有八程，拟设一个冷凝器，程数较多，课程设计指导书上建议多程选用径向分布，但这种分法却存在冷却水进出口相邻、水只能下进下出的缺点，影响制冷效果，同时为了可排列更多的管子，本设计采用同心圆法，管子按正三角形排列。分程隔板的具体布置如花板布置图所示。4.3.4管心距及偏转角管板上两根管子中心距离a成为管心距。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。根据生产实践经验，焊接法最小管心距一般采用=1.25d0，本设计所取管子外径d0=25mm，则，取管心距=32mm。当卧式冷凝器的壳程为蒸汽冷凝，且管子按正三角形排列时，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，查表可得可取7°4.4壳体直径、壳体厚度计算4.4.1壳体直径壳体的直径应等于或稍大于管板的直径。所以，从管板的计算可以决定壳体的内径。通常用下式确定：D=a(b-1)+2e式中：D——壳体内径，mm；a——管心距，mm；b——最外层的同心圆对角线上的管数；e——同心圆最外层管子中心到壳体内壁的距离。一般取e=（1~1.5）d0其中，a=32mm，b=33,取e=1d0=25mm因此D=32×(33-1)+2×25=1074mm壳体的内径应圆整到最靠近的部顶标准尺寸，壳径的部顶标准尺寸见下表：表3标准尺寸（mm）壳体内径325440500600700800900100011001200最小壁厚8101214由上表，考虑到管板的厚度和钢管的排列方式，确定壳体的内径为1100mm，则最小壁厚为14mm。因而，冷凝器的长径比L/D=6000/1100=5.45，符合L/D=3～8的要求4.4.2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：式中：s——外壳壁厚，cm；P——操作时之内压力，N/cm2（表压）；——材料的许用应力，N/cm2；——焊缝系数，单面焊缝=0.65，双面焊缝=0.85；C——腐蚀裕度，其值在(0.1～0.8)cm之间；D——外壳内径，cm。按此式算出壳体厚度后，还应适当考虑安全系数，以及开孔的强度补偿措施。一般都应大于表3所列的最小厚度值。其中，查压焓图,冷凝温度为20℃时,得P绝=8.2×105Pa=82.02N/cm2，∴P=P绝—P大=82.02—10.13=71.89N/cm2其中D=110cm，=0.65，C=0.8cm根据相关资料,选取钢[σ]为9810N/cm2112Mpa=11200因此：壳体厚度S最终取整数，则取s=15mm4.5计算校核4.5.1实际流速实际流速4.5.2流体雷诺数及流体类型查得定性温度14℃下，冷却水的粘度μ=1.1684×10-3Pa·s，ρ=999.2kg/m3雷诺数所以冷却水的流动形态为湍流，符合实际要求。4.5.3传热系数K4.5.3.1管内冷却水的传热系数查得定性温度14℃下，冷却水的粘度μ=1.1684×10-3Pa·s，ρ=999.2kg/m3，比热容cp=4.1909kJ/kg·K,=0.5868W/m·K。因为流体雷诺数Re>104，0.7<Pr<120，可用下式计算圆形直管内强制湍流时的对流传热系数（冷却剂）：式中：——导热系数，；Cp——水的比热，；n——被加热时，取n=0.4，Pr——普兰特准数；d——管子内径，m。4.5.3.2管外制冷剂冷凝膜系数式中：——冷凝液的导热系数，W/m·K；——冷凝液的密度,kg/m3；——氨蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg；——冷凝液的粘度，Pa·s；——管外径，m；——水平管束上下重叠的管子数；——氨蒸汽饱和温度与冷壁面温度之差，℃。查表可知氨蒸汽饱和温度为20℃，。冷凝液的定性温度。查得定性温度17℃下，氨的ρ＝601.24kg/m-3，r=1162.26kJ/kg,μ=1.4×10-4Pa·s，λ=0.476w/m·K，，取整数为184.5.3.3以管内表面积为基准的Ki冷凝器以管内表面积为基准的总传热系数Ki可用下式计算：=式中：——管外制冷剂冷凝膜系数，W/（m2·K）；——管内冷却水的传热膜系数，W/（m2·K）；——基管外表面积，m2；——基管内表面积，m2；——基管平均面积，m2；——管壁厚度，m；——管壁热导系数，W/（m·K）；查得钢=36～54W/（m·K），取=54W/（m·K）；——制冷剂侧污垢热阻，㎡·K/W；制冷剂为氨，取=0.18×10－3～0.6×10－3；本设计取0.18×10－3；——水侧垢层热阻，m2·K/W；查得澄清的河水的水侧污垢热阻=0.34×10-3m2·K/W其中，===920W/（m2·K）4.5.4传热面积计算及安全系数计算冷凝传热的平均温差：理论传热面积：实际传热面积：安全系数该安全系数属于5-15%范围，符合要求。4.5.5冷凝器的阻力冷凝器的阻力计算只需要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。冷却水的阻力可按下式计算：式中：λ——管道的摩擦阻力系数；湍流状态下，钢管λ=0.22；铜管λ=0.184Re-0.2Z——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——冷却水在管内的流速，m/s；g——重力加速度，m/s2； Σε——局部阻力系数，可近似取为：Σε=4Z其中，λ==0.22Re-0.2=0.22×21550-0.2=0.03，L=6m，d=0.021m，u=1.2m/s，Z=8，Σε=4Z=48=32本设计采取的是钢管，因此,则冷却水的阻力为：4.4.6回热的判断及热量衡算图2蒸气压缩制冷循环的压—焓图本设计确定：1）蒸发温度t0为：-12℃2）冷凝温度tk为：20℃3）冷却水出口温度t2为：18℃4）过冷温度tu为：16℃根据《食品工程原理》P91的氨的压焓图查得（kJ/kg）：h1=1440kJ/kg，h2=1625kJ/kg，h3=h4=260kJ/kg，h3’=h4’=280kJ/kg单位制冷量：压缩功：制冷系数：单位循环量：制冷剂的放热量：冷凝器的热负荷：由此可见，本设计热量基本平衡，符合实际要求。

5设计结果概要表项目指标设计结果冷凝器冷凝器类型卧式壳管式冷凝器冷凝器台数1台壳体内径1100mm壳体厚度15mm内表面传热系数920W/m2﹒k实际传热面积335.5m2理论传热面积319m2传热面积安全系数5%换热管冷凝换热管材料无缝钢管换热管规格φ25×2mm总管数848根每程管数106根管程数8管长6m管子排列方式同心圆偏心角7°长径比5.45管心距32mm制冷剂R717（氨）蒸发温度-12℃冷凝温度18℃过热温度-8℃过冷温度16℃制冷剂冷负荷1300kW高温库工作温度0-4℃进口温度10℃出口温度18℃传热平均温差5℃热负荷1469kW流速1.2m/sRe21550冷却剂冷却水用量157919.3kg/h冷却水阻力7.38m水柱安全系数5%6设计评价及问题讨论6.1设计评价(1)此次管壳式冷凝器的设计在上学期原有的食品工程原理的理论基础以及老师的耐心指导下开展，刚开始时让人摸不着头脑，一是不熟悉设计方面的内容、二是食品工程原理离我们已有一段时间了，所谓新旧知识的冲突，肯定旧知识容易被人遗忘，但是在认真研究设计指导书以及跟同学之间讨论后摸索到出路，发现做此设计的意义之所在：让我们对工程原理的理论只是有了更深入更广阔地了解与学会如何运用学到的相关知识，如不仅仅只会纸上谈兵，不能学以致用。(2)通过本次设计，我们对工程计算更敏感，知道很多有关冷凝器、管子方面的计算，清楚了解到选择什么冷凝器、什么管子、什么排列方式都不能单从一方面决定，要综合流体物理性质、流速、安全系数等等的方面；还学到了许多设计相关的内容，这些对我们来说既吸引又陌生，是很好的挑战。(3)在设计过后，我们还通过了许多雷诺数的计算、长径比、安全系数等方面的核算来确认方案的可实行性，保证冷凝器的可行性与安全性。培养了我们更加严谨的科学态度。6.2设计问题及讨论6.2.1设计问题(1)首先，我认为最大的问题是指导书上的内容不够齐全且说得不太明白，不易懂。我认为指导书的作用主要是指导我们了解这个设计的方案如何进行，但是指导书做不到这一点，指导书说到的点比较浅，对于一些我们学习过的内容，我们尚能理解，但是对于一些新的内容，希望能够说得更明白些，或者在讲解课上更清晰明了地解释，例如管束的分程、管子在管板上的排列方式、管心距等内容都是我们没有接触的的内容，而且指导书上内容比较少且比较乱，学生抓不住重要也抓不住根本，无从下手。其次在完成冷凝器的设计之后，核算的部分指导书上没有说明，这也让我们不知所措，方式我们都懂，