食品工程原理课程设计

17/20食品工程原理课程设计1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号或者4号图纸）。TOC\o"1-3"\h\u1前言 12制冷器工作原理概要 13设计方案确定与论证 23.1制冷剂的选择 23.2冷凝器型式的选择 43.3流动空间的选择 43.4流速的确定 53.5流体进出口温度的确定 63.6制冷剂的蒸发温度，冷凝温度和过冷温度的确定 63.7冷凝器传热系数设定 63.8管径的选择 74设计计算及说明 74.1热负荷QL的计算 74.2计算两流体的对数平均温差 74.3换热面积F的初步估算 74.4冷凝器冷却水用量 74.5管数、管程数和管束的分程、管子的排列 84.6管心距a、偏转角α 94.7换热器壳体相关工艺参数的初步确定 94.7.1壳体内径的计算 94.7.2壳体厚度S 105核算部分 115.1管道内流体实际流速 115.2雷诺数数计算及流型判断 115.3传热系数的核算 115.3.1管内冷却水的传热膜系数 115.3.2管外制冷剂冷凝膜系数 115.3.3以管外表面积为基准的传热系数Ko 125.4冷凝器阻力计算 135.5长径比 135.6冷凝器传热面积安全系数 135.7回热计算 136设计结果概要表 157对设计的评价及问题讨论 157.1设计的评价 157.2问题讨论 167.2.1数据来源的准确性 167.2.2冷凝器的经济性 167.2.3公式的不完善 167.2.4介质的理想化 167.2.5关于设计的优化 16参考文献 17设备主要结构图（见附图） 17致谢 171前言随着国家经济的不断快速增长，对能源的需求越来越大，环保要求也越来越严格，社会高速发展与能源紧张之间的矛盾日益严峻。冷凝器作为冷却系统的主设备，能够以较低的温差获得较高的传热系数，因而被广泛地应用在石油、化工、制冷、发电、动力、航空航天和微电子等领域中。如加热蒸汽的冷凝，冷冻过程中冷冻剂蒸汽的冷凝，蒸馏塔顶蒸汽的冷凝等。在所有种类冷凝器中，管壳式冷凝器是应用最广泛的一种冷凝设备。尽管它在结构紧凑性、传热强度和单位金属耗量方面不尽如人意，但由于其制造容易，生产成本低，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压，因而在化工、石油、能源等行业的应用仍处于主导地位[1]。在换热器向高温、高压、大型化发展的今天，随着新型高效换热管的不断出现，管壳式冷凝器的应用范围将越来越广。能够设计出高效、稳定、紧凑的换热设备对满足现代化生产需求有重要的现实意义。生产中,管壳式冷凝器作为冷却系统里的核心设备，成本占到整个设备的35%以上ADDINNE.Ref.{25C0220F-A67B-4C6C-BD35-4A880FB0268D}[2]；准确计算、良好冷凝器的设备结构形式和工艺设计控制方法的选择，不仅使化工过程能稳定进行,而且节约投资，降低能耗，增加效益。2制冷器工作原理概要压缩式制冷机制冷的基本原理如图1所示：图1制冷工艺原理流程图流程说明：本制冷循环选用卧式管壳式冷却器，制冷剂为氨，采用会热循环，有四个阶段，分为压缩、冷凝、膨胀、蒸发。由图中的箭头可以看出装置的流程。低压低温的蒸汽由蒸发器产生，之后被压缩机吸入气缸中，经压缩后温度升高；变成高温高压的氨蒸汽进入冷凝器中，被冷却水冷却，并放出热量液化成液态氨，保存在储氨器中；使用时打开节流阀，高压液体通过节流阀时，因节流而降压，同时氨液体因沸腾蒸发吸热，而使本身的温度也相应下降。把这种低压低温的氨液体引入蒸发器，氨蒸汽吸收热量，被压缩机吸入。从而进行一次循环。3设计方案确定与论证3.1制冷剂的选择氨是一种无机化合物，分子式为NH3，是一种无色气体，有强烈的刺激气味。极易溶于水，常温常压下1体积水可溶解700倍体积氨。可以通过人、家畜和植物等生物体自然产生,也可以通过工业合成制造。其优点如下：价格低廉 氨的每千克价格为日22的1/6。而且在制冷系统中制冷剂的需求量取决于它的体积,在体积相等的条件下,氨的充注成本是R22的1/11[3]。表1一些常用制冷剂特性的比较[3]能效比高 从表1中可看出,在相同的蒸发温度和冷凝温度下,氨具有最高的能效比。[3]传热效率高 无论是液态还是气态,氨的比热大约比日22高4倍,蒸发的潜热大约比日22高583倍。氨蒸发和冷凝的热传递效率比R22高1.6一4倍。事实上,这意味着氨制冷剂蒸发器和冷凝器比R22机器的部件小,或者说,在相同的热传递条件下,氨的蒸发温度更高,冷凝温度更低。[3]临界温度高 氨的临界温度为132.4℃,R12的临界温度为11204℃,R22的临界温度为96℃,R502的临界温度为901℃。当临界温度与冷凝温度的差值越小的时候,冷却能力和EER值将越小。对于高温热泵的应用,较高的临界温度更有利。[3]易溶于水 氨易溶于水,氟里昂制冷剂难溶于水,溶解于制冷剂中的水,在低温时析出后结冰,堵塞节流阀通道。氨系统中如溶有300ppm以下的水时仍可以正常运行,氟里昂制冷系统必须避免有水分存在。[3]不易溶于润滑油氨不溶于常用的润滑油中,润滑油易于从制冷剂中分离及流回压缩机。[3]易于检查泄漏空气中如果存在5ppm的氨,就能闻到,因此氨系统的泄漏容易被迅速察觉和维修。[3]对大气层臭氧的危害 从表1的数据中我们可以看到,氨的ODP和GWP值均为零,在大气中存留时间很短。这也许是近年来业内人士重新对氨产生兴趣的重要原因。[3]相同管径下制冷能力大 在O.1013MPa时,氨的汽化热为1368.2kJ/kg,比R22高5.83倍,密度也低。对相同的管道直径,氨可以提供更高的制冷能力。例如:系统中30米长ON15O的吸入管,在压力损失相同的条件一下,用R502制冷剂,可供冷485kw;用R22制冷剂,可供冷587kw;用氨制冷剂,可供冷1583kw。[3]3.2冷凝器型式的选择在制冷循环换热器选型中，往往是已知高温流体与低温流体的两侧进出口温度，在做工艺设计选型时，主要考虑的是有尽可能小的换热面积下，有尽可能大的换热速率，以及较低的设备造价及施工费。列管式换热器已进入一个新的研究时期,无论是换热器传热管件,还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变,其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。卧式壳管式冷凝器，其优点为结构紧凑；传热效果好；操作管理比较方便；冷却水进出口温差大，耗水量小，可以节省冷却水的用量。所设计的卧式管壳式冷凝器彩管内多程式结构，可以提高单位体积所具有的传热面积，可以提高冷却水的流速，加大传热膜系数，但是其日常清洗不方便方便。所以只要注意日常的维护便可选择卧室管壳式冷凝器为本实验的冷凝器。3.3流动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：①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。②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。③有腐蚀性的液体应该流管内。④压力高的流体应该流管内。⑤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。⑥被冷却物料一般走壳程，便于散热，可减少冷却剂用量。在本设计中，采用的冷却剂为河水，可以节省成本。但是河水比较脏和硬度比较高，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。[4]采用的制冷剂为氨，但是氨有毒性，对人体有害[3]。对于有毒的流体宜走壳程，可以减少泄漏的机会。此外，被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。[5]所以，制冷剂氨走壳程。3.4流速的确定流体流速的选择增加流体的流速，不仅增大了给热系数，同时也减少了污垢在管壁上沉积的可能，即降低了污垢热阻，使传热系数增大，从而减小了传热面积，降低了设备的投资费用。但流速增大后，又使流动阻力增加，动力消耗增加，操作费用增大。所以流体在换热器中的适宜流速，应经过经济核算才能确定。[6]表2列管换热器内常用的流速范围[6]表3不同粘度液体的流速在列管换热器中的最大流速[6]河水的主要成分是水，黏度不会太高，考虑到河水可能比较脏，其中溶解的矿物质含量应该比较高，所以认为河水是易结垢液体，根据表2，河水流经管程选择的流速在1.0m/s到3m/s之间，而且一般都尽可能使得流动的Re>104，暂定选择流速为1.2m/s，以一个比较大的流速来减少河水在管道流动过程中结垢的可能性，以适应卧式管壳式冷凝器难以清洗的缺点。3.5流体进出口温度的确定本设计采用的冷却剂河水，按照任务书河水的进口温度为6~10℃。对于除立式外的其它型式的冷凝器，冷却水进出口温差为4~10℃。因此设定进口温度t1=10℃，出口温度为t2=15℃。3.6制冷剂的蒸发温度，冷凝温度和过冷温度的确定（1）蒸发温度：本方案蒸发器中以空气作载冷剂，应比库内空气温度低8～12℃，而一般冷库空气温度为0～4℃，故氨的蒸发温度设为－10℃。（2）冷凝温度：对于卧式管壳式冷凝器，用水作冷却剂时，氨的冷凝温度一般比冷却剂的进口温度高7～14℃，则氨的冷凝温度设为18℃。（3）过冷温度tu：，用水作冷却剂，过冷温度比进冷凝器的水温高3℃，比冷凝温度低3～5℃。所以本设计中，采取过冷温度tu＝15℃。（3）过热温度tp：根据过热温度tp比蒸发温度t0高3~5℃，本设计取节流阀前过热温度tp=-5℃。3.7冷凝器传热系数设定根据设计材料，卧式管壳式冷凝器（氨）的总传热系数在700w/（m²·K）到900w/（m²·K）之间，由于氨侧污垢热阻可以不作考虑，传热系数折中计算，故暂设定为850w/（m²·K）进行计算。3.8管径的选择查书本后附录得热交换器用普通无缝钢管有以下几种规格：φ19mm×2mm、φ25mm×2mm、φ25mm×2.5mm、φ38mm×2.5mm、φ57mm×2.5mm、φ57mm×3.5mm、φ51mm×3.5mm，考虑到大管径可以防止结垢阻塞管道，也考虑到上述选了比较大的流速，故对应的，选择一个比较适中的管径来平衡河水流动容易结垢对管道带来的影响，并尽可能减少流动产生的阻力，又考虑到管壁太厚可能影响传热效果，故暂时选择φ25mm×2mm的管径。4设计计算及说明4.1热负荷QL的计算式中:QL冷凝器的热负荷，kwQ0制冷量kw；此处1200kwφ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3查得φ=1.12。4.2计算两流体的对数平均温差平均温差的计算4.3换热面积F的初步估算式中：F冷凝器得传热面积，；

QL冷凝器得热负荷，342000w（每台换热器功率）；K传热系数，800w/m2·℃；

∆t传热平均温差，5.1℃；4.4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：kg/s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；t1、t2――冷却水进、出冷凝器的温度，K或℃。∴根据冷却剂进出口温度，有平均温度℃，查李云飞主编的《食品工程原理》（第二版）P373附录一表3可得，ρ=998.2kg/m3。此时，体积流量：4.5管数、管程数和管束的分程、管子的排列4.5.1管数n单程管子总数有：式中：V——管内流体（即冷却水）的体积流量，m2/sd——管子内径，mu——流体流速，m/s4.5.2管程数L通过换热面积来确定管道的长度：据设计材料，单程设计太长，选择分程，设定每程管长为6m，则管程数：管程数式中：l--选定的每程管长，考虑到管材的合理利用，按管材一般出厂规格为6m，则l可取1、1.5、2、3、6m等，这里取l＝6m。程采用多管程后，冷凝器总管数NT为NT=n·m=157×6=9424.5.3管子在管板上的排列方式常用换热器列管排布有正三角形、正方形、同心圆型，管子在管板上排列时，应使管子在整个冷凝器截面上均匀而紧凑地分布，而等边三角排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，对流热系数大。本次设计是采用多管程，对于多管程换热器，常使用组合排列方式，每程内都采用正三角形排列，而且各程之间为了便于安装隔板，从而决定采用正三角形排列方式。4.6管心距a、偏转角α管极上两根管子中心距a称为管心距。管心距在大小要考虑管板强度和清洗管子外表面时所需空隙，它与管子在管板上固定的方法有关，当采用焊接法固定时，若相邻两根管子的焊缝太近，就会受到热的影响，而本冷凝器是壳程为蒸汽冷凝的卧式冷凝器，且管子按等边三角形排列，为了减少薄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，见表4：表4轴线偏转角[4]管子外径do（mm）19253857管心距a(mm)25324870偏转角α（度）8776所以，管心距a=32mm，偏转角α=7°4.7换热器壳体相关工艺参数的初步确定4.7.1壳体内径的计算壳体内径a——管心距，32mmb——最外层的六角形对角线上的管数，35根[4]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=1d0=38mm因此得到1138mm的结果，则可取壳体内径为1200mm，由表5可以得到最小壁厚为14mm.表5标准尺寸（mm）[4]壳体内径325400500600700800900100011001200最小壁厚81012144.7.2壳体厚度S当热交换器受内压时，外壳的厚度可用下式计算：S=式中：S——外壳壁厚,cm；P——操作时之内压力，N/cm2（表压）；[]——材料的许用拉力；——焊缝系数；单面焊缝=0.65，双面焊缝=0.85,现取0.65C——腐蚀程度（0.1~0.8cm）；现取0.6cmDi——外壳内径cm；本设计选用20号无缝钢管，查GB150-1998[5]，得在设计温度下，钢管的许用应力为137MPa，即[σ]=

137MPa=13700

N/cm2。查阅压焓图，以Tk=18℃为定性温度，取80N/cm2，则P==80—10.14=68.86N/cm2。安全系数：根据设计材料虑安全系数后，采用壁厚为1.43cm。5核算部分5.1管道内流体实际流速m/s5.2雷诺数数计算及流型判断由上可知，管中液体实际流速u=1.19m/s，根据定性温度查得12.5℃下水的黏度为121.714×10-5Pa·s＞104所以流体流型为湍流，符合要求。5.3传热系数的核算5.3.1管内冷却水的传热膜系数对于低粘度液体在圆形直管里作强制湍流，采用如下关联式：=4315.18515W/（m²·K）式中λ0、cp0、μ0分别为水在12.5℃的热导率、比定压热容和黏度：λ0=0.5838W/(m·K)；cp0=4.1918kJ/（kg·K）；μ0=121.714×10-5Pa·s其中Re=20691.6443＞104，0.7＜Pr==8.7393＜120，管长与管内径之比＞60，符合公式运用条件。5.3.2管外制冷剂冷凝膜系数λ冷凝液导热系数；ρ冷凝液的密度；μ冷凝液的粘度；ΔT饱和温度；Lc冷凝液汽化热；do管子外径,0.025m。=18-=5.5℃=18-5.5/2=15.25℃根据资料，查得15.25℃是氨的物理性质：λ=0.5137w/(m·K)；ρ=617.1258kg/m3；μ=1.4505×10-4Pa·s；Lc=125.3094×103J/kg代入数据可得：5.3.3以管外表面积为基准的传热系数Ko式中：a0——管外制冷剂冷凝膜系数；ai——管内冷却水的传热系数；A0——基管外表面积，m2；A1——基管内表面积，m2；Am——基管平均面积，m2；Ri水侧垢层热阻，0.00018㎡k/wR0外侧垢阻，若制冷剂为氨,可取R0=0.35×10-3~0.6×10-3,取0.5×10-3㎡k/w；δp管壁厚度，0.0143m；λp管壁导热系数,45号钢热导率为50.2w/（m·K）。A0=nπd0l=942×3.14×0.025×6=443.682m2Ai=nπdil=942×3.14×0.021×6=372.69m2Am=nπdml=942×3.14×0.023×6=408.19m2代入数据可得：=500W/(m2·K)5.4冷凝器阻力计算冷凝器的阻力计算只需计算管程冷却水的阻力，壳程为制冷剂的冷凝过程，可不计算流动阻力。冷凝器冷却水的阻力可用以下公式计算：因为Hf<10.33mH2O，所以满足设计要求。式中λ——管道的摩擦阻力系数：在湍流状态下，铜管λ=0.184Re-0.2，钢管λ=0.22Re-0.2，这里取钢管；Zt——冷却水流程数，为6程；L——每根管子的有效长度，m；∑ε——局部阻力系数，可近似取为∑ε=4Zt。5.5长径比冷凝器长径比3＜L/D=6/1.43=4.19＜8，符合要求。5.6冷凝器传热面积安全系数5%<ε<15%，符合要求。5.7回热计算由上述可知，制冷剂氨冷凝温度为18℃，蒸发温度为-10℃。由于采用了回热循环，所以制冷剂在冷凝过后会有一定的过冷，在进入压缩机之前会有一定的过热，过热温度比蒸发温度高3～5℃，过冷温度比冷凝温度低3～5℃。所以，设定过冷温度为15℃，过热温度为-5℃。图2氨-压焓图查氨-压焓图，可知在过冷温度为15℃（冷凝温度为18℃）：h3=h4=275kJ/kg，h3~=h4~=285kJ/kg在过热温度为-5℃（蒸发温度为-10℃），对应h1=1450kJ/kg，h1~=1460，h2=1480kJ/kg,h2~=1490kJ/kg；整个制冷循环简易流程：1－1’—2’－2—2’’—3’—3—4－4’—1。绝热压缩（等熵）过程:1－1’—2’；等压冷却、冷凝及过冷过程：2’－2—2’’—3’—3，其中2’－2—2’’为冷却（等压）过程，2’’—3’为冷凝（等压等温）过程，3’—3为过冷（等压）过程；等焓膨胀过程：3—4；蒸发（等压等温）过程：4—1。理想过程：回热状态： 利用回热循环制冷系数较高，因此本设计使用回热循环有利于提高制冷循环效率。6设计结果概要表类型项目结果制冷剂蒸发温度－100C冷凝温度180C热负荷1344KW冷却剂进口温度100C出口温度150C流速1.2m/s冷却水用量64.22kg/s冷却水阻力4.43mH2O冷凝器冷凝器类型卧式壳管式冷凝器冷凝器内径1200mm冷凝器壁厚14.3mm安全系数7.4﹪冷凝器传热面积443.91m2换热管换热管类型Ф25×2mm的光滑无缝钢管总管数942管程数6每程管数157管长6m管子的排列方式正三角排列偏心角7管心距32mm最外层管心距壳体内壁距离32mm7对设计的评价