华南农业大学食品学院食品工程原理课程设计

16/16食品工程原理课程设计管壳式冷凝器设计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）。目录前言 4工艺说明及流程示意图 4方案论证与确定 5设计计算及说明§1冷凝器的选型计算 7§2校验计算 9§3其他计算 11设计数据结果概要表 13设计评价及问题讨论 13参考文献目录 15附录 151前言1.1设计意义随着全球对能源需求的不断增长,各种不可再生资源愈发紧缺。因此，高效合理地利用和配置资源显得十分重要。管壳式冷凝器在大化工生产中应用极为广泛，同时作为冷却系统里的核心设备,成本占到了整个设备的35%以上。因此，完备的设备结构形式以及恰当的工艺设计方法是化工过程稳定运行的保证。准确计算和设计壳管式冷凝器也是降低成本、增加效益的基础。此次课程设计对于食品工程原理课程内容进行了一个总结，同时可以锻炼我们各方面的能力：（1）查阅资料，选用公式和搜集数据的能力；（2）树立既考虑技术上的先进性和可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，提高分析和解决实际问题的能力；（3）迅速，准确地进行工程计算能力；（4）用简洁的文字，清晰的图表来表达自己的设计思想的能力。1.2设计依据 冷凝器是通过冷热交换将气体冷却冷凝的设备。热量的传递是以温差为推动力，温度高的气体将热量经过冷凝器管壁传给温度低的移热介质，达到冷凝的目的。管壳式冷凝器水冷不论在技术上还是在能耗和操作费用上均占绝对优势，也说明了水冷技术在国内外长期使用过程中的技术成熟性[1]。1.3设计内容 确定设计方案；工艺设计；结构设计；绘制工艺流程图和主体设备结构图；设计内容概要表2.工艺说明及流程示意图2.1制冷系统的工艺流程图1制冷系统工艺流程图2.2制冷过程的压焓图图2压焓图压缩机将NH3制冷剂在其中进行压缩（1→2等熵过程），高压气体进入水冷式冷凝器，被冷凝为液体（2→3等压冷却过程，3→4等压等温冷凝过程），液体冷凝剂由冷凝器进入膨胀阀节流减压（4→5等焓过程）.送入蒸发器，吸热汽化后的低温制冷剂气体（5→1等压等温过程）经热交换器提高过热度后进入压缩机重新循环。整个循环过程为1—1’—2’—2—3—4—4’—5’—5—1.其中1—1’为过热过程,1’—2’为等熵压缩过程,2’—3为冷却过程,3—4为冷凝过程，4—4’为过冷过程,4’—5为等焓膨胀过程,5’—1为等压蒸发过程。制冷中采用回热循环装置,其原因在于:可以防止低压蒸汽夹带液滴进入压缩机，因而可以避免液击。可以提高低压蒸汽的温度，减轻压缩机的吸入蒸汽与气缸间的热交换，便于提高压缩机的输气系数；而对于低温下工作的压缩机（例如：多级制冷压缩机的低压级及重叠式制冷机的低温级），还可以改善压缩机的润滑条件。有时可提高制冷系数。3方案论证和确定冷凝器是制冷系统的四大部件之一，它的作用是把高压制冷剂蒸汽冷凝成液体制冷剂。在冷库的制冷装置中，冷凝器的各种参数的的选定是否合理，直接关系到制冷装置的制冷效果，安全可靠性和能耗水平。设计方案的确定包括冷凝器型式的选择,流体流入冷凝器空间的选择,冷凝剂的选择及其进出口的温度的确定等。3.1冷凝器型式的选择冷凝器的任务是将压缩机排除的高温高压气态制冷剂冷却使之液化，主要在立式壳管式和卧式壳管式中选择。在采用循环用水冷却的制冷装置中，卧式水冷式冷凝器结构紧凑、传热效果好、冷却水进出温差大耗能小，这些都比立式壳管式优胜。唯一的弱点是不易清洗，容易在管内形成水垢而大大降低冷凝效率，而且有漏氨现象时不易发现。克服的办法是保持循环水的清洁，必要时可对水进行软化处理，并且要不厌其烦地经常清洗冷却水管。为节能和节省投资起见，在采用循环用水的水冷式制冷装置中，应提倡多使用卧式冷凝器。卧式管壳式水冷式冷凝器的传热系数大,操作管理方便。目前大、中、小型氨制冷系统及氟利昂制冷系统多采用这种冷凝器。本设计的冷库冷负荷为1400kw，为大中型冷库，所以选用这种冷凝设备。3.2制冷剂的选择对制冷剂的要求有以下几方面的要求：①热力学上，在大气压力下，制冷剂的沸腾温度要低；在蒸发器内的压力应等于或大于大气压力；热导率和传热系数高；蒸汽的比容要小，蒸发潜热大，凝固点愈低而临界温度愈高愈好。②物理化学上，制冷剂能溶于油的优点是为压缩机的润滑创造有利条件，此外在蒸发器和冷凝器的外表面，不可能形成阻碍热传导的油层，缺点是从压缩机带出的油量多，且使得蒸发温度升高；制冷剂微溶于油的优点是，从压缩机气缸带出的油量少，且蒸发器中蒸发温度稳定，缺点是清除蒸发器和冷凝器内的润滑油较为困难，因而降低设备的传热系数；制冷剂能与压缩机中水互溶，可以避免制冷系统中形成冰塞；制冷剂对金属不应有腐蚀作用，不燃烧、不爆炸，在高温下稳定不分解，与润滑油不起化学作用；制冷剂渗透性能较弱，如果发生渗漏，要能迅速地确定渗漏处。③生理学上，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。④经济上，制冷剂应价格便宜，便于获得。制冷剂的品种很多，目前已达七、八十种。目前常采用的制冷剂有氨、二氧化硫、二氧化碳、氟利昂—11、氟利昂—12、氟利昂—22、丙烷及丙烯等。当前食品冷藏库制冷系统中大都采用氨或氟利昂作为制冷剂。氟利昂无色，无味，一般对人体无害，对金属腐蚀小，但氟利昂和水作用，对金属有腐蚀作用；比重大，流动阻力大，因而需要较大的流通截面；放热系数低，因此系统的换热设备要求导热性好（换热管多为铜管），换热面积大；单位容积制冷量小，制冷剂的循环量大，因而造成较大的动力消耗；易于泄漏，而且不易发现，对设备的密封有较高的要求，同时检漏较麻烦；价格昂贵，成本高。氨蒸汽无色，有刺激性气味，因而氨的泄漏易于发觉。氨对钢铁不腐蚀，但当系统中含有水分时将对铜及铜合金（磷青铜除外）造成腐蚀，固氨制冷系统一般不采用铜及铜合金，只有易于润滑的活塞，密封环等才允许采用高锡磷青铜。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。氨易溶于水，系统不易发生“冰塞”现象。氨的放热系数高，故氨系统的换热设备可以较氟利昂系统的简单。氨的单位容积制冷能力大、比较容易取得、价格也比较便宜。蒸发压力和冷凝压力适中，常压下其蒸发温度-33.4℃，冷凝压力一般不超过16kgf/cm2[1]，所以在本设计中制冷剂选择氨（NH3）。3.3流体流入空间的选择流体流入空间的确定一般可以从以下几个方面考虑：不洁净或结垢的物料应当流经易清洗的一侧；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；有腐蚀性的流体应流管内；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；被冷却物料一般走壳程，便于散热，减少冷凝剂用量。被设计，冷却水为江河水,比较脏或硬度较高,受热容易结垢,流管内便于清洗。而本设计的被冷凝剂为NH3,冷却介质为河水。所以选择河水走管程，NH3走壳程。3.4流速的选择选择正确的流速十分重要,一般尽可能使流体的Re>104.如果增大管内冷却水的流速，传热膜系数增大，对增强传热效果是有利的，同时也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；但是实际上，钢管内冷却水的流速过大，会导致管壁腐蚀增加，流动阻力增大，从而使功率消耗迅速增大，故对于钢管，一般流速可取0.8—1.2m/s左右为宜。根据设计指导书表一以及其他参考书的数据,选择流速为1.4m/s。3.5冷却剂的进出口温度的确定本方案冷却剂的进口温度t1为6~10℃，取为t1=10℃。而一般卧式管壳式冷凝器冷却剂的进出口的温度之差为4～6℃，按照设计指导书，冷却水的出口温度的选择至关重要，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。因此，综合考虑冷却水的费用和设备投资费，我们选定冷却水的出口温度本方案取为比进口水温度多4℃，所以出口温度t2=t1+4℃=14℃。3.6制冷剂蒸发温度T0、冷凝温度Tk、过冷温度Tu、过热温度Tn的确定本方案蒸发器中以盐水作载冷剂，T0应比库内空气温度低4～6℃，而一般冷库空气温度为0～4℃，故设氨的蒸发温度T0设为0℃。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出口温度高4～5℃，则氨的冷凝温度Tk＝t2＋4℃＝18℃;过冷温度一般比水的进口温度高3℃，故Tu=t1+3=13℃；过热温度一般比蒸发温度高3--4℃，故Tn=T0+3℃=3℃。3.7管体材料及管型的选定虽然铜管比钢管有较大的热导率，但铜管的价格也比钢管高许多，选用钢管将会使设备的初投资较低。而NH3有较大的放热系数，即使用钢管也不需要很大的传热面积，能达到既定的要求。氨对钢铁不腐蚀，但当系统中含有水分时将对铜及铜合金（磷青铜除外）造成腐蚀，故氨制冷系统一般不采用铜及铜合金，只有易于润滑的活塞，密封环等才允许采用高锡磷青铜。冷凝器设计常用的换热管管径为19mm、25mm和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,不要取得太大。换热管管径太大,管内流体的实际流速变小,污垢更易沉积、使给热系数降低;管径太大,即使在同样的流速下雷诺数变小,湍流程度降低,给热系数也要变小,对换热都是不利的。[2]经综合考虑，本设计中选取φ38×2.5mm的无缝光滑钢管。4.设计计算与说明4.1冷凝器的选型计算冷凝器的选型计算主要是确定冷凝器的传热面积,计算冷凝水用量及其流过冷凝器的组阻力损失,以选定适用型号的冷凝器。冷凝器的设计计算还需要进行冷凝器的结构规划,即通过计算确定冷凝器的直径、冷凝管长、管数及其排列方式等。4.1.1冷凝器的热负荷由蒸发温度t0=0℃、冷凝温度tk=18℃，从设计指导书图3(b)查得=1.071，又根据要求Q0=1500kW，则热负荷QL=ΦQ0=1.071×1500=1606kw因为热负荷适中,操作负荷略大,管型直径要求也要适中,所以选3台冷凝器并联,以求获得较大功率，最大程度降低机器成本。因此,QL=QL总/N=1606/3=535kw=535000w4.1.2冷凝器的传热面积F根据设计指导书表4，因本设计的冷凝器型式为卧式管壳式（氨），范围为700~900[W/(㎡·K)],因此设定传热系数K=900W/m2·K，且则传热面积4.1.3冷凝器冷却水用量M因为河水淡水为冷却水,所以Cp=4.188kJ/(kg·K)[3]冷却水用量M=4.1.4单程管数选取规格为Φ38×2.5mm的光滑无缝钢管，则d0=38mm，di=2.5mm，δp=33mm取冷凝管为6m长.∵，式中：V——管内流体（即冷却水）的体积流量，m3/s；d——管子内径，m；u——流体流速，m/s。其中,且取值u=1.4m/s∴故取整为27根。4.1.5管程数式中：L——按单程计算的管长，m——选定的每程管长，m一般管材出厂规格为6m长,所以取∴又∵管程数为偶数较为方便,则取管程数为6程。4.1.6总管数Nr（多管程）（根）4.1.7管子在管板上的排列方式、管心距a及偏转角aa.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。管心距根据设计指导书表8中管子外径为38mm时,管心距a≥1.25d0=48mm,c.偏转角偏转角查表可知:a=7°4.1.8壳体直径D∵式中：a——管心距，mm；b——最外层的六角形对角线上的管数，查设计指导书表6，总管数为162根时,得b=15；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×d0=38mm。∴调至最近,故为800mm,并得厚度最小为12mm4.1.9壳体厚度SS=式中：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=0.85C——腐蚀程度（0.1~0.8cm）；根据流体的腐蚀性而定；D——外壳内径，cm。其中，查压焓图,冷凝温度为291K时,得P绝=8.2×105Pa=82.02N/cm2，∴P=P绝—P大=82.02—10.13=71.89N/cm2根据相关资料,选取钢[σ]为9810N/cm2[4]取单面焊缝为0.65，C取0.7cm，则∴4.2校验计算4.2.1雷诺数Re本方案定性温度为12℃,查水物理参数:=999.5kg/m3,=130×10-5Pa·s,Cp=4.188kJ/kg·K,=0.5741W/m·K.速度Re=＞10000流体的流动为湍流状态，符合设计要求。4.2.2传热系数以内表面积为基准，按下式求取：=1．Ao、Am、Ai的计算2．、的计算（1）求∵Nu＝∴a＝（2）求∵温差℃∴定性温度℃温度为15℃时NH3的物性参数为[5]：＝617.5kg/m3＝1187.8KJ／kg＝1.454×10－4Pa·S＝0.4902W/(m·K)a0＝0.725（）0.25＝0.725（）0.25＝4999.983.、的计算查设计指导书表5得，4．、的求出查得管壁导热系数，同时由前知管壁厚度==4.2.3安全系数的计算（以内表面积为基准）1．理论传热面积：2．实际传热面积：3.安全系数符合5%--15%的设计要求。4.2.4长径比的验算,符合3～8的要求。4.3其它计算4.3.1热量衡算冷凝水进口温度为10℃，出口温度为14℃，冷凝温度为18℃，蒸发温度为0℃，过热温度3℃。根据氨的过冷温度一般比进口温度高3～5℃，可以确定氨的过冷温度为13℃。由制冷剂的参数查NH3的压焓图查得:℃，℃，℃。查氨的压焓图[6]得：根据过热段的焓差与过冷段的焓差相同可以查得：单位制冷量单位时间制冷剂循环量：制冷剂放热量：制冷剂吸热量：放热量=吸热量,故热量平衡。4.3.2制冷系数的比较不采用回热循环时：采用回热循环时：通过以上的比较，可以看出采用回热循环得到的制冷系数相对大，单位制冷量也大一些，而循环制冷量相对就小一点。综合考虑，回热循环对氨的制冷有帮助。采用回热循环，也有着其它一些优点。如使膨胀阀前液体适当过冷，可减少节流闪发气体，对保证供流分配均匀有良好的作用。且低压蒸气经过回热，避免NH3液滴进入压缩机而发生液击，损坏压缩机[7]。所以回热装置从对制冷系统的保护作用上来说应采用。4.3.3阻力计算式中：——管道的磨擦阻力系数；——冷却水流程数；——每根管子的有效长度，m；——管子内直径，m；——冷却水在管内的流速，m/s；——重力加速度，m/s2；——局部阻力系数，可近似取为：。其中，在湍流状态下，钢管∴水柱5设计结果概要表表1设计结果概要表型式规格:卧式水冷管壳式冷凝器冷却水（河水）用量(kg/s)31.93冷凝管及核算指标材料光滑无缝钢管流速(m/s)1.4管径(mm)38×2.5进口温度(℃)10管长(m)6出口温度(℃)14管心距(mm)48制冷剂（氨）蒸发温度(℃)0管排列方式正三角形冷凝温度(℃)18轴线偏转角度(度)7过冷温度（℃）13长径比7.5雷诺数37804过热温度（℃）3实际传热系数(m2)143.18理论传热系数(m2)132.36循环量(kg/s)0.08面积安全系数7.55%壳体内径(mm)800传热面积(m2)103.02壁厚(mm)11.535传热系数(W/m2K)700.51冷却水阻力4.67mH2O冷库冷负荷(KW)1606冷凝器热负荷(KW)5356设计评价及问题讨论虽然此次管壳式冷凝器设计的处理量超过1600kW,需要的制冷能力不算太大，但是要达到很好的制冷效果，也经过多次的内径和管数等的调整都不能实现单壳程的冷凝器,所以需要把多个冷却器并联起来,才能把数据调整到一个合理的范围,这也就一定程度地增加了设计的难度，同时使换热器设计计算更加复杂，这就要考验我们的应变能力和自主学习能力，而我们必须要提高的，是先通过认真查看指导书，明白设计流程，进而查找有关资料文献和综合处理数据的能力以及在图形设计方面的软件知识。列管式冷凝器的结构图及花板布置图用AutoCAD绘制。使冷凝器的设计更加精确和规范化。这要求同学们对AutoCAD有一定的了解。也令同学们从中学会了一种基本制图软件,而且锻炼了同学们的动手能力和创新能力。同时加深了对管壳式冷凝器的理解。很好地检验了本人掌握工程原理知识的程度，暴露出各种不足之处，让我可以及时纠正存在的不足和错误，加深我对这门课程的了解，如使我更全面的了解到冷凝器的结构和要求，进一步了解冷凝器的各种知识等。我深刻体会到只有课内课外相结合，设计才能符合实际，才能真正用于实际生产中。此次列管式换热器的设计，有一定的难度，计算量很大，而且要进行多次的设计方法，因为并不是一次定好条件，就完全符合。特别是在校核中的各项，实际流速、雷诺数、传热面积、安全系数等要经过多次的演算。但是自身在不断地设计和修改之后就发现它其实没有想象中的那么难，就好像一条全面的计算题，而最难的任务就是反过来去设计一个符合处理任务的最佳换热器。这就要求我们对换热器要进行优化设计。即采用优化方法使设计的换热器满足最优的目标函数和约束条件。也就是要使包括设备费用和操作费用在内的总费用最小。由于影响换热过程的因素复杂，且换热器的种类繁多，结构各异，使得冷凝器的优化设计求解过程比较困难。由于时间和对冷凝器广度和深度理解的限制，很难对其进行优化设计。这次设计的主要设计参数都在上表，通过上表可以看出这次冷凝器的设计基本上符合课程设计要求，各项指标均能达到要求。总体来说，这次课程设计还是成功的。但是，具体的问题和不足有以下几项：1．此次设计的难度较大，因为所给条件非常有限，例如指导书上的图形，尤其是制冷系数的图并没有全面，25℃以下的系数无法查阅，这就需要我们去查表了，而实际上是大部分数据要自己查资料和看表，而很多参数很难找到，也很容易混淆，所以中间走了不少弯路。另外，发现不同的参考资料的参数也有一些差别，这使我们很难做出正确的选择。由于参考数据的来源不同，查图表过程中也会出现不可避免的误差，所以导致设计结果会存在一定的误差。2．运算量大，数据关联性很大，过程中如果出现不符合要求的数据就得重新再运算，所以要反复尝试新的设计规格，使雷诺数、传热面积、安全系数等符合设计要求。对于校核中的各项，实际流速、雷诺数、传热面积、安全系数等经过了反复的重新演算，在合理范围之外的时候，就重新在设定的管数等等修改，这也增加了我们完成设计的难度，但是经过多次修正，还是得到了较为合理数据。3．Δt的大小主要由冷却水的进出口温度、冷凝剂的冷凝温度决定。从中可以看出它的取值非常重要，同时还涉及传热系数的数值，因此要择最佳温度以确保合适的平均温差Δt。而且，因为不清楚大概的工艺条件，很难一下子选定一个正确的方案，例如在内径、长度的选取时，没有处理量对应的数据，需要不断的摸索，最后才能符合长径比；本设计由于计算次数有限，未能进行多次的选择，所得数据未必最佳，是一个非常需要耐心和细心的工作。若用计算机编程对有关系数进行筛选，则可以优化所选的数据，且可以节约时间。但本设计由于水平、时间有限，未能进行编程处理，设计存在缺陷。4.经济的因素考虑得不够。冷凝器设计的成败在很大程度上取决于工作者对工程概念的认识和对生产操作工况的熟练程度，这些都要求我们不断积累经验，根据系统的要求采取有针对性的措施，真正达到系统优化和节能的目的。【8】总的来说，本次课程设计是一次理论联系实际的实操。通过本次课程设计，我们的独立工作能力、计算能力、设计动手能力都得到了极大的提高。虽然设计出来的冷凝器在一定程度上不成熟，但设计过程中，对课本的知识掌握得更加清晰、牢固了。在设计的过程中锻炼了我们的统筹、创新、综合运用知识的能力；在反复复杂的演算过程中既锻炼了我们的计算能力，锻炼了耐性。这是一个非常难忘、获益匪浅的一次设计作业。

参考文献[1]李雁，宋贤良.食品工程原理课程设计指导书.华南农业大学印刷厂，20XX，2-14,373.[2]胡骏.管壳式冷凝器工艺设计浅析.硫磷设计与粉体工程，2003，6:25-27[3]周湄生.最新温标纯水密度表.计量技术，2000，03：41.[4]管国锋，赵汝博.化工原理.化学工业出版社，20XX，448