食品工程原理課程設(shè)計(jì)---管殼式冷凝器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　食品工程原理</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p><b>　　管殼式冷凝器設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　食品工程原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書

2、……………………………2</p><p>　　流程示意圖…………………………………………………3</p><p>　　設(shè)計(jì)方案的確定及說明……………………………………4</p><p>　　設(shè)計(jì)方案的計(jì)算及說明（包括校核）……………………6</p><p>　　離心泵的相關(guān)計(jì)算及選擇……………………………………13</p>&l

3、t;p>　　設(shè)計(jì)結(jié)果主要參數(shù)表 ……………………………………14 </p><p>　　主要符號表 ……………………………………………15</p><p>　　設(shè)計(jì)評價(jià)及問題討論 ……………………………………16</p><p>　　參考文獻(xiàn) ……………………………………………17

4、 </p><p>　　一 食品工程原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　設(shè)計(jì)題目</b></p><p><b>　　管殼式冷凝器設(shè)計(jì)．</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)：</b></p><p>　　將制

5、冷壓縮機(jī)壓縮后的制冷劑（F-22，氨等）過熱蒸汽冷卻，冷凝為過冷液體，送去冷庫蒸發(fā)器使用。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)條件:</b></p><p>　　1.冷庫冷負(fù)荷Q0=學(xué)生學(xué)號最后2位數(shù)*100（kw）；</p><p>　　2.高溫庫，工作溫度0～4℃。采用回?zé)嵫h(huán)；</p><p>　　3.冷凝器用河水為

6、冷卻劑, 每班分別可取進(jìn)口水溫度15℃</p><p>　　4.傳熱面積安全系數(shù)5%～15%。</p><p><b>　　四．設(shè)計(jì)要求：</b></p><p>　　1.對確定的工藝流程進(jìn)行簡要論述；</p><p>　　2.物料衡算，熱量衡算；</p><p>　　3.確定管式冷凝器的主要結(jié)構(gòu)

7、尺寸；</p><p><b>　　4.計(jì)算阻力；</b></p><p>　　5.編寫設(shè)計(jì)說明書（包括：①封面；②目錄；③設(shè)計(jì)題目；④流程示意圖；⑤流程及方案的說明和論證；⑥設(shè)計(jì)計(jì)算及說明（包括校核）；⑦主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；⑧設(shè)計(jì)結(jié)果概要表；⑨對設(shè)計(jì)的評價(jià)及問題討論；⑩參考文獻(xiàn)。）</p><p>　　6.繪制工藝流程圖,管殼式冷凝器的裝配圖A3

8、紙一張。</p><p><b>　　二、流程示意圖</b></p><p><b>　　流程圖說明：</b></p><p>　　本制冷循環(huán)選用臥式管殼式冷凝器，選用氨作制冷劑，采用回?zé)嵫h(huán)，共分為4個(gè)階段，分別是壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)。</p><p>　　1→2由蒸發(fā)器內(nèi)所產(chǎn)生的低壓低溫蒸汽被

9、壓縮機(jī)吸入壓縮機(jī)氣缸，經(jīng)壓縮后溫度升高；</p><p>　　2→3高溫高壓的F—22蒸汽進(jìn)入冷凝器；F—22蒸汽在冷凝器中受冷卻水的冷卻，放出熱量后由氣體變成液態(tài)氨。</p><p>　　4→4’液態(tài)F—22不斷貯存在貯氨器中；</p><p>　　4’→5使用時(shí)F—22液經(jīng)膨脹閥作用后其壓力、溫度降低，并進(jìn)入蒸發(fā)器；5→1低壓的F—22蒸汽在蒸發(fā)器中不斷的吸收周

10、圍的熱量而汽化，然后又被壓縮機(jī)吸入，從而形成一個(gè)循環(huán)。</p><p>　　5’→1是一個(gè)回?zé)嵫h(huán)。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用臥式殼管式冷凝器，其具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好等特點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的臥式管殼式冷凝器采用管內(nèi)多程式結(jié)構(gòu)，冷卻水走管程，F(xiàn)—22蒸汽走殼程。采用多管程排列，加大傳熱膜系數(shù)，增大進(jìn)，出口水的溫差，減少冷卻水的用量。</p><p>　　三、設(shè)計(jì)方案

11、的確定及說明。</p><p>　　1·流體流入空間的選擇</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用河水為冷卻劑，河水比較臟和硬度較高，受熱后容易結(jié)垢。同時(shí)，氨走殼程也便于散熱，從而減少冷卻水的用量。因此，為方便清洗和提高熱交換率，冷卻水應(yīng)走管程，氨制冷劑應(yīng)走殼程。</p><p><b>　　2·流速的選擇</b></p>

12、;<p>　　查得列管換熱器管內(nèi)水的流速，管程為0.5～3m/s，殼程0.2～1.5m/s[2]；根據(jù)本設(shè)計(jì)制冷劑和冷卻劑的性質(zhì)，綜合考慮冷卻效率和操作費(fèi)用，本方案選擇流速為1.5m/s。</p><p>　　3·冷卻劑適宜溫度的確定及制冷劑蒸發(fā)溫度 ，冷凝溫度 ，過熱溫度 和過冷溫度 。</p><p>　　本設(shè)計(jì)冷卻劑的進(jìn)口溫度 為15℃。而一般臥式管殼式冷凝器

13、冷卻劑的進(jìn)出口的溫度之差為4～ 10℃，本方案取為6℃，所以出口溫度 為21℃。</p><p>　　冷庫溫度為0～4 本設(shè)計(jì)取0℃，蒸發(fā)溫度一般比庫內(nèi)空氣低8～12℃本設(shè)計(jì)取 t0=-10℃</p><p>　　可取7～14℃本設(shè)計(jì)取tk=25℃。</p><p>　　過冷溫度比冷凝溫度低3～5℃本設(shè)計(jì)取 tu=20℃</p><p>　　

14、過熱溫度比蒸發(fā)溫度高3～5℃本設(shè)計(jì)取 tp=-5℃</p><p>　　4·冷凝器的造型和計(jì)算</p><p>　　4．1 水冷式冷凝器的類型</p><p>　　本次設(shè)計(jì)是以河水為冷卻劑，本人選擇氨高效臥式冷凝器為設(shè)計(jì)對象。此冷卻系統(tǒng)的原理是將壓縮機(jī)排出的高溫、高壓氨氣等壓冷凝成液體，在冷庫中蒸發(fā)，帶走待冷物料的熱量，起到冷卻物料的效果。</p&g

15、t;<p>　　本方案采用氨為制冷劑，氨化學(xué)式為NH3，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為—33.34 °C，密度比空氣小，極易溶于水，易液化。冷凝器型式的選擇：</p><p>　　本方案采用臥式殼管式冷凝器。臥式管殼式水冷凝器的優(yōu)點(diǎn)是：</p><p>　　1、結(jié)構(gòu)緊湊，體積比立式殼管式的小；</p><p>　　2、傳熱系數(shù)比立式殼管式的大；</p>

16、;<p>　　3、冷卻水進(jìn)、出口溫差大，耗水量少；</p><p>　　4、為增加其傳熱面積，氨所用的管道采用低肋管；</p><p>　　5、室內(nèi)布置，操作較為方便。</p><p>　　4．2 冷凝器的選型計(jì)算</p><p>　　4．2．1冷凝器的熱負(fù)荷</p><p>　　4．2．2冷凝器的傳熱面

17、積計(jì)算</p><p>　　4．2．3冷凝器冷卻水用量</p><p>　　4．2．4冷凝器的阻力計(jì)算</p><p>　　5·管數(shù)、管程數(shù)和管子的排列</p><p><b>　　5．1管數(shù)及管程數(shù)</b></p><p>　　2管子在管板上的排列方式</p><p

18、><b>　　5．3管心距</b></p><p>　　6·殼體直徑及殼體厚度的計(jì)算</p><p>　　6．1殼體直徑，厚度計(jì)算</p><p>　　四、設(shè)計(jì)計(jì)算及說明（包括校核）</p><p><b>　?。ㄒ唬┰O(shè)計(jì)計(jì)算</b></p><p>　　1、

19、冷凝器的熱負(fù)荷：</p><p>　　冷凝器的熱負(fù)荷是制冷劑的過熱蒸汽在冷凝過程中所放出的總熱量，可用制冷劑的 壓－焓圖算出。公式如下：</p><p><b>　　kw</b></p><p>　　式中:———— 冷凝器的熱負(fù)荷，kw；</p><p>　　———— 制冷量，500kw；</p>&l

20、t;p>　　———— 系數(shù)，與蒸發(fā)溫度t k、氣缸冷卻方式及制冷劑種類有關(guān)，由《食品工程原理設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》圖3查出。在蒸發(fā)溫度為-10℃，冷凝溫度為35℃，查得為1.19。</p><p>　　∴ =1.19×500=595 kw</p><p><b>　　2、傳熱平均溫差：</b></p><p><b>　　℃

21、</b></p><p>　　3、冷凝器的傳熱面積計(jì)算：</p><p>　　根據(jù)選用臥式管殼式水冷冷凝器及設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表4各種冷凝器的熱力性能，取傳熱系數(shù)為800 w/（㎡·k） </p><p><b>　　0</b></p><p>　　式中： ———— 傳熱系數(shù)，w/㎡ 、℃；</p&g

22、t;<p>　?。ㄓ伞妒称饭こ淘碓O(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3中可取750） ———— 冷凝器得傳熱面積，㎡； </p><p>　　———— 冷凝器得熱負(fù)荷，w； </p><p>　　———— 傳熱平均溫差，℃</p><p><b>　

23、　℃</b></p><p>　　4、冷凝器冷卻水用量： kg/h</p><p>　　式中：———— 冷凝器的熱負(fù)荷， kw； </p><p>　　———— 冷卻水的定壓比熱，KJ/kg·k；淡水可取4.186； </p><p>　　———— 冷卻水進(jìn)出冷凝器得溫度，K或

24、℃； </p><p>　　———— 冷卻水進(jìn)出冷凝器得溫度，K或℃。</p><p>　　5、冷凝器冷卻水體積流量：</p><p>　　式中：————取995.7；</p><p>　　6、管數(shù)和管程數(shù)和管束的分程、管子的排列的確定：</p><p>　　1) 確定單程管數(shù)n &

25、lt;/p><p>　　由《制冷原理及設(shè)備》一書查得，冷凝器內(nèi)冷卻水在管內(nèi)流速可選取1.5 m/s。設(shè)計(jì)中選用38×2.5mm不銹無縫鋼管作為冷凝器內(nèi)換熱管。 </p><p>　　式中：——— 管內(nèi)流體的體積流量， ㎡/s； ——— 管子內(nèi)直徑， m； ——— 流體流速，m/s。</p><p><b>　　圓整為20&

26、lt;/b></p><p><b>　　取整后的實(shí)際流速</b></p><p>　　2) 管程數(shù)： 管束長度 </p><p>　　式中：——— 傳熱面積，㎡；</p><p>　　——— 按單程計(jì)算的管長，m。</p><p><b>　　管程數(shù) <

27、;/b></p><p>　　式中： 為選定的每程管長，m，考慮到管材的合理利用，取3m。</p><p><b>　　圓整為7</b></p><p>　　所以冷凝器的總管數(shù)為</p><p><b>　　根</b></p><p>　　3）管心距а和偏轉(zhuǎn)角 α<

28、;/p><p>　　查可得管心距а=48mm 偏轉(zhuǎn)角 α=7℃</p><p>　　4）管子在管板上的排列方式</p><p>　　管子在管板上排列時(shí)，應(yīng)使管子在整個(gè)冷凝器截面上均勻而緊湊地分布，還要考慮流體性質(zhì)，設(shè)備結(jié)垢以及制造等方面地問題。</p><p>　　管子的排列和擋板、隔板的安排如花板布置圖所示（如附圖）。</p>

29、<p>　　7.殼體直徑及殼體厚度的計(jì)算</p><p><b>　　1）殼體直徑的計(jì)算</b></p><p>　　殼體的內(nèi)徑應(yīng)稍大于或等于管板的直徑，所以，從管板直徑的計(jì)算可以決定殼體的內(nèi)徑. </p><p>　　D=a (b-1) +2e</p><p>　　式中：D——— 殼體內(nèi)徑， mm；&

30、lt;/p><p>　　a ——— 管心距， mm； </p><p>　　b ——— 最外層的六角形對角線(或同心圓直徑)；</p><p>　　e ——— 六角形最外層管子中心到殼體內(nèi)壁的距離。</p><p>　　一般取e=(1～1.5)d0，這里取1.4。</p><p>　　D=

31、48×（39－1）＋2×1.4×33 =1824＋92.4=1916.4mm 圓整為2000mm</p><p>　　2）殼體厚度(s)的計(jì)算</p><p>　　式中：s ——外殼壁厚，cm；P——操作時(shí)的內(nèi)壓力，N/cm2（表壓），根據(jù)壁溫查得為80.8N/cm2 ；[σ] ——材料的許用應(yīng)力， N/cm2；</p><p>　　

32、查得不銹無縫管YB804-70的許用應(yīng)力是13230 N/cm2；φ——焊縫系數(shù)，單面焊縫為0.65，雙面焊縫為0.85；（取單面焊縫）；C——腐蝕裕度，其值在（0.1～0.8）cm之間，根據(jù)流體的腐蝕性而定；取0.7</p><p>　　D——外殼內(nèi)徑，cm。</p><p>　　適當(dāng)考慮安全系數(shù)及開孔的強(qiáng)度補(bǔ)償措施，決定取s=17mm</p><p><b

33、>　?。ǘ┰O(shè)計(jì)校核</b></p><p>　　1.雷諾數(shù)計(jì)算及流型判斷</p><p><b>　　冷凝器冷卻水用量：</b></p><p><b>　　實(shí)際流速：</b></p><p>　　雷諾數(shù)： > 104 </p><p><b&

34、gt;　　所以流型為湍流。</b></p><p><b>　　2.阻力的計(jì)算</b></p><p>　　冷凝器的阻力計(jì)算只需計(jì)算管層冷卻水的阻力，殼程為制冷劑蒸汽冷凝過程，可不計(jì)算流動阻力。冷卻水的阻力可按下式計(jì)算：</p><p>　　式中：——— 管道摩擦阻力系數(shù)，湍流狀態(tài)下，鋼管λ=0.22Re-0.2；</p>

35、;<p>　　Z——— 冷卻水流程數(shù)；</p><p>　　L——— 每根管子的有效長度，m；</p><p>　　d——— 管子內(nèi)直徑, m；</p><p>　　u——— 冷卻水在管內(nèi)流速，m/s；</p><p>　　g——— 重力加速度，m/s2；</p><p>　　—— 局部阻力系數(shù)，可近似取

36、為Σε=4Z。</p><p><b>　　3.熱量衡算</b></p><p>　　下圖為氨在實(shí)際制冷循環(huán)中的壓焓圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)確定：1）蒸發(fā)溫度to為：—10℃</p><p>　　2）冷凝溫度tk為：25℃</p><p>　　3）冷卻水出口溫度t2為：21℃</p&g

37、t;<p>　　4）過冷溫度tu為：20℃</p><p>　　5）熱量Q0＝500kw</p><p>　　制冷循環(huán)簡易流程為：1—1’—2—2’—3—4—5—6。</p><p>　　其中1—1’—2在壓縮機(jī)中壓縮的等熵過程，2—2’—3在冷凝器冷卻的等壓過程，3—4在冷凝器中冷凝的等壓等溫過程，4—5為過冷過程，5—6為在膨脹閥里作等焓膨脹過程，

38、6—1為在蒸發(fā)器中沸騰蒸發(fā)的吸熱等壓等溫過程。</p><p>　　制冷劑在低溫低壓液體狀態(tài)時(shí)吸熱達(dá)到沸點(diǎn)后蒸發(fā)成為低溫低壓蒸汽，蒸發(fā)成氣體的制冷劑在壓縮機(jī)作用下成為高溫高壓氣體，此高溫高壓氣體冷凝后成為高壓液體，高壓液體經(jīng)過膨脹閥后變成低壓低溫液體，再度吸熱蒸發(fā)構(gòu)成了冷凍機(jī)的制冷循環(huán)。過熱溫度的確定可以由過冷溫度通過熱量衡算得出（蒸汽潛熱）。</p><p>　　根據(jù)F-22壓焓圖查得（

39、kj/kg）：</p><p>　　h1=402 kj/kg，h1’=h1+(h4-h4’)=412 kj/kg，h2=445 kj/kg，</p><p>　　h2’=430 kj/kg，h3=415 kj/kg，h4=245 kj/kg，h5=h4’=235 kj/kg，h6= h1=402kj/kg</p><p>　　單位制冷量：q0=h1－h(huán)5=402－2

40、35=167 kj/kg</p><p>　　制冷循環(huán)量：G＝Q0/q0＝500×3600/167＝10778.4kg/h</p><p>　　單位循環(huán)量：G=Qo/qo=500/167=2.99 kg/s</p><p>　　冷卻放熱量：G×（h2’-h3）=2.99×（430-415）=44.85</p><p&

41、gt;　　冷凝放熱量：G×（h3-h4）=2.99×（415-245）=508.3</p><p>　　過冷放熱量：G×（h4-h4’）=2.99×(245-235)=29.9</p><p>　　過熱吸熱量：G×（h1’-h1）=2.99×(412-402)=29.9</p><p>　　壓縮功：wt=h

42、2’= h1’=430-412=18</p><p>　　理論的制冷系數(shù)：εt=qo/wt=167/18=9.28</p><p>　　由此可見，本設(shè)計(jì)熱量基本平衡，符合實(shí)際要求。</p><p>　　4.傳熱面積安全系數(shù)</p><p>　　式中：——— 實(shí)際布置所得的傳熱面積，m2 ；</p><p>　　———

43、理論傳熱面積，m2 </p><p><b>　　管外總傳熱面積：</b></p><p>　?。絅Tπd0l＝140×3.14×0.038×3＝50.1144</p><p><b>　　管內(nèi)總傳熱面積：</b></p><p>　?。絅Tπdl＝140×3

44、.14×0.033×3＝43.5204</p><p><b>　　實(shí)際總傳熱面積：</b></p><p>　?。剑ǎ?2＝（50.1144＋43.5204）/2=47.3172</p><p><b>　　理論總傳熱面積：</b></p><p><b>　?。?/p>

45、</b></p><p>　　安全系數(shù)ε＝（47.3172－41.9）/＝12.9％</p><p>　　一般要求安全系數(shù)為3％～15％（0.03~0.15），故本設(shè)計(jì)合符要求。</p><p><b>　　5.長徑比L/D</b></p><p>　　式中：L——— 每程管長，m；</p>&

46、lt;p>　　D——— 殼體內(nèi)徑，m。</p><p>　　L/D= 6/1.9164= 3.13</p><p>　　符合3~8 范圍要求</p><p>　　8.離心泵的相關(guān)計(jì)算及選擇</p><p>　?。?）根據(jù)要求離心泵進(jìn)口管長L1＝5M出口管長L2＝15M,(其中局部阻力，底閥1個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)90彎頭3個(gè)，球心閥一個(gè)).</

47、p><p><b>　　（2）壓頭的計(jì)算</b></p><p>　　查表1—3有E＝0.15,E／d=0.15／35=0.0043</p><p>　　有E／d與Re查表1-22得＝0.032</p><p>　　查阻力因素表；3只90彎頭 3×0.75</p><p><b&

48、gt;　　球心閥 70</b></p><p>　　管子出口 1.0</p><p>　　管子進(jìn)口 0.5</p><p>　　H=(L+∑Le) u u／2d+ u u／2g+Hf=0.032(20／0.035+0.5+1.0+70+3×0.75)1.48×1.48÷2+1.48×1.48／2g+1

49、1.47</p><p><b>　　=31.74m</b></p><p>　　(3)有效功率的計(jì)算</p><p>　　Pe=QvHg=137.8×31.74×995.7×9.81</p><p>　　42722204.5W</p><p>　　(4)離心泵型號的

50、選取</p><p>　　取P=45000000W</p><p><b>　　功率校核</b></p><p>　　=Pe/P=42722204.5÷45000000=94.95％</p><p>　　五、設(shè)計(jì)結(jié)果主要參數(shù)表</p><p><b>　　六、主要符號表<

51、/b></p><p><b>　　八、設(shè)計(jì)評論及討論</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)由給定的冷庫冷負(fù)荷，進(jìn)口水溫度，高溫庫工作溫度等已知數(shù)據(jù)來確定出口溫度、傳熱面積、流速、管徑等數(shù)據(jù)來完成設(shè)計(jì)，其中有部分參數(shù)和計(jì)算公式需要查找相關(guān)資料，如化工手冊和實(shí)用冷凍手冊，各種資料中查出的參考計(jì)算公式和數(shù)據(jù)有所不同，導(dǎo)致再整個(gè)設(shè)計(jì)工程中，設(shè)計(jì)思路產(chǎn)生分歧，產(chǎn)生幾種設(shè)計(jì)

52、方案，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)計(jì)算才確定其中一種，由于參考數(shù)據(jù)的來源不同，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果存在誤差。</p><p>　　其次，計(jì)算過程中各個(gè)步驟要經(jīng)過反復(fù)的校核，符合要求才能繼續(xù)，如計(jì)算管程數(shù)時(shí)需校核徑比。計(jì)算結(jié)束后要進(jìn)行校核，要求雷諾數(shù)Re>104，傳熱系數(shù)ε（700—800），安全系數(shù)在5—15％內(nèi)，經(jīng)過校核計(jì)算，都能滿足要求，如果不考慮經(jīng)濟(jì)其他因素，這個(gè)設(shè)計(jì)是成功的。</p><p&g

53、t;　　這次的課程設(shè)計(jì)很好地檢驗(yàn)了本人掌握工程原理知識的程度，暴露出各種不足之處，讓本人可以及時(shí)糾正存在的不足和錯(cuò)誤，加深我對這門課程的了解，如使我更全面的了解到冷凝器的結(jié)構(gòu)和要求，進(jìn)一步了解冷凝器的各種知識等，學(xué)到了很多書本上沒有的東西。我深刻體會到只有課內(nèi)課外相結(jié)合，最后的設(shè)計(jì)結(jié)果才能比較符合實(shí)際，</p><p>　　在本方案設(shè)計(jì)過程中，由于受到各種條件的限制，不能更好的解決設(shè)計(jì)中遇到的問題，所以造成很多不

54、合理或設(shè)計(jì)不夠理想的地方，請老師多多包涵，指出其錯(cuò)漏之處！</p><p><b>　　九、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 李雁,宋賢良.《食品工程原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)印刷廠印刷,2006</p><p>　　[2] 李云飛,葛克山. 《食品工程原理》. 中國輕工業(yè)出版社. 2002</p><p