华南农业大学食品学院食品工程原理课程设计.docx

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1、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：L冷库冷负荷QL学生学号最后2位数XlOO （kw）；2 .高温库,工作温度04C,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:2125C （1 班）、61（C （2 班）、1115C（3 班）、1620C （4 班）、15 （5 班）；4 .传热面积安全系数515%；四、设计要求:1.对确定的工艺流程进行简要论述;5 .物料衡算、热量

2、衡算;6 .确定管壳式冷凝器的主要结构尺寸；7 .计算阻力。8 .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；流程及方案的说明和论证；设计计算及说明（包括 校核）；主体设备结构图；设计结果概要表；对设计的评价及 问题讨论；参考文献。）；9 .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）。目录第一节前言4第二节工艺说明及流程示意图4第三节方案论证与确定5第四节设计计算及说明1冷凝器的选型计算72校验计算93其他计算11第五节设计数据结果概要表13第六节设计评价及问题讨论13参考文献目录1515附录1前言1.1 设计意义随着全球对能源需求

3、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；（

4、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1.3 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蒸发器压缩机过滤装置小河水图1制冷系统工艺流程图2.2 制冷过程的压焰图图2压焰

5、图压缩机将NHa制冷剂在其中进行压缩（If 2等埔过程），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（4f5等焰过程）.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11 2，2344, 一5 51.其中1 1为过热过程，1 2,为等端压缩过 程,2 3为冷却过程,34为冷凝过程，44,为过冷过程,4 5为等烙膨胀过程,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：D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。2）可以

6、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。3）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。1.1 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

7、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

8、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：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。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

9、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。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。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、氟利昂一22、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。叙利昂无色，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

10、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叙利昂系统的简单。

11、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33.4C,冷凝压力一般不超过16kgfcm2，所以在本设计中制冷剂选择氨 （NH3）o3.1 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

12、河水。所以 选择河水走管程，NH3走壳程。3.2 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Re10）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0.81.2ms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L 4msO 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t为610C,取为t1=10Co而一般卧式管壳式冷

13、凝器冷 却剂的进出口的温度之差为46C,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4C,所以出口温度t2=t+4C=14C3.6 制冷剂蒸发温度T0、冷凝温度k、过冷温度丁八过热温度Tn的确定本方案蒸发器中以盐水作载冷剂，To应比库内空气温度低46,而一般冷库空气 温度为04C,故设氨的蒸发温度To设为OC。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45,则氨的冷凝温

14、度Tk=t2+4C = 18C;过冷温度一般比水的进口温度高3C,故 Tu = t+3=13C;过热温度一般比蒸发温度高3-4C,故Tn=To+3C =3eC。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

15、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19 mm;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。经综合考虑，本设计中选取638X2. 5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冷凝温度tk=18C,从设计指导书图3(b)查得0=1.071,又根据要求QO= 1500 k肌则热负荷 QRQo=I.071X15001606 kw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，Qi= Ql. N= 1606/3=535 kw=535000w4.1.2 冷凝器的传热面积F且Ar =14-101 18-10