食品工程原理课程设计+管壳式冷凝器设计书.docx

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1、食品工程原理课程设计管壳式冷凝器设计说明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Qo =学生学号最后2位数X100 （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：21 25 （1 班）、6-10 （2 班）、11-15C （3 班）、1620 （4 班）、1 5 （5 班）。4 .传热面积安全系数5T5%。四、设计要求：L对确定的工艺流程进行简要论述；5

2、.物料衡算、热量衡算；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号或者4号图纸）。1前言62流程示意图63流程及方案的说明和论证73.1 冷凝器的选择73.2 制冷剂的选择83.3 冷却剂的选择83.3.1 冷却剂流入空间的选择83.3.2 流速的确定83.3.3 冷却剂适宜进出口温度的确定93.4 制冷剂冷凝温度L

3、、蒸发温度、过冷温度匕的确定93.4.1 冷凝温度的确定93.4.2 过冷温度的确定93.4.3 蒸发温度的确定93.5 管材的选择94设计计算及说明104.1 冷却水的实际流速、雷诺数与冷却水流动阻力104.1.1 冷却水的实际流速104.1.2 冷却水的雷诺数104.1.3 冷却水流动阻力104.2 理论传热面积的计算114.2.1 管内冷却水的传热膜系数”，的计算114.2.2 管外制冷剂的冷凝膜系数o114.2.3 管的面积124.2.4 管的传热系数计算124.3 理论传热面积与传热面积安全系数的计算134.3.1 理论传热面积134.4 长径比L/D的核算134.5 热量恒算134

4、.6 冷凝器的热负荷及初估冷凝器的传热面积144.6.1 冷凝器的热负荷144.6.2 初估冷凝器的传热面积154.7 冷凝器冷却水用量计算164.8 管数、管程数和管子的排列及传热管的布置排列、主体结构的确定164.8.1 管数、管程数和管子的排列164.8.1.1 管数164.8.1.2 管程数164.8.2 传热管的布置排列及主体结构的确定174.8.2.1 管束的分程174.8.2.2 管子在管板上的排列174.8.2.3 管心距的确定174.8.2.4 偏转角的确定184.9 壳体直径和壳体厚度的计算及主体设备主要结构尺寸184.9.1 壳体直径D计算184.9.2 壳体厚度的计算1

5、84.9.3 主体设备主要结构尺寸194.9.3.1 管板厚度194.9.3.2 管板上的管孔直径194.9.3.3 管板上相邻管孔中心距194.9.3.4 隔板厚度194.9.3.5 折流板厚度194.9.3.6 折流板外直径194.9.3.7 折流板孔直径194.938折流板缺口194.9.3.9 流板的间距195设计结果概要表206对设计的评价及问题讨论216.1 对设计的评价216.2 问题讨论216.2.1 水质的影响216.2.2 管径设计问题226.2.3 管排列方式的设计226.2.4 设计者的局限性226.3 总结22参考文献22附录23致谢231前言制冷机是利用液体气化时吸

6、热的原理来工作的，制冷剂在蒸发器中不断吸收欲降温 物体的热量而气化，产生的低压蒸气由压缩机压缩后，在冷凝器中冷凝成为液体，并将 冷凝热传给冷却水，冷凝后的制冷剂降压后送回蒸发器。冷凝器是蒸汽压缩式制冷的四个主要设备之一。它是通过冷热交换将气体冷却冷凝 的设备。热量的传递是以温度差为推动力，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，达到气体冷凝的目的。该份设计书的任务是讲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。其中冷库冷负荷Qo=600kW;高温库工作温度为0 4,并采取回热循环；冷凝器的冷却剂为河水，温度为1115C。2流程

7、示意图冷水以上工艺流程图表明，低温低压的制冷剂蒸汽被压缩机吸入等燧压缩后成为高温高 压气体，此高温高压气体经冷凝器等压冷凝成为高压液体，然后高压液体进入气液热交 换器（又称回热器），与来自蒸发器的低温低压制冷剂蒸汽进行热交换，使高压液体过冷， 过冷后的高压液体经节流阀后变成低温低压液体，然后进入蒸发器，在蒸发器内低温低 压液体从冷库（冷库以空气作为载冷剂）吸收蒸发所需的热量，使其蒸发为低温低压蒸 汽，此低温低压蒸汽进入气液交换器与来自冷凝器的高压液体进行热交换，使蒸汽过热 后再度进入压缩机构成制冷循环，从而使周围介质的温度降低。此制冷循环采用了回热循环，是利用气液热交换器使节流前的制冷剂高压液

8、体与蒸 发器出来的低温低压蒸汽进行热交换，使液体过冷，低温蒸汽过热。采用回热循环不仅 可以增加单位质量制冷量，而且可以减少低温制冷剂蒸汽与环境空气之间的传热温差， 减少甚至消除蒸发器与压缩机之间吸气管道的无效过热，达到良好的制冷效果。3流程及方案的说明和论证设计方案的确定包括制冷剂的选择、冷凝器型式的选择、流体流入冷凝器空间的选 择、冷却剂的选择及其进出口温度的确定等。3.1 冷凝器的选择表1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L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。L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

9、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。L清洗不方便；2.漏氨不易发现。大、中、小氨 和氟利昂制冷 装置都可采用套管式1.结构简单、制造方便；1.金属消耗量较大；小型氟利昂2 .体积小，紧凑；3 .传热性能好（水与制 冷剂成逆向流动）。2 .冷却水的流动阻力 较大；3 .水垢清洗困难。空调制冷机组沉浸式1 .制造简单；2 .维修清洗方便；3 .安装地位不受限制。1.冷却水在水箱内的 流动速度很低，故传 热效果差；2.体积大。小型氟利昂制冷装置根据不同类型的水冷式冷凝器的优缺点比较，同时由于选用了制冷剂氨，所以选择 了卧式壳管式冷凝器。它的优点是：结构紧凑

10、、操作管理维修方便、换热系数大、传热 效果好、冷却水耗量少。但对冷却水质要求高，水温要低；冷却水流动阻力比较大；清 洗水垢不方便，需要设备停止工作。由于选用了制冷剂氨，所以确定选用氨卧式管壳式冷凝器，它的特点是结构紧凑、 操作管理维修方便、换热系数大、传热效果好、冷却水耗量少。但对冷却水质要求高， 水温要低；冷却水流动阻力比较大；清洗水垢不方便，需要设备停止工作。3.2 制冷剂的选择本冷凝器采用氨为制冷剂。制冷剂是制冷系统中实现制冷循环的工作介质，也称为制冷工质。由于制冷机的大 小、构造和材料以及在一定情况下的操作压力于制冷剂的性质有密切关系，所以在进行 压缩制冷时必须慎重选用适合于操作条件的

11、制冷剂。当今社会使用的制冷剂有氨气（代号：R717）、氟利昂72 （代号：RI2）、氟利昂-22 （代号：R22）和其他环保制冷剂如RT34a、R-404A等，但分析比较各种制冷剂优缺点， 本设计选用氨作为制冷剂，原因如下：氨是目前使用最为广泛的一种中压中温制冷剂。氨的凝固温度为-77. 7嗯，标准蒸 发温度为-33. 3可，在常温下冷凝压力一般为1.11.3MPa,即使当夏季冷却水温高达 30。C时也绝不可能超过1.5MPa,则对仪器设备的要求较低，减少了仪器的维护费用。氨易于获得,价格低廉，单位标准容积制冷量较大，约为520Kcalm3,相比于R12 的288kcalm3,有明显优势。氨有

12、很好的吸水性，即使在低温下水也不会从氨液中析出而冻结，故系统内不会 发生“冰塞”现象。氨自身有刺激性气味，当仪器出现问题，气体泄漏时，能较快被发现，有一定的 安全保障，较为安全。氨对钢铁不起腐蚀作用，但氨液中含有水分后，对铜及铜合金有腐蚀作用，且使 蒸发温度稍许提高。因此，氨制冷装置中不能使用铜及铜合金材料，故本设计采用了钢 管。3.3 冷却剂的选择冷凝器用澄清的河水作为冷却剂。3.3.1 冷却剂流入空间的选择在管壳式冷凝器中，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：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

13、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。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。有腐蚀性的液体应该流管内。压力高的流体应该流管内。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。被冷却物料一般走壳程，便于散热，可减少冷却剂用量。澄清河水一般选择走管程，这是因为河水比较脏，受热后容易结垢，在固定管板式 换热器的直管束内较易清洗；管内流体易维持高速，可避免悬浮粒子沉积。同时，氨走 壳程也便于散热，从而减少冷却水的用量。因此，为了清洗方便，提高热交换律，本冷 凝器的管程采用多管程，冷却

14、水走管程，制冷剂走壳程。3.3.2 流速的确定适宜的流速标准是既可以减少污垢在管子表面沉积的可能性而降低污垢热阻，使K 值提高，所需传热面积减少，设备投资费减少，又可使流动阻力相应减少，动力消耗即 操作费减少。选择流速一般都尽可能使流动的Re10000o在工业上常用的走管程一般液体流速在0.53ms之间，在同时考虑设备的制造成本 和操作费用之后，确定取u=1.2ms3.3.3 冷却剂适宜进出口温度的确定冷却水的出口温度可根据冷却水的费用及设备投资费之和为最小来确定。根据要求, 进口水温度要求在1115C之间，而工业上卧式壳管式冷凝器冷却水的进出口温差一般在 410C之间，综合考虑后，确定本设计

15、中选取的冷却水进口温度U为15,出口温度t2 为 21,温差为 21 15=6。3.4 制冷剂冷凝温度蒸发温度、过冷温度L的确定3.4.1 冷凝温度的确定为保证冷凝器内的热交换，冷凝温度必须高于冷却剂的出口温度。根据设计要求： 卧式壳管式冷凝器的进口端部最大温差（tk-t）范围可取714。在此次设计中温差取 10,则 tk=12+u=12+15=24C3.4.2 过冷温度的确定过冷温度是指制冷剂在冷凝压力下，其温度低于冷凝温度时的温度。制冷剂液体的 过冷度取决于冷却介质的温度与过冷器的传热温差。过冷器一般是以水作为冷却介质， 一般过冷温度比冷凝温度低35,比进冷凝器的水温高35。所以确定本次设计取过冷度温差为5C,则过冷温度：=tk-4oC=24oC-4oC=