1、食品工程原理課程設計-管殼式冷凝器設計 食品工程原理課程設計任務書 2 流程示意圖 3 設計方案的確定 4 冷凝器的造型計算 6 核算安全系數 8 管殼式冷凝器零部件的設計 10 設計概要表 12 主要符號表 13 主體設備結構圖 14 設計評論及討論 14 參考文獻 15一）食品科學與工程設計任務書、設計題目：管殼式冷凝器設計二、設計任務：將制冷壓縮機壓縮后制冷劑 （如 F-22、氨等 ）過熱蒸汽冷卻、冷凝為過冷液體， 送去冷庫蒸發器使用。三、設計條件：1、冷庫冷負荷 Q0=1700KW ；2、高溫庫，工作溫度 0 4，采用回熱循環；3、冷凝器用河水為冷卻劑，取進水溫度為 2628；4、傳熱

2、面積安全系數 5 15%。四、設計要求：1. 對確定的設計方案進行簡要論述；2. 物料衡算、熱量衡算；3. 確定列管殼式冷卻器的主要結構尺寸；4. 計算阻力；5. 編寫設計說明書（包括： .封面； .目錄； .設計題目； .流程示 意圖； . 流程及方案的說明和論證；設計計算及說明；主體設備結構圖； 設計結果概要表；對設計的評價及問題討論；參考文獻。 ）6. 繪制工藝流程圖、管殼式冷凝器的的結構（ 3 號圖紙）、花板布置圖（ 3 號 或 4 號圖紙）二）流程示意圖流程圖說明：本制冷循環選用臥式管殼式冷凝器， 選用氨作制冷劑，采用回熱循環，共分為 4 個階段， 分別是壓縮、冷凝、膨脹、蒸發。1

3、2 由蒸發器內所產生的低壓低溫蒸汽被壓縮機吸入壓縮機氣缸，經壓縮后溫 度升高；2 3 高溫高壓的 F22 蒸汽進入冷凝器； F22 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氨。44 液態 F 22不斷貯存在貯氨器中；4 5 使用時 F22 液經膨脹閥作用后其壓力、溫度降低，并進入蒸發器；5 1低壓的 F22 蒸汽在蒸發器中不斷的吸收周圍的熱量而汽化， 然后又被壓縮機吸入，從而形成一個循環。51 是一 個回熱循環。本實驗采用臥式殼管式冷凝器， 其具有結構緊湊，傳熱效果好等特點。 所設計的臥式管 殼式冷凝器采用管內多程式結構，冷卻水走管程，F22 蒸汽走殼程。采用多管程排列，加大傳

4、熱膜系數，增大進，出口水的溫差，減少冷卻水的用量。（三）設計方案的確定設計方案的確定包括制冷劑的選擇、冷凝器型式的選擇、流體流入冷凝器 空間的選擇、冷卻劑的選擇及其進出口溫度的確定等。一、冷凝器造型與冷凝劑的選擇本次設計是以河水為冷卻劑，本人選擇氨高效臥式冷凝器為設計對象。此 冷卻系統的原理是將壓縮機排出的高溫、 高壓氨氣等壓冷凝成液體， 在冷庫中蒸 發，帶走待冷物料的熱量，起到冷卻物料的效果。本方案采用 F22為制冷劑， F22化學式為 CHF2 Cl，名稱為二氟一氯甲烷，標準沸點為 40.8，凝固溫度為 160，不燃燒，不爆炸，無色，無味。 冷凝器型式的選擇：本方案采用臥式殼管式冷凝器。臥

5、式管殼式水冷凝器的優點是：1、結構緊湊，體積比立式殼管式的小；2、傳熱系數比立式殼管式的大；3、冷卻水進、出口溫差大，耗水量少；4、為增加其傳熱面積， F-22 所用的管道采用低肋管；5、室內布置，操作較為方便。二、流體流入空間選擇 由于冷卻劑為河水，根據不潔凈或易結垢的物料應當流經易清洗的一側， 飽和蒸汽一般應通入殼程，以便排出冷凝液， 被冷卻物料一般走殼程， 便于散熱 和減少冷卻劑用量，所以確定冷卻水走管程，冷凝劑（ F22）走殼程。三、流速選擇查得列管換熱器管內水的流速， 管程為 0.5 3m/s，殼程 0.21.5m/s2；根 據本設計制冷劑和冷卻劑的性質， 綜合考慮冷卻效率和操作費用

6、， 本方案選擇流 速為 1.5m/s。四、冷卻劑適宜出口溫度的確定任務書要求進水溫度為 2628，選擇進口溫度 =26C。臥式冷凝器的 端部最大溫差（ tk -t 1）可取 714C，冷卻水進口溫差為 410C。提高冷凝器的傳熱平均溫差t2 -t1tln ttkk -tt12可以冷凝器的傳熱面積QL QLFK t q ，從而減少傳熱面積、降低成本。前提是出口水溫度不能 高于 冷凝劑的冷凝溫度 t k ，跨程溫差小于 28C。所以確定出口水溫度 =32C， 冷凝劑（ F22）的冷凝溫度 tk =35C。五、冷凝劑的蒸發溫度和過冷溫度確定冷凝器的熱負荷 QLQ0 ，減少系數 可以有效降低熱負荷。其

7、中熱負荷系數 受冷凝溫度和蒸發溫度影響，蒸發溫度 t0 提高，可以降低熱負荷系數 。 由于冷凝劑的蒸發溫度要比工作溫度低 810，已知工作溫度為 04，即 t0取 值-8-4。綜上所述，確定蒸發溫度 t0 =-10。冷凝器內過冷一般不小于 1，取過冷溫度 t g =32。六、管體材料及管型的選擇選取規格為 382.5 的換熱器用普通無縫鋼管，則 d 0=38mm，di =33mm， p2=.5mm四）冷凝器的造型計算冷凝器的任務是將壓縮機排出的高溫高壓氣態制冷劑冷卻使之液化、冷凝器的熱負荷QLQ0式中： QL 冷凝器的熱負荷； KwQ0 制冷量； Q0 =1700kw。系數，與蒸發溫度 t 0

8、 、冷凝溫度 tK 、氣缸冷卻方式以及制冷劑種類 有關。蒸發溫度 t 0 =-10，冷凝劑（ F22）的冷凝溫度 tk =35，得系數 =1.19Q L總=1.191700kw= 2023kw。二、預算冷凝器的傳熱面積在水冷式冷凝器中，臥式管殼冷凝器的制冷劑在管外冷凝，冷卻水在管內 流動。QLKtQLq式中： F 冷凝器的傳熱面積， m；K 傳熱系數， w/（m2 K）； t 傳熱平均溫度差，； q單位面積熱負荷， w/ m2 。，臥式管殼式（氟利昂）冷凝器的傳熱系數 K800w/（m2 K）lntk ttk t32 2635-26 ln35 32=5.452023 * 1000800 * 5

9、.452463 .99 m三、冷凝器冷卻水用量計算3600Kw / h體積流量 M水冷式冷凝器的冷卻水用量可以用下式求得：式中：QL 冷凝器的熱負荷， Kw ；CP 冷卻水的定壓比熱， KJ/（kgK ），淡水取 4.186； t1、t2冷卻水進、出冷凝器的溫度， K 或。QLCP t2 t1則:4.186 (32 26) 3600=289966.56g/s。冷卻水體積 V=M* 36000. 081 m2 3 4/s( 998 kg/m 3)四、管數、管程數1. 管數由下式求得單程管子總數 nV n2du4式中：V管內流體的體積流量，3m3 /s;d 管子內直徑， m； u 流體流速， m/

10、s；查“熱交換器用普通無縫鋼管”表 1，選取規格為 382.5 的熱交換用普通無縫鋼管，其內徑 d33mm。而流體的流速 u1.5 m/s。則：0.08163.17 ,取整 n=64. 取整后的實際流速4Vnd24 0.0813.14 64 0.03321.48m/ s2. 管程數按單程冷凝器計算，管速長度為 L，則3.14nd式中： F傳熱面積， m2；A 取預算傳熱面積；其他符號同前，FL 69.97 m，64 3.14 0.033則：管程數為 mL ml式中： L 按單程計算的管長， m；l 選定的每程管長， m；按管材一般出廠規格為 6m，則 l 可取 1、 1.5、2、3、6m 等，

11、取 l 6m。m=69.97/6=11.66，取整 m=12采用 6 管程后，冷凝器的總管數 NT 為： NT=nm=768 根（五）核算安全系數一、雷諾數計算及流型判斷冷凝器冷卻水用量QLCp(t2 t1)20234.186 (32 26)80.55kg / s實際流速： u 1.48m/ s雷諾數：duRe0.033 1.48 99880.12 10 560836.65 104所以流型為湍流。、阻力的計算Hfd 2gZ冷凝器的阻力計算只需計算管層冷卻水的阻力，殼程為制冷劑蒸汽冷凝過程，可不計算流動阻力。冷卻水的阻力可按下式計算：u2g式 中： 管道摩擦阻力系數，湍流狀態下，鋼管 =0.22

12、Re-0.2；Z 冷卻水流程數；L 每根管子的有效長度， m；d 管子內直徑 , m；u 冷卻水在管內流速， m/s；g 重力加速度， m/s2 ；局部阻力系數，可近似取為 =4ZL u2H fL u Zfd 2gu2g0.02724 1.4820.033 2 9.812 4 121.482 9.88.01m水柱三、安全系數1.管外總傳熱面積：2A1=NTd0l7683.140.0386549.83m22.管內總傳熱面積：2 A2 NT dl 7683.14 0.033 6 477.48 m23. 實際總傳熱面積：A( A1 A2 ) /2( 549.83+477.48) /2=513.66

13、m24. 理論總傳熱面積：AQL /(Kt)=463.99m2A 實際 A 理5.安全系數 :513.66-463.99)/463.99100%10.7A理般要求安全系數為 3 15( 0.030.15)，故本設計合符要求。（六）管殼式冷凝器零部件的設計一.冷凝器阻力的計算冷凝器的阻力計算只需計算管程冷卻水的阻力， 殼程為制冷劑蒸汽冷凝過程， 可不計算流動阻力。Hf22 L uuZ d 2g2gd 2g式中： 管道的磨擦阻力系數：在湍流狀態下，鋼管 =0.22Re 0.2；本設計所用為鋼管則 : =0.22Re 0.2=0.22 28065.6-0.2=0.02837；Z冷卻水流程數；Z=管程

14、 m=6；L每根管子的有效長度，m；L=6m；d管子內直徑， m；di =0.02m；u冷卻水在管內的流速，m/s；u i =1.412 m/s；g重力加速度， m/s2局部阻力系數，可近似取為： =4Z =46=24。HfL u22uZ=6.12mH 2O 。2g 2二. 殼體內徑、厚度的計算1. 管心距、偏轉角 查指導書的表 8，管子外徑 do=38mm，其管心距 a=47mm，偏轉角 =7。2. 殼體內徑 殼體的內徑應等于或稍大于管板的直徑。所以，從管板直徑的計算可以決定殼體的內徑。通常按下式確定殼體的內徑：D=a（b1） 2e式中： D 殼體的內徑， mm；a管心距， mm；do=0.

15、025m 對應 a=32;b 最外層的六角形對角線上的管數；查表得，總管數為 264，對應最外層六角形對角線上的管數為 b=39。e六角形最外層管子中心到殼體內壁的距離般取 e（1 1.5）do本設計方案取 e1do 25 mm，故 D=a（b1） 2e47（391）21.4 331878.4mm 由于殼徑的計算值應圓整到最靠近的部頒標準尺寸， 查表得：取 D2000mm 3、殼體厚度PDs PD C 式中： s 外殼壁厚， cm ； 2PP 操作時的內壓力， N/cm2 （表壓），根據壁溫查得為 80.8N/cm 2 ； 材料的許用應力， N/cm2 ；查得不銹無縫管 YB804-70 的許

16、用應力是 13230 N/cm2 焊縫系數，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（0.10.8）cm 之間，根據流體的腐蝕性而定； 取 0.7D 外殼內徑， cm。80.8* 2000s2 13230 0.65 80.80.7 1.64cm適當考慮安全系數及開孔的強度補償措施，決定取 s=17mm三、熱量衡算1. 回熱循環 ：lgPh3=h4h1h2h圖 1 壓焓圖設計過冷溫度 t g =32，查 F22 （氟利昂）的壓焓圖、焓濕圖，得循環的 1，2， 3，4 點的焓值分別為：h1=1484kJ/kg,h 2 =1516kJ/kg, h3=h4 =

17、292.65kJ/kg.2. 單位制冷量qo=h1-h4=1191.35kJ/kg，3. 制冷循環量G=QL /q 0 =2023/1191.35kg/s=1.70;4. 制冷劑的總放熱量QK =G（h2-h1）=2213.45kw5. 熱量衡算本方案符合設計要求： Qk QL七）設計概要表類型項目指標類型項目指標冷 凝 器冷凝器類型臥式列管冷凝器冷 卻 劑管內流速1.5m/s并聯臺數7進口溫度26C殼體內徑1878mm出口溫度32C殼體壁厚0.17cm冷卻水用量88.55kg/s每臺機熱負荷2023kwRe60836.65安全系數10.7%冷卻水阻力6.12mH2O管 道換熱管類型38 2.

18、5mm 光滑 無縫鋼管制 冷 劑氟利昂F22總管數768管外流速0.35m/s每程管數64蒸發溫度-10C管程數12冷凝溫度35C管長6過冷溫度32C管子的排列方 式正三角形排列單位制冷量1191.35kJ/kg管心距47mm制冷循環量0.4065kg/s偏心角7八）主要符號表序號名稱符號單位序號名稱符號單位1焓ikj/kg15殼體 厚度smm2壓力PPa16單位制冷量q0kj/kg3溫度t17制冷循環量Gkg/s4流速um/s18熱負荷QLkw5粘度Pas19冷卻水用量Mkg/h6密度pkg/m320體積流量V3 m /s7阻力HfmH2O21傳熱面積A2 m8比熱CpJ/kg k22汽化潛

19、熱rkj/kg9管徑dm23污垢熱阻Rm2k/w10管數n24導熱系數w/mk11管程數m25摩擦阻力系數12總管數NT26傳熱系數w/m2k13管心距amm27傳熱膜系數w/m2k14殼體直徑Dmm九）主體設備結構圖流程及原理： 經壓縮機壓縮的氨氣先在冷凝器中被冷卻， 向冷卻水放出熱量， 然后流經回熱器被返流水進一步冷卻 ,并進入節流閥絕熱膨脹 ,壓縮氣體的壓力和 溫度同時下降。膨脹后的氨氣進入蒸發器， 吸取被冷卻物體的熱量， 即達到制冷 的目的。 此后，氣體返流經過回熱器， 同壓縮氣體進行熱交換后又進入壓縮機中 被壓縮。具體結構設計圖，見附錄 CAD 圖。（十）設計評論及討論本設計由給定的冷庫冷負荷，進口水溫度，高溫庫工作溫度等已知數據來確 定出口溫度、傳熱面積、流速、管