食品工程原理課程設計_管殼式冷凝器設計16738999

1、<p>　　薆羃蒞蒆襖羂肄蟻螀羈膇蒄蚆肀艿蠆薂聿莁蒂袁肈肁芅螇肇芃蒀螃肇蒞莃蠆肆肅蕿薅肅膇莂袃肄芀薇蝿膃莂莀蚅膂肂薅薁膁膄莈羀膁莆薄袆膀葿蒆螂腿膈螞蚈螅芁蒅薄螅莃蝕袃螄肅蒃螈袃膅蚈蚄袂芇蒁薀袁蒀芄罿袀腿薀裊衿芁莂螁衿莄薈蚇袈肅莁薃袇膆薆袂羆羋荿螈羅莀薄蚄羄膀莇蝕羃節(jié)蚃薆羃蒞蒆襖羂肄蟻螀羈膇蒄蚆肀艿蠆薂聿莁蒂袁肈肁芅螇肇芃蒀螃肇蒞莃蠆肆肅蕿薅肅膇莂袃肄芀薇蝿膃莂莀蚅膂肂薅薁膁膄莈羀膁莆薄袆膀葿蒆螂腿膈螞蚈螅芁蒅薄螅莃蝕袃螄肅蒃螈

2、袃膅蚈蚄袂芇蒁薀袁蒀芄罿袀腿薀裊衿芁莂螁衿莄薈蚇袈肅莁薃袇膆薆袂羆羋荿螈羅莀薄蚄羄膀莇蝕羃節(jié)蚃薆羃蒞蒆襖羂肄蟻螀羈膇蒄蚆肀艿蠆薂聿莁蒂袁肈肁芅螇肇芃蒀螃肇蒞莃蠆肆肅蕿薅肅膇莂袃肄芀薇蝿膃莂莀蚅膂肂薅薁膁膄莈羀膁莆薄袆膀葿蒆螂腿膈螞蚈螅芁蒅薄螅莃蝕袃螄肅蒃螈袃膅蚈蚄袂芇蒁薀袁蒀芄罿袀腿薀裊衿芁莂螁衿莄薈蚇袈肅莁薃袇膆薆袂羆羋荿螈羅莀薄蚄羄膀莇蝕羃節(jié)蚃薆羃蒞蒆襖羂肄蟻螀羈膇蒄蚆肀艿蠆薂聿莁蒂袁肈肁芅螇肇芃蒀螃肇蒞莃蠆肆肅蕿薅肅膇莂袃肄芀薇蝿

3、膃莂莀蚅膂肂薅薁膁膄莈羀膁莆薄袆膀葿蒆螂腿膈螞蚈螅芁蒅薄螅莃蝕袃螄肅蒃螈袃膅蚈蚄袂芇蒁薀袁蒀芄罿袀腿薀裊衿芁莂螁衿莄薈蚇袈肅莁薃袇膆薆袂羆羋荿</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　食品工程原理課程設計任務書……………………………1</p><p>　　流程示意圖…………………………………………………2<

4、/p><p>　　設計方案的確定及說明……………………………………3</p><p>　　設計方案的計算及說明（包括校核）……………………5</p><p>　　設計結果主要參數表 ……………………………………13 </p><p>　　主要符號表 ……………………………………………13</p><p>　　設

5、計評價及問題討論 ……………………………………15</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………16 </p><p>　　一 食品工程原理課程設計任務書</p><p><b>　　設計題目</b></p><

6、p><b>　　管殼式冷凝器設計．</b></p><p><b>　　設計任務：</b></p><p>　　將制冷壓縮機壓縮后的制冷劑（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>　　設計條件:</b></p><p>

7、　　1.冷庫冷負荷Q0=學生學號最后2位數*100（kw）；</p><p>　　2.高溫庫，工作溫度0～4℃。采用回熱循環(huán)；</p><p>　　3.冷凝器用河水為冷卻劑, 每班分別可取進口水溫度15℃</p><p>　　4.傳熱面積安全系數5%～15%。</p><p><b>　　四．設計要求：</b></

8、p><p>　　1.對確定的工藝流程進行簡要論述；</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構尺寸；</p><p><b>　　4.計算阻力；</b></p><p>　　5.編寫設計說明書（包括：①封面；②目錄；③設計題目；④流程示意圖；⑤流程及

9、方案的說明和論證；⑥設計計算及說明（包括校核）；⑦主體設備結構圖；⑧設計結果概要表；⑨對設計的評價及問題討論；⑩參考文獻。）</p><p>　　6.繪制工藝流程圖,管殼式冷凝器的裝配圖A3紙一張。</p><p><b>　　二、流程示意圖</b></p><p><b>　　流程圖說明：</b></p>

10、<p>　　本制冷循環(huán)選用臥式管殼式冷凝器，選用氨作制冷劑，采用回熱循環(huán)，共分為4個階段，分別是壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)。</p><p>　　1→2由蒸發(fā)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；</p><p>　　2→3高溫高壓的F—22蒸汽進入冷凝器；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

11、>　　4→4’液態(tài)F—22不斷貯存在貯氨器中；</p><p>　　4’→5使用時F—22液經膨脹閥作用后其壓力、溫度降低，并進入蒸發(fā)器；5→1低壓的F—22蒸汽在蒸發(fā)器中不斷的吸收周圍的熱量而汽化，然后又被壓縮機吸入，從而形成一個循環(huán)。</p><p>　　5’→1是一個回熱循環(huán)。</p><p>　　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

12、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，F—22蒸汽走殼程。采用多管程排列，加大傳熱膜系數，增大進，出口水的溫差，減少冷卻水的用量。</p><p>　　三、設計方案的確定及說明。</p><p>　　1·流體流入空間的選擇</p><p>　　本設計采用河水為冷卻劑，河水比較臟和硬度較高，受熱后容易結垢。同時，氨走殼程也便于散熱，

13、從而減少冷卻水的用量。因此，為方便清洗和提高熱交換率，冷卻水應走管程，氨制冷劑應走殼程。</p><p><b>　　2·流速的選擇</b></p><p>　　查得列管換熱器管內水的流速，管程為0.5～3m/s，殼程0.2～1.5m/s[2]；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，本方案選擇流速為1.5m/s。</p>

14、<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>　　本設計冷卻劑的進口溫度 為15℃。而一般臥式管殼式冷凝器冷卻劑的進出口的溫度之差為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 本設計取0℃，蒸發(fā)溫度一般比庫內空氣低8～12℃本設計取 t0=-10℃</

15、p><p>　　可取7～14℃本設計取tk=25℃。</p><p>　　過冷溫度比冷凝溫度低3～5℃本設計取 tu=20℃</p><p>　　過熱溫度比蒸發(fā)溫度高3～5℃本設計取 tp=-5℃</p><p>　　4·冷凝器的造型和計算</p><p>　　4．1 水冷式冷凝器的類型</p>&

16、lt;p>　　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(fā)，帶走待冷物料的熱量，起到冷卻物料的效果。</p><p>　　本方案采用氨為制冷劑，氨化學式為NH3，標準沸點為—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

17、式冷凝器。臥式管殼式水冷凝器的優(yōu)點是：</p><p>　　1、結構緊湊，體積比立式殼管式的?。?lt;/p><p>　　2、傳熱系數比立式殼管式的大；</p><p>　　3、冷卻水進、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、室內布置，操作較為方

18、便。</p><p>　　4．2 冷凝器的選型計算</p><p>　　4．2．1冷凝器的熱負荷</p><p>　　4．2．2冷凝器的傳熱面積計算</p><p>　　4．2．3冷凝器冷卻水用量</p><p>　　4．2．4冷凝器的阻力計算</p><p>　　5·管數、管程數和管

19、子的排列</p><p><b>　　5．1管數及管程數</b></p><p>　　2管子在管板上的排列方式</p><p><b>　　5．3管心距</b></p><p>　　6·殼體直徑及殼體厚度的計算</p><p>　　6．1殼體直徑，厚度計算</

20、p><p>　　四、設計計算及說明（包括校核）</p><p><b>　　（一）設計計算</b></p><p>　　1、冷凝器的熱負荷：</p><p>　　冷凝器的熱負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>　　

21、kw</b></p><p>　　式中:———— 冷凝器的熱負荷，kw；</p><p>　　———— 制冷量，500kw；</p><p>　　———— 系數，與蒸發(fā)溫度t k、氣缸冷卻方式及制冷劑種類有關，由《食品工程原理設計指導書》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>　　

22、∴ =1.19×500=595 kw</p><p><b>　　2、傳熱平均溫差：</b></p><p><b>　　℃</b></p><p>　　3、冷凝器的傳熱面積計算：</p><p>　　根據選用臥式管殼式水冷冷凝器及設計指導書表4各種冷凝器的熱力性能，取傳熱系數為800 w

23、/（㎡·k） </p><p><b>　　0</b></p><p>　　式中： ———— 傳熱系數，w/㎡ 、℃；</p><p>　　（由《食品工程原理設計指導書》表3中可取750） ———— 冷凝器得傳熱面積，㎡； </p>&

24、lt;p>　　———— 冷凝器得熱負荷，w； </p><p>　　———— 傳熱平均溫差，℃</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　4、冷凝器冷卻水用量： kg/h</p><p>　　式中：———— 冷凝器的熱負荷， kw； </p>

25、<p>　　———— 冷卻水的定壓比熱，KJ/kg·k；淡水可取4.186； </p><p>　　———— 冷卻水進出冷凝器得溫度，K或℃； </p><p>　　———— 冷卻水進出冷凝器得溫度，K或℃。</p><p>　　5、冷凝器冷卻水體積流量：</p><

26、p>　　式中：————取995.7；</p><p>　　6、管數和管程數和管束的分程、管子的排列的確定：</p><p>　　1) 確定單程管數n </p><p>　　由《制冷原理及設備》一書查得，冷凝器內冷卻水在管內流速可選取1.5 m/s。設計中選用38×2.5mm不銹無縫鋼管作為冷凝器內換熱管。 </p&

27、gt;<p>　　式中：——— 管內流體的體積流量， ㎡/s； ——— 管子內直徑， m； ——— 流體流速，m/s。</p><p><b>　　圓整為20</b></p><p><b>　　取整后的實際流速</b></p><p>　　2) 管程數： 管束長度 </p>

28、<p>　　式中：——— 傳熱面積，㎡；</p><p>　　——— 按單程計算的管長，m。</p><p><b>　　管程數 </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&

29、gt;<p>　　所以冷凝器的總管數為</p><p><b>　　根</b></p><p>　　3）管心距а和偏轉角 α</p><p>　　查可得管心距а=48mm 偏轉角 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，應

30、使管子在整個冷凝器截面上均勻而緊湊地分布，還要考慮流體性質，設備結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><p>　　7.殼體直徑及殼體厚度的計算</p><p><b>　　1）殼體直徑的計算</b></p><p>　　殼體的內徑應稍大于或等于管

31、板的直徑，所以，從管板直徑的計算可以決定殼體的內徑. </p><p>　　D=a (b-1) +2e</p><p>　　式中：D——— 殼體內徑， mm；</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>

32、<p>　　e ——— 六角形最外層管子中心到殼體內壁的距離。</p><p>　　一般取e=(1～1.5)d0，這里取1.4。</p><p>　　D= 48×（39－1）＋2×1.4×33 =1824＋92.4=1916.4mm 圓整為2000mm</p><p>　　2）殼體厚度(s)的計算</p><

33、;p>　　式中：s ——外殼壁厚，cm；P——操作時的內壓力，N/cm2（表壓），根據壁溫查得為80.8N/cm2 ；[σ] ——材料的許用應力， N/cm2；</p><p>　　查得不銹無縫管YB804-70的許用應力是13230 N/cm2；φ——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（0.1～0.8）cm之間，根據流體的腐蝕性而定；取0.7<

34、/p><p>　　D——外殼內徑，cm。</p><p>　　適當考慮安全系數及開孔的強度補償措施，決定取s=17mm</p><p><b>　　（二）設計校核</b></p><p>　　1.雷諾數計算及流型判斷</p><p><b>　　冷凝器冷卻水用量：</b><

35、/p><p><b>　　實際流速：</b></p><p>　　雷諾數： > 104 </p><p><b>　　所以流型為湍流。</b></p><p><b>　　2.阻力的計算</b></p><p>　　冷凝器的阻力計算只需計算管層冷卻水的

36、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：</p><p>　　式中：——— 管道摩擦阻力系數，湍流狀態(tài)下，鋼管λ=0.22Re-0.2；</p><p>　　Z——— 冷卻水流程數；</p><p>　　L——— 每根管子的有效長度，m；</p><p>　　d——— 管子內直徑, m；</p>

37、<p>　　u——— 冷卻水在管內流速，m/s；</p><p>　　g——— 重力加速度，m/s2；</p><p>　　—— 局部阻力系數，可近似取為Σε=4Z。</p><p><b>　　3.熱量衡算</b></p><p>　　下圖為氨在實際制冷循環(huán)中的壓焓圖</p><p&g

38、t;　　本設計確定：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><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

39、。</p><p>　　其中1—1’—2在壓縮機中壓縮的等熵過程，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，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)時吸熱達到沸點后蒸發(fā)成為低溫低壓蒸汽，蒸發(fā)成氣體的制冷劑在壓縮機作用下成為高溫高壓氣體，此高溫高壓氣體冷凝后成

40、為高壓液體，高壓液體經過膨脹閥后變成低壓低溫液體，再度吸熱蒸發(fā)構成了冷凍機的制冷循環(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F-22壓焓圖查得（kj/kg）：</p><p>　　h1=402 kj/kg，h1’=h1+(h4-h4’)=412 kj/kg，h2=445 kj/kg，</p><p>　　h2’=430

41、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=402－235=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/q

42、o=500/167=2.99 kg/s</p><p>　　冷卻放熱量：G×（h2’-h3）=2.99×（430-415）=44.85</p><p>　　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×(245-23

43、5)=29.9</p><p>　　過熱吸熱量：G×（h1’-h1）=2.99×(412-402)=29.9</p><p>　　壓縮功：wt=h2’= h1’=430-412=18</p><p>　　理論的制冷系數：εt=qo/wt=167/18=9.28</p><p>　　由此可見，本設計熱量基本平衡，符合實際要求

44、。</p><p>　　4.傳熱面積安全系數</p><p>　　式中：——— 實際布置所得的傳熱面積，m2 ；</p><p>　　——— 理論傳熱面積，m2 </p><p><b>　　管外總傳熱面積：</b></p><p>　?。絅Tπd0l＝140×3.14×0.0

45、38×3＝50.1144</p><p><b>　　管內總傳熱面積：</b></p><p>　　＝NTπdl＝140×3.14×0.033×3＝43.5204</p><p><b>　　實際總傳熱面積：</b></p><p>　?。剑ǎ?2＝（50.

46、1144＋43.5204）/2=47.3172</p><p><b>　　理論總傳熱面積：</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　安全系數ε＝（47.3172－41.9）/＝12.9％</p><p>　　一般要求安全系數為3％～15％（0.03~0.15），故本設

47、計合符要求。</p><p><b>　　5.長徑比L/D</b></p><p>　　式中：L——— 每程管長，m；</p><p>　　D——— 殼體內徑，m。</p><p>　　L/D= 6/1.9164= 3.13</p><p>　　符合3~8 范圍要求</p><

48、p>　　五、設計結果主要參數表</p><p><b>　　六、主要符號表</b></p><p><b>　　八、設計評論及討論</b></p><p>　　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、管徑等數據來完成設計，其中有部分參數和計算公式需要查找相關資料，

49、如化工手冊和實用冷凍手冊，各種資料中查出的參考計算公式和數據有所不同，導致再整個設計工程中，設計思路產生分歧，產生幾種設計方案，經過反復驗證和數據計算才確定其中一種，由于參考數據的來源不同，可能導致設計結果存在誤差。</p><p>　　其次，計算過程中各個步驟要經過反復的校核，符合要求才能繼續(xù)，如計算管程數時需校核徑比。計算結束后要進行校核，要求雷諾數Re>104，傳熱系數ε（700—800），安全系數在

50、5—15％內，經過校核計算，都能滿足要求，如果不考慮經濟其他因素，這個設計是成功的。</p><p>　　這次的課程設計很好地檢驗了本人掌握工程原理知識的程度，暴露出各種不足之處，讓本人可以及時糾正存在的不足和錯誤，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構和要求，進一步了解冷凝器的各種知識等，學到了很多書本上沒有的東西。我深刻體會到只有課內課外相結合，最后的設計結果才能比較符合實際，</p&

51、gt;<p>　　在本方案設計過程中，由于受到各種條件的限制，不能更好的解決設計中遇到的問題，所以造成很多不合理或設計不夠理想的地方，請老師多多包涵，指出其錯漏之處！</p><p><b>　　九、參考文獻</b></p><p>　　[1] 李雁,宋賢良.《食品工程原理課程設計指導書》.華南農業(yè)大學印刷廠印刷,2006</p><

52、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>　　[3] 高福成. 《食品工程原理》. 中國輕工業(yè)出版社</p><p>　　[4] 楊同舟，于殿宇。《食品工程原理》 中國農業(yè)出版社 2012 袃袈芀莁蝿羇莂薆蚅羆肂荿薁羅膄薄羀羄莆莇袆羃葿蚃螂羃膈蒆蚈羂芁蟻薄羈莃蒄袃肀肅蠆螈聿膅蒂蚄肈芇蚈薀肇蒀蒀罿肇腿莃裊

53、肆芁蕿螁肅莄莂蚇肄肅薇薃膃膆莀袂膂羋薅螈膁莀莈蚄膁膀薄蝕膀節(jié)蒆羈腿蒞螞襖膈蕆蒅螀膇膇蝕蚆襖艿蒃薂袃莁蚈袁袂肁蒁袇袁芃螇螃袀莆薀蠆衿蒈莂羇衿膇薈袃袈芀莁蝿羇莂薆蚅羆肂荿薁羅膄薄羀羄莆莇袆羃葿蚃螂羃膈蒆蚈羂芁蟻薄羈莃蒄袃肀肅蠆螈聿膅蒂蚄肈芇蚈薀肇蒀蒀罿肇腿莃裊肆芁蕿螁肅莄莂蚇肄肅薇薃膃膆莀袂膂羋薅螈膁莀莈蚄膁膀薄蝕膀節(jié)蒆羈腿蒞螞襖膈蕆蒅螀膇膇蝕蚆襖艿蒃薂袃莁蚈袁袂肁蒁袇袁芃螇螃袀莆薀蠆衿蒈莂羇衿膇薈袃袈芀莁蝿羇莂薆蚅羆肂荿薁羅膄薄羀羄莆莇袆