華南農業大學食品學院食品工程原理課程設計

16/16食品工程原理課程設計管殼式冷凝器設計華南農業大學食品學院食品工程原理課程設計任務書一、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的制冷劑(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=學生學號最后2位數×100（kw）；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，每班分別可取進口水溫度:21～25℃（1班）、6～10℃（2班）、11～15℃(3班)、16～20℃（4班）、1～5℃（5班）；4．傳熱面積安全系數5~15%；四、設計要求：1．對確定的工藝流程進行簡要論述；2．物料衡算、熱量衡算；3.確定管殼式冷凝器的主要結構尺寸；4.計算阻力。5.編寫設計說明書(包括：①封面；②目錄；③設計題目（任務書）；④流程示意圖；⑤流程及方案的說明和論證；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。)；6.繪制工藝流程圖、管殼式冷凝器的結構圖（3號圖紙）、及花板布置圖（3號或4號圖紙）。目錄前言 4工藝說明及流程示意圖 4方案論證與確定 5設計計算及說明§1冷凝器的選型計算 7§2校驗計算 9§3其他計算 11設計數據結果概要表 13設計評價及問題討論 13參考文獻目錄 15附錄 151前言1.1設計意義隨著全球對能源需求的不斷增長,各種不可再生資源愈發緊缺。因此，高效合理地利用和配置資源顯得十分重要。管殼式冷凝器在大化工生產中應用極為廣泛，同時作為冷卻系統里的核心設備,成本占到了整個設備的35%以上。因此，完備的設備結構形式以及恰當的工藝設計方法是化工過程穩定運行的保證。準確計算和設計殼管式冷凝器也是降低成本、增加效益的基礎。此次課程設計對于食品工程原理課程內容進行了一個總結，同時可以鍛煉我們各方面的能力：（1）查閱資料，選用公式和搜集數據的能力；（2）樹立既考慮技術上的先進性和可行性，又考慮經濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環境保護的正確設計思想，提高分析和解決實際問題的能力；（3）迅速，準確地進行工程計算能力；（4）用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己的設計思想的能力。1.2設計依據 冷凝器是通過冷熱交換將氣體冷卻冷凝的設備。熱量的傳遞是以溫差為推動力，溫度高的氣體將熱量經過冷凝器管壁傳給溫度低的移熱介質，達到冷凝的目的。管殼式冷凝器水冷不論在技術上還是在能耗和操作費用上均占絕對優勢，也說明了水冷技術在國內外長期使用過程中的技術成熟性[1]。1.3設計內容 確定設計方案；工藝設計；結構設計；繪制工藝流程圖和主體設備結構圖；設計內容概要表2.工藝說明及流程示意圖2.1制冷系統的工藝流程圖1制冷系統工藝流程圖2.2制冷過程的壓焓圖圖2壓焓圖壓縮機將NH3制冷劑在其中進行壓縮（1→2等熵過程），高壓氣體進入水冷式冷凝器，被冷凝為液體（2→3等壓冷卻過程，3→4等壓等溫冷凝過程），液體冷凝劑由冷凝器進入膨脹閥節流減壓（4→5等焓過程）.送入蒸發器，吸熱汽化后的低溫制冷劑氣體（5→1等壓等溫過程）經熱交換器提高過熱度后進入壓縮機重新循環。整個循環過程為1—1’—2’—2—3—4—4’—5’—5—1.其中1—1’為過熱過程,1’—2’為等熵壓縮過程,2’—3為冷卻過程,3—4為冷凝過程，4—4’為過冷過程,4’—5為等焓膨脹過程,5’—1為等壓蒸發過程。制冷中采用回熱循環裝置,其原因在于:可以防止低壓蒸汽夾帶液滴進入壓縮機，因而可以避免液擊。可以提高低壓蒸汽的溫度，減輕壓縮機的吸入蒸汽與氣缸間的熱交換，便于提高壓縮機的輸氣系數；而對于低溫下工作的壓縮機（例如：多級制冷壓縮機的低壓級及重疊式制冷機的低溫級），還可以改善壓縮機的潤滑條件。有時可提高制冷系數。3方案論證和確定冷凝器是制冷系統的四大部件之一，它的作用是把高壓制冷劑蒸汽冷凝成液體制冷劑。在冷庫的制冷裝置中，冷凝器的各種參數的的選定是否合理，直接關系到制冷裝置的制冷效果，安全可靠性和能耗水平。設計方案的確定包括冷凝器型式的選擇,流體流入冷凝器空間的選擇,冷凝劑的選擇及其進出口的溫度的確定等。3.1冷凝器型式的選擇冷凝器的任務是將壓縮機排除的高溫高壓氣態制冷劑冷卻使之液化，主要在立式殼管式和臥式殼管式中選擇。在采用循環用水冷卻的制冷裝置中，臥式水冷式冷凝器結構緊湊、傳熱效果好、冷卻水進出溫差大耗能小，這些都比立式殼管式優勝。唯一的弱點是不易清洗，容易在管內形成水垢而大大降低冷凝效率，而且有漏氨現象時不易發現。克服的辦法是保持循環水的清潔，必要時可對水進行軟化處理，并且要不厭其煩地經常清洗冷卻水管。為節能和節省投資起見，在采用循環用水的水冷式制冷裝置中，應提倡多使用臥式冷凝器。臥式管殼式水冷式冷凝器的傳熱系數大,操作管理方便。目前大、中、小型氨制冷系統及氟利昂制冷系統多采用這種冷凝器。本設計的冷庫冷負荷為1400kw，為大中型冷庫，所以選用這種冷凝設備。3.2制冷劑的選擇對制冷劑的要求有以下幾方面的要求：①熱力學上，在大氣壓力下，制冷劑的沸騰溫度要低；在蒸發器內的壓力應等于或大于大氣壓力；熱導率和傳熱系數高；蒸汽的比容要小，蒸發潛熱大，凝固點愈低而臨界溫度愈高愈好。②物理化學上，制冷劑能溶于油的優點是為壓縮機的潤滑創造有利條件，此外在蒸發器和冷凝器的外表面，不可能形成阻礙熱傳導的油層，缺點是從壓縮機帶出的油量多，且使得蒸發溫度升高；制冷劑微溶于油的優點是，從壓縮機氣缸帶出的油量少，且蒸發器中蒸發溫度穩定，缺點是清除蒸發器和冷凝器內的潤滑油較為困難，因而降低設備的傳熱系數；制冷劑能與壓縮機中水互溶，可以避免制冷系統中形成冰塞；制冷劑對金屬不應有腐蝕作用，不燃燒、不爆炸，在高溫下穩定不分解，與潤滑油不起化學作用；制冷劑滲透性能較弱，如果發生滲漏，要能迅速地確定滲漏處。③生理學上，制冷劑對人的生命和健康不應有危害，不應有毒性和窒息性以及刺激作用。④經濟上，制冷劑應價格便宜，便于獲得。制冷劑的品種很多，目前已達七、八十種。目前常采用的制冷劑有氨、二氧化硫、二氧化碳、氟利昂—11、氟利昂—12、氟利昂—22、丙烷及丙烯等。當前食品冷藏庫制冷系統中大都采用氨或氟利昂作為制冷劑。氟利昂無色，無味，一般對人體無害，對金屬腐蝕小，但氟利昂和水作用，對金屬有腐蝕作用；比重大，流動阻力大，因而需要較大的流通截面；放熱系數低，因此系統的換熱設備要求導熱性好（換熱管多為銅管），換熱面積大；單位容積制冷量小，制冷劑的循環量大，因而造成較大的動力消耗；易于泄漏，而且不易發現，對設備的密封有較高的要求，同時檢漏較麻煩；價格昂貴，成本高。氨蒸汽無色，有刺激性氣味，因而氨的泄漏易于發覺。氨對鋼鐵不腐蝕，但當系統中含有水分時將對銅及銅合金（磷青銅除外）造成腐蝕，固氨制冷系統一般不采用銅及銅合金，只有易于潤滑的活塞，密封環等才允許采用高錫磷青銅。氨的比重小，流動阻力小，與氟利昂制冷系統比較，其流通截面積可以大為縮小。氨易溶于水，系統不易發生“冰塞”現象。氨的放熱系數高，故氨系統的換熱設備可以較氟利昂系統的簡單。氨的單位容積制冷能力大、比較容易取得、價格也比較便宜。蒸發壓力和冷凝壓力適中，常壓下其蒸發溫度-33.4℃，冷凝壓力一般不超過16kgf/cm2[1]，所以在本設計中制冷劑選擇氨（NH3）。3.3流體流入空間的選擇流體流入空間的確定一般可以從以下幾個方面考慮：不潔凈或結垢的物料應當流經易清洗的一側；要保證管內和管外都有適當的流速,以保證有較高的傳熱系數；有腐蝕性的流體應流管內；飽和蒸汽一般應通入殼程,以便排出冷凝液,而且蒸汽較清潔；被冷卻物料一般走殼程，便于散熱，減少冷凝劑用量。被設計，冷卻水為江河水,比較臟或硬度較高,受熱容易結垢,流管內便于清洗。而本設計的被冷凝劑為NH3,冷卻介質為河水。所以選擇河水走管程，NH3走殼程。3.4流速的選擇選擇正確的流速十分重要,一般盡可能使流體的Re>104.如果增大管內冷卻水的流速，傳熱膜系數增大，對增強傳熱效果是有利的，同時也減少污垢在管子表面沉積的可能性而降低污垢熱阻，從而使K值提高，所需傳熱面積減少，設備投資費減少；但是實際上，鋼管內冷卻水的流速過大，會導致管壁腐蝕增加，流動阻力增大，從而使功率消耗迅速增大，故對于鋼管，一般流速可取0.8—1.2m/s左右為宜。根據設計指導書表一以及其他參考書的數據,選擇流速為1.4m/s。3.5冷卻劑的進出口溫度的確定本方案冷卻劑的進口溫度t1為6~10℃，取為t1=10℃。而一般臥式管殼式冷凝器冷卻劑的進出口的溫度之差為4～6℃，按照設計指導書，冷卻水的出口溫度的選擇至關重要，選用較低的出口溫度，則用水量大，操作費用高，但傳熱平均溫差較大，所需傳熱面積較小，設備費也較低。因此，綜合考慮冷卻水的費用和設備投資費，我們選定冷卻水的出口溫度本方案取為比進口水溫度多4℃，所以出口溫度t2=t1+4℃=14℃。3.6制冷劑蒸發溫度T0、冷凝溫度Tk、過冷溫度Tu、過熱溫度Tn的確定本方案蒸發器中以鹽水作載冷劑，T0應比庫內空氣溫度低4～6℃，而一般冷庫空氣溫度為0～4℃，故設氨的蒸發溫度T0設為0℃。對于臥式管殼式冷凝器，用水作冷卻劑時，氨的冷凝溫度一般比冷卻劑的出口溫度高4～5℃，則氨的冷凝溫度Tk＝t2＋4℃＝18℃;過冷溫度一般比水的進口溫度高3℃，故Tu=t1+3=13℃；過熱溫度一般比蒸發溫度高3--4℃，故Tn=T0+3℃=3℃。3.7管體材料及管型的選定雖然銅管比鋼管有較大的熱導率，但銅管的價格也比鋼管高許多，選用鋼管將會使設備的初投資較低。而NH3有較大的放熱系數，即使用鋼管也不需要很大的傳熱面積，能達到既定的要求。氨對鋼鐵不腐蝕，但當系統中含有水分時將對銅及銅合金（磷青銅除外）造成腐蝕，故氨制冷系統一般不采用銅及銅合金，只有易于潤滑的活塞，密封環等才允許采用高錫磷青銅。冷凝器設計常用的換熱管管徑為19mm、25mm和38mm。對無污垢的常壓下的流體,如工藝系統對流體通過冷凝器的壓力降沒有特殊要求,換熱管管徑可取19mm;介質易結垢的,管徑可放大,取25mm,不要取得太大。換熱管管徑太大,管內流體的實際流速變小,污垢更易沉積、使給熱系數降低;管徑太大,即使在同樣的流速下雷諾數變小,湍流程度降低,給熱系數也要變小,對換熱都是不利的。[2]經綜合考慮，本設計中選取φ38×2.5mm的無縫光滑鋼管。4.設計計算與說明4.1冷凝器的選型計算冷凝器的選型計算主要是確定冷凝器的傳熱面積,計算冷凝水用量及其流過冷凝器的組阻力損失,以選定適用型號的冷凝器。冷凝器的設計計算還需要進行冷凝器的結構規劃,即通過計算確定冷凝器的直徑、冷凝管長、管數及其排列方式等。4.1.1冷凝器的熱負荷由蒸發溫度t0=0℃、冷凝溫度tk=18℃，從設計指導書圖3(b)查得=1.071，又根據要求Q0=1500kW，則熱負荷QL=ΦQ0=1.071×1500=1606kw因為熱負荷適中,操作負荷略大,管型直徑要求也要適中,所以選3臺冷凝器并聯,以求獲得較大功率，最大程度降低機器成本。因此,QL=QL總/N=1606/3=535kw=535000w4.1.2冷凝器的傳熱面積F根據設計指導書表4，因本設計的冷凝器型式為臥式管殼式（氨），范圍為700~900[W/(㎡·K)],因此設定傳熱系數K=900W/m2·K，且則傳熱面積4.1.3冷凝器冷卻水用量M因為河水淡水為冷卻水,所以Cp=4.188kJ/(kg·K)[3]冷卻水用量M=4.1.4單程管數選取規格為Φ38×2.5mm的光滑無縫鋼管，則d0=38mm，di=2.5mm，δp=33mm取冷凝管為6m長.∵，式中：V——管內流體（即冷卻水）的體積流量，m3/s；d——管子內徑，m；u——流體流速，m/s。其中,且取值u=1.4m/s∴故取整為27根。4.1.5管程數式中：L——按單程計算的管長，m——選定的每程管長，m一般管材出廠規格為6m長,所以取∴又∵管程數為偶數較為方便,則取管程數為6程。4.1.6總管數Nr（多管程）（根）4.1.7管子在管板上的排列方式、管心距a及偏轉角aa.排列方式管子在管板上的排列方式有三種：同心圓法、正三角形法和正方形法。當殼程流體是不污濁性介質時，采用正三角形。氨符合這一要求，故將管子在管板上排列方式取正三角形法。管心距根據設計指導書表8中管子外徑為38mm時,管心距a≥1.25d0=48mm,c.偏轉角偏轉角查表可知:a=7°4.1.8殼體直徑D∵式中：a——管心距，mm；b——最外層的六角形對角線上的管數，查設計指導書表6，總管數為162根時,得b=15；e——六角形最外層管子中心到殼體內壁的距離，一般取e=(1~1.5)d0，此處取e=1×d0=38mm。∴調至最近,故為800mm,并得厚度最小為12mm4.1.9殼體厚度SS=式中：P——操作時之內壓力，N/cm2（表壓）；[]——材料的許用應力；N/cm2——焊縫系數；單面焊縫=0.65雙面焊縫=0.85C——腐蝕程度（0.1~0.8cm）；根據流體的腐蝕性而定；D——外殼內徑，cm。其中，查壓焓圖,冷凝溫度為291K時,得P絕=8.2×105Pa=82.02N/cm2，∴P=P絕—P大=82.02—10.13=71.89N/cm2根據相關資料,選取鋼[σ]為9810N/cm2[4]取單面焊縫為0.65，C取0.7cm，則∴4.2校驗計算4.2.1雷諾數Re本方案定性溫度為12℃,查水物理參數:=999.5kg/m3,=130×10-5Pa·s,Cp=4.188kJ/kg·K,=0.5741W/m·K.速度Re=＞10000流體的流動為湍流狀態，符合設計要求。4.2.2傳熱系數以內表面積為基準，按下式求取：=1．Ao、Am、Ai的計算2．、的計算（1）求∵Nu＝∴a＝（2）求∵溫差℃∴定性溫度℃溫度為15℃時NH3的物性參數為[5]：＝617.5kg/m3＝1187.8KJ／kg＝1.454×10－4Pa·S＝0.4902W/(m·K)a0＝0.725（）0.25＝0.725（）0.25＝4999.983.、的計算查設計指導書表5得，4．、的求出查得管壁導熱系數，同時由前知管壁厚度==4.2.3安全系數的計算（以內表面積為基準）1．理論傳熱面積：2．實際傳熱面積：3.安全系數符合5%--15%的設計要求。4.2.4長徑比的驗算,符合3～8的要求。4.3其它計算4.3.1熱量衡算冷凝水進口溫度為10℃，出口溫度為14℃，冷凝溫度為18℃，蒸發溫度為0℃，過熱溫度3℃。根據氨的過冷溫度一般比進口溫度高3～5℃，可以確定氨的過冷溫度為13℃。由制冷劑的參數查NH3的壓焓圖查得:℃，℃，℃。查氨的壓焓圖[6]得：根據過熱段的焓差與過冷段的焓差相同可以查得：單位制冷量單位時間制冷劑循環量：制冷劑放熱量：制冷劑吸熱量：放熱量=吸熱量,故熱量平衡。4.3.2制冷系數的比較不采用回熱循環時：采用回熱循環時：通過以上的比較，可以看出采用回熱循環得到的制冷系數相對大，單位制冷量也大一些，而循環制冷量相對就小一點。綜合考慮，回熱循環對氨的制冷有幫助。采用回熱循環，也有著其它一些優點。如使膨脹閥前液體適當過冷，可減少節流閃發氣體，對保證供流分配均勻有良好的作用。且低壓蒸氣經過回熱，避免NH3液滴進入壓縮機而發生液擊，損壞壓縮機[7]。所以回熱裝置從對制冷系統的保護作用上來說應采用。4.3.3阻力計算式中：——管道的磨擦阻力系數；——冷卻水流程數；——每根管子的有效長度，m；——管子內直徑，m；——冷卻水在管內的流速，m/s；——重力加速度，m/s2；——局部阻力系數，可近似取為：。其中，在湍流狀態下，鋼管∴水柱5設計結果概要表表1設計結果概要表型式規格:臥式水冷管殼式冷凝器冷卻水（河水）用量(kg/s)31.93冷凝管及核算指標材料光滑無縫鋼管流速(m/s)1.4管徑(mm)38×2.5進口溫度(℃)10管長(m)6出口溫度(℃)14管心距(mm)48制冷劑（氨）蒸發溫度(℃)0管排列方式正三角形冷凝溫度(℃)18軸線偏轉角度(度)7過冷溫度（℃）13長徑比7.5雷諾數37804過熱溫度（℃）3實際傳熱系數(m2)143.18理論傳熱系數(m2)132.36循環量(kg/s)0.08面積安全系數7.55%殼體內徑(mm)800傳熱面積(m2)103.02壁厚(mm)11.535傳熱系數(W/m2K)700.51冷卻水阻力4.67mH2O冷庫冷負荷(KW)1606冷凝器熱負荷(KW)5356設計評價及問題討論雖然此次管殼式冷凝器設計的處理量超過1600kW,需要的制冷能力不算太大，但是要達到很好的制冷效果，也經過多次的內徑和管數等的調整都不能實現單殼程的冷凝器,所以需要把多個冷卻器并聯起來,才能把數據調整到一個合理的范圍,這也就一定程度地增加了設計的難度，同時使換熱器設計計算更加復雜，這就要考驗我們的應變能力和自主學習能力，而我們必須要提高的，是先通過認真查看指導書，明白設計流程，進而查找有關資料文獻和綜合處理數據的能力以及在圖形設計方面的軟件知識。列管式冷凝器的結構圖及花板布置圖用AutoCAD繪制。使冷凝器的設計更加精確和規范化。這要求同學們對AutoCAD有一定的了解。也令同學們從中學會了一種基本制圖軟件,而且鍛煉了同學們的動手能力和創新能力。同時加深了對管殼式冷凝器的理解。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，讓我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。我深刻體會到只有課內課外相結合，設計才能符合實際，才能真正用于實際生產中。此次列管式換熱器的設計，有一定的難度，計算量很大，而且要進行多次的設計方法，因為并不是一次定好條件，就完全符合。特別是在校核中的各項，實際流速、雷諾數、傳熱面積、安全系數等要經過多次的演算。但是自身在不斷地設計和修改之后就發現它其實沒有想象中的那么難，就好像一條全面的計算題，而最難的任務就是反過來去設計一個符合處理任務的最佳換熱器。這就要求我們對換熱器要進行優化設計。即采用優化方法使設計的換熱器滿足最優的目標函數和約束條件。也就是要使包括設備費用和操作費用在內的總費用最小。由于影響換熱過程的因素復雜，且換熱器的種類繁多，結構各異，使得冷凝器的優化設計求解過程比較困難。由于時間和對冷凝器廣度和深度理解的限制，很難對其進行優化設計。這次設計的主要設計參數都在上表，通過上表可以看出這次冷凝器的設計基本上符合課程設計要求，各項指標均能達到要求。總體來說，這次課程設計還是成功的。但是，具體的問題和不足有以下幾項：1．此次設計的難度較大，因為所給條件非常有限，例如指導書上的圖形，尤其是制冷系數的圖并沒有全面，25℃以下的系數無法查閱，這就需要我們去查表了，而實際上是大部分數據要自己查資料和看表，而很多參數很難找到，也很容易混淆，所以中間走了不少彎路。另外，發現不同的參考資料的參數也有一些差別，這使我們很難做出正確的選擇。由于參考數據的來源不同，查圖表過程中也會出現不可避免的誤差，所以導致設計結果會存在一定的誤差。2．運算量大，數據關聯性很大，過程中如果出現不符合要求的數據就得重新再運算，所以要反復嘗試新的設計規格，使雷諾數、傳熱面積、安全系數等符合設計要求。對于校核中的各項，實際流速、雷諾數、傳熱面積、安全系數等經過了反復的重新演算，在合理范圍之外的時候，就重新在設定的管數等等修改，這也增加了我們完成設計的難度，但是經過多次修正，還是得到了較為合理數據。3．Δt的大小主要由冷卻水的進出口溫度、冷凝劑的冷凝溫度決定。從中可以看出它的取值非常重要，同時還涉及傳熱系數的數值，因此要擇最佳溫度以確保合適的平均溫差Δt。而且，因為不清楚大概的工藝條件，很難一下子選定一個正確的方案，例如在內徑、長度的選取時，沒有處理量對應的數據，需要不斷的摸索，最后才能符合長徑比；本設計由于計算次數有限，未能進行多次的選擇，所得數據未必最佳，是一個非常需要耐心和細心的工作。若用計算機編程對有關系數進行篩選，則可以優化所選的數據，且可以節約時間。但本設計由于水平、時間有限，未能進行編程處理，設計存在缺陷。4.經濟的因素考慮得不夠。冷凝器設計的成敗在很大程度上取決于工作者對工程概念的認識和對生產操作工況的熟練程度，這些都要求我們不斷積累經驗，根據系統的要求采取有針對性的措施，真正達到系統優化和節能的目的。【8】總的來說，本次課程設計是一次理論聯系實際的實操。通過本次課程設計，我們的獨立工作能力、計算能力、設計動手能力都得到了極大的提高。雖然設計出來的冷凝器在一定程度上不成熟，但設計過程中，對課本的知識掌握得更加清晰、牢固了。在設計的過程中鍛煉了我們的統籌、創新、綜合運用知識的能力；在反復復雜的演算過程中既鍛煉了我們的計算能力，鍛煉了耐性。這是一個非常難忘、獲益匪淺的一次設計作業。

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