1、目 录 食品工程原理课程设计任务书2流程示意图3设计方案的确定4冷凝器的造型计算6核算安全系数 8管壳式冷凝器零部件的设计10设计概要表 12主要符号表 13主体设备结构图 14设计评论及讨论14参考文献15（一）食品科学与工程设计任务书一、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 Q0=1700KW；2、高温库，工作温度 04，采用回热循环；3、冷凝器用河水为冷却剂，取进水温度为 2628；4、传热面积安全系数 515%。四、设计要求：1.对确定的设计方案进行简要论述；
2、2.物料衡算、热量衡算；3.确定列管壳式冷却器的主要结构尺寸；4.计算阻力；5. 编写设计说明书（包括：.封面；.目录；.设计题目；.流程示意图；.流程及方案的说明和论证；设计计算及说明；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。 ）6.绘制工艺流程图、管壳式冷凝器的的结构（3 号图纸） 、花板布置图（3号或 4 号图纸） 。（二）流程示意图流程图说明：本制冷循环选用卧式管壳式冷凝器，选用氨作制冷剂，采用回热循环，共分为 4 个阶段，分别是压缩、冷凝、膨胀、蒸发。1 2 由蒸发器内所产生的低压低温蒸汽被压缩机吸入压缩机气缸，经压缩后温度升高；2 3 高温高压的 F22
3、蒸汽进入冷凝器；F 22 蒸汽在冷凝器中受冷却水的冷却，放出热量后由气体变成液态氨。4 4 液态 F22 不断贮存在贮氨器中；4 5 使用时 F22 液经膨胀阀作用后其压力、温度降低，并进入蒸发器；5 1 低压的 F22 蒸汽在蒸发器中不断的吸收周围的热量而汽化，然后又被压缩机吸入，从而形成一个循环。5 1 是一个回热循环。本实验采用卧式壳管式冷凝器，其具有结构紧凑，传热效果好等特点。所设计的卧式管壳式冷凝器采用管内多程式结构，冷却水走管程，F22 蒸汽走壳程。采用多管程排列，加大传热膜系数，增大进，出口水的温差，减少冷却水的用量。（三）设计方案的确定设计方案的确定包括制冷剂的选择、冷凝器型式
4、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。一、冷凝器造型与冷凝剂的选择本次设计是以河水为冷却剂，本人选择氨高效卧式冷凝器为设计对象。此冷却系统的原理是将压缩机排出的高温、高压氨气等压冷凝成液体，在冷库中蒸发，带走待冷物料的热量，起到冷却物料的效果。本方案采用 F22 为制冷剂， F22 化学式为 CHF Cl，名称为二氟一氯2甲烷，标准沸点为40.8，凝固温度为160，不燃烧，不爆炸，无色，无味。冷凝器型式的选择：本方案采用卧式壳管式冷凝器。卧式管壳式水冷凝器的优点是：1、结构紧凑，体积比立式壳管式的小；2、传热系数比立式壳管式的大；3、冷却水进、出口温差大，耗水量
5、少；4、为增加其传热面积，F-22 所用的管道采用低肋管；5、室内布置，操作较为方便。二、流体流入空间选择由于冷却剂为河水，根据不洁净或易结垢的物料应当流经易清洗的一侧，饱和蒸汽一般应通入壳程，以便排出冷凝液，被冷却物料一般走壳程，便于散热和减少冷却剂用量，所以确定冷却水走管程，冷凝剂（F22）走壳程。三、流速选择查得列管换热器管内水的流速，管程为 0.53m/s，壳程 0.21.5m/s2 ；根据本设计制冷剂和冷却剂的性质，综合考虑冷却效率和操作费用，本方案选择流速为 1.5m/s。四、冷却剂适宜出口温度的确定任务书要求进水温度为 2628，选择进口温度 =26C。卧式冷凝器的端部最大温差（
6、t -t ）可取 714C，冷却水进口温差为 410C。k1提高冷凝器的传热平均温差 可以冷凝器的传热面积2k1t-lnt，从而减少传热面积、降低成本。前提是出口水温度不能 高于qQtKFL冷凝剂的冷凝温度 t ，跨程温差小于 28C。所以确定出口水温度 =32C，k冷凝剂（F22 ）的冷凝温度 t =35C。k五、冷凝剂的蒸发温度和过冷温度确定冷凝器的热负荷 ，减少系数 可以有效降低热负荷。其中热负0QL荷系数 受冷凝温度和蒸发温度影响，蒸发温度 t 提高，可以降低热负荷系数0。由于冷凝剂的蒸发温度要比工作温度低 810，已知工作温度为 04，即 t 取值-8-4。综上所述，确定蒸发温度 t
7、 =-10。0 0冷凝器内过冷一般不小于 1，取过冷温度 t =32。g六、管体材料及管型的选择选取规格为 382.5 的换热器用普通无缝钢管，则d =38mm，d =33mm，p=2.5mm0i（四）冷凝器的造型计算冷凝器的任务是将压缩机排出的高温高压气态制冷剂冷却使之液化。一、冷凝器的热负荷0QL式中：QL冷凝器的热负荷；Kw制冷量； =1700kw。00系数，与蒸发温度 t 、冷凝温度 t 、气缸冷却方式以及制冷剂种类K有关。蒸发温度 t =-10，冷凝剂（F22）的冷凝温度 t =35，得系数0 k=1.19。Q 总=1.191700kw= 2023kw 。L二、预算冷凝器的传热面积在
8、水冷式冷凝器中，卧式管壳冷凝器的制冷剂在管外冷凝，冷却水在管内流动。 qQtKFL式中：F 冷凝器的传热面积， m ；2K传热系数，w/（m K） ；t传热平均温度差，；q单位面积热负荷，w/ m 。2，卧式管壳式（氟利昂）冷凝器的传热系数 K800w/ （m K） 。2 = =5.45tkt212ln356-lF29.4.*803三、冷凝器冷却水用量计算水冷式冷凝器的冷却水用量可以用下式求得：hKwtCQMPL/36012式中：QL冷凝器的热负荷，Kw；CP冷却水的定压比热， KJ/（kgK ） ，淡水取 4.186；、 冷却水进、出冷凝器的温度，K 或。t12则:体积流量 =289966.
9、56g/s。360)2(186.40M冷却水体积 V= m3/s（998 kg/m 3）1.3*四、管数、管程数1.管数 由下式求得单程管子总数 nudVn24式中：V管内流体的体积流量，m 3 /s;d管子内直径，m；u流体流速， m/s；查“热交换器用普通无缝钢管”表1，选取规格为 382.5 的热交换用普通无缝钢管，其内径 d33mm。而流体的流速 u1.5 m/s。则： ,取整 n=6417.635.0.482n. 取整后的实际流速 smndVu/48.103.64.4222.管程数 按单程冷凝器计算，管速长度为 L，则式中：F 传热面积，m ；A 取预算传热面积；2L14.3其他符号
10、同前，m，97.603.146FL则：管程数为 m l式中：L按单程计算的管长，m；l选定的每程管长，m；按管材一般出厂规格为 6m，则 l 可取1、1.5、2、3、6m 等，取 l6m。m=69.97/6=11.66，取整 m=12采用 6 管程后，冷凝器的总管数 NT 为：NT=n m=768 根（五）核算安全系数一、雷诺数计算及流型判断冷凝器冷却水用量： skgtCQMpL /5.80)263(18.40)(2 实际流速： su/m48.1雷诺数： 104 5.02.093Re5d所以流型为湍流。二、阻力的计算冷凝器的阻力计算只需计算管层冷却水的阻力，壳程为制冷剂蒸汽冷凝过程，可不计算流
11、动阻力。冷却水的阻力可按下式计算： guZdLHf 22式中： 管道摩擦阻力系数，湍流状态下，钢管 =0.22Re-0.2；Z 冷却水流程数；L 每根管子的有效长度，m；d 管子内直径, m；u 冷却水在管内流速，m/s；g 重力加速度，m/s ；2 局部阻力系数，可近似取为 =4Z。 水 柱mguZdLHf 01.8924.18.9203.417.22 三、安全系数1.管外总传热面积：1A=NTd 0l7683.140.0386549.83 2m2.管内总传热面积：2N Tdl7683.140.0336477.48 23.实际总传热面积：A（ 1 2）/2（549.83+477.48）/2=
12、513.66 24.理论总传热面积： /(K t)=463.99 2mLQ5.安全系数: （513.66-463.99 ）/463.99100%10.7理 理实 际一般要求安全系数为 315（0.030.15） ，故本设计合符要求。（六）管壳式冷凝器零部件的设计一.冷凝器阻力的计算冷凝器的阻力计算只需计算管程冷却水的阻力，壳程为制冷剂蒸汽冷凝过程，可不计算流动阻力。 guZdLHf 22式中：管道的磨擦阻力系数：在湍流状态下，钢管 =0.22Re0.2；本设计所用为钢管则: =0.22Re0.2=0.2228065.6-0.2=0.02837；Z冷却水流程数； Z=管程 m=6；L每根管子的有
13、效长度，m； L=6m；d管子内直径，m； d =0.02m；iu冷却水在管内的流速，m/s； u =1.412 m/s；ig重力加速度，m/s2局部阻力系数，可近似取为：=4Z =46=24。=6.12mH2O。guZdLHf22二.壳体内径、厚度的计算1. 管心距、偏转角查指导书的表 8，管子外径 do=38mm，其管心距 a=47mm，偏转角 =7。2. 壳体内径壳体的内径应等于或稍大于管板的直径。所以，从管板直径的计算可以决定壳体的内径。通常按下式确定壳体的内径：D=a（b1）2e式中：D壳体的内径，mm；a 管心距，mm ；do=0.025m 对应 a=32;b最外层的六角形对角线上
14、的管数；查表得，总管数为 264，对应最外层六角形对角线上的管数为 b=39。e 六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离。一般取e（11.5） do本设计方案取 e1do25 mm，故 D=a（b 1）2e47（391）21.4331878.4mm由于壳径的计算值应圆整到最靠近的部颁标准尺寸，查表得：取D2000mm。3、壳体厚度式中：s 外壳壁厚，cm； CPDs2P 操作时的内压力，N/cm （表压） ，根据壁温查得为 80.8N/cm ；2 2 材料的许用应力， N/cm ；2查得不锈无缝管 YB804-70 的许用应力是 13230 N/cm2 焊缝系数，单面焊缝为 0.65，双面焊缝为
15、0.85；（取单面焊缝）C 腐蚀裕度，其值在（0.10.8）cm 之间，根据流体的腐蚀性而定；取 0.7D 外壳内径，cm 。 cms 64.1708.65.0132*8适当考虑安全系数及开孔的强度补偿措施，决定取 s=17mm三、热量衡算1. 回热循环：1 122334lgPhh1 h2h3=h4图 1 压焓图设计过冷温度 t =32，查 F22 (氟利昂)的压焓图、焓湿图，得循环的g1，2，3，4 点的焓值分别为：h =1484kJ/kg, h =1516kJ/kg, h =h =292.65kJ/kg.2342. 单位制冷量qo=h1-h4=1191.35kJ/kg，3. 制冷循环量G=
16、Q /q =2023/1191.35kg/s=1.70;L04. 制冷剂的总放热量Q =G（h2-h1）=2213.45kwK5. 热量衡算本方案符合设计要求：Q QkL（七）设计概要表类型 项目 指标 类型 项目 指标冷凝器类型 卧式列管冷凝器 管内流速 1.5m/s并联台数 7 进口温度 26C壳体内径 1878mm 出口温度 32C壳体壁厚 0.17cm 冷却水用量 88.55kg/s每台机热负荷 2023kw Re 60836.65冷凝器安全系数 10.7%冷却剂冷却水阻力 6.12mH2O换热管类型 382.5mm 光滑无缝钢管 氟利昂 F22总管数 768 管外流速 0.35m/s
17、每程管数 64 蒸发温度 -10C管程数 12 冷凝温度 35C管长 6 过冷温度 32C管子的排列方式 正三角形排列 单位制冷量 1191.35kJ/kg管心距 47mm 制冷循环量 0.4065kg/s管道偏心角 7制冷剂（八）主要符号表序号 名称 符号 单位 序号 名称 符号 单位1 焓 i kj/kg 15 壳体 厚度 s mm2 压力 P Pa 16 单位制冷量 q0 kj/kg3 温度 t 17 制冷循环量 G kg/s4 流速 u m/s 18 热负荷 QL kw5 粘度 Pas 19 冷却水用量 M kg/h6 密度 p kg/m3 20 体积流量 V m3/s7 阻力 Hf
18、mH2O 21 传热面积 A m28 比热 Cp J/kgk 22 汽化潜热 r kj/kg9 管径 d m 23 污垢热阻 R m2k/w10 管数 n 24 导热系数11 管程数 m 25 摩擦阻力系数 w/mk12 总管数 NT 26 传热系数 w/m2k13 管心距 a mm 27 传热膜系数 w/m2k14 壳体直径 D mm（九）主体设备结构图流程及原理：经压缩机压缩的氨气先在冷凝器中被冷却，向冷却水放出热量，然后流经回热器被返流水进一步冷却,并进入节流阀绝热膨胀,压缩气体的压力和温度同时下降。膨胀后的氨气进入蒸发器，吸取被冷却物体的热量，即达到制冷的目的。此后，气体返流经过回热器
19、，同压缩气体进行热交换后又进入压缩机中被压缩。具体结构设计图，见附录 CAD 图。（十）设计评论及讨论本设计由给定的冷库冷负荷，进口水温度，高温库工作温度等已知数据来确定出口温度、传热面积、流速、管径等数据来完成设计，其中有部分参数和计算公式需要查找相关资料，如化工手册和实用冷冻手册，各种资料中查出的参考计算公式和数据有所不同，导致再整个设计工程中，设计思路产生分歧，产生几种设计方案，经过反复验证和数据计算才确定其中一种，由于参考数据的来源不同，可能导致设计结果存在误差。其次，计算过程中各个步骤要经过反复的校核，符合要求才能继续，如计算管程数时需校核径比。计算结束后要进行校核，要求雷诺数 Re
20、104，传热系数（700800） ，安全系数在 515内，经过校核计算，都能满足要求，如果压缩机冷凝器（并联）回热器节流阀蒸发器不考虑经济其他因素，这个设计是成功的。这次的课程设计很好地检验了本人掌握工程原理知识的程度，暴露出各种不足之处，让本人可以及时纠正存在的不足和错误，加深我对这门课程的了解，如使我更全面的了解到冷凝器的结构和要求，进一步了解冷凝器的各种知识等，学到了很多书本上没有的东西。我深刻体会到只有课内课外相结合，最后的设计结果才能比较符合实际，在本方案设计过程中，由于受到各种条件的限制，不能更好的解决设计中遇到的问题，所以造成很多不合理或设计不够理想的地方，请老师多多包涵，指出其错漏之处！（十一）参考文献1 李雁,宋贤良.食品工程原理课程设计指导书.华南农业大学印刷厂印刷,20062 李云飞,葛克山. 食品工程原理. 中国轻工业出版社. 20023 高福成. 食品工程原理. 中国轻工业出版社. 1998
