食品工程原理课程设计管壳式冷凝器.docx
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食品工程原理课程设计管壳式冷凝器
食品工程原理课程设计
管壳式冷凝器设计
班级:
姓名:
学号:
设计时间
目录
(一)设计任务书·····································································································3
(二)设计方案的确定······························································································3
(三)冷凝器的选型计算··························································································4
(四)核算安全系数··································································································6
(五)列管式换热器零部件的设计········································································8
(六)设计概要表··································································································10
(七)主体设备结构图···························································································10
(八)设计评价与讨论··························································································11
(九)参考文献········································································································11
(一)食品科学与工程设计任务书
一、设计题目:
列管式冷却器设计
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=3000KW;
2、高温库,工作温度0~4℃,采用回热循环;
3、冷凝器用河水为冷却剂,可取进水温度为13~26℃;
4、传热面积安全系数5~15%。
四、设计要求:
1.对确定的设计方案进行简要论述;
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:
①.封面;②.目录;③.设计题目;④.流程示意图;⑤.流程及方案的说明和论证;⑥设计计算及说明;⑦主体设备结构图;⑧设计结果概要表;⑨对设计的评价及问题讨论;⑩参考文献。
)
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)。
备注:
参考文献格式:
期刊格式为:
作者姓名.出版年.论文题目.刊物名称.卷号(期号):
起止页码。
专著格式为:
作者姓名.出版年.专著书名.出版社名.起止页码。
(二)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
选择卧式壳管式冷凝器(管束采用光滑钢管)、R717(氨气)做冷凝剂,原因有:
1.卧式壳管式结构紧凑、传热效果好、冷却水进出口温差大,耗水量小。
2.氨气较氟利昂环保,其卧式壳管冷凝器的传热性能也比氟利昂高。
以氨作为制冷剂,能制取0℃以下的低温;维修简单、操作方便、易于管理;氨价格低廉,来源充足;对大气臭氧层无破坏作用;钢材及冷却水消耗量大;热力系数较低。
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(氨)走壳程。
三、流速选择
根据后面的各种计算因素互相制约,最终确定:
管内冷却水流速ui=1.412m/s;管外冷凝剂(氨)流速uo=0.35m/s。
1.流速增大可以提高膜传热系数,总传热提高,减少需要的传热面积,从而降低机器成本,尽可能使得Re>104;同时减少结垢,从而减少结垢热阻,减少清洁量;
2.流速过大,会增大流体阻力,消耗能量,常用流速范围0.5~3m/s。
四、冷却剂适宜出口温度的确定
任务书要求进水温度为13~26℃,选择进口温度t1=15°C。
卧式冷凝器的端部最大温差(tk-t1)可取7~14°C,冷却水进口温差为4~10°C。
提高冷凝器的传热平均温差△
,可以冷凝器的传热面积
,从而减少传热面积、降低成本。
前提是出口水温度t2不能高于冷凝剂的冷凝温度tk,跨程温差小于28°C。
所以确定出口水温度t2=21°C,冷凝剂(氨)的冷凝温度tk=25°C。
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φ可以有效降低热负荷。
其中热负荷系数φ受冷凝温度和蒸发温度影响,由《“食品科学与工程原理”课程设计指导书》的图3(b),蒸发温度to提高,可以降低热负荷系数φ。
由于冷凝剂的蒸发温度要比工作温度低8~10°C,已知工作温度为0~4°C,即to取值-8~-4°C。
综上所述,确定蒸发温度to=-5°C。
由指导书p6,冷凝器内过冷一般不小于1°C,取过冷温度tg=20.
六、管体材料及管型的选择
选取规格为25×2.5的换热器用普通无缝钢管,则d0=25mm,di=20mm,δp=2.5mm
(三)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
Kw
式中:
QL――冷凝器的热负荷;
Q0――制冷量;Qo=3000kw。
φ――系数,与蒸发温度t0、冷凝温度tK、气缸冷却方式以及制冷剂种类有关。
可由指导书图3(b)查出。
蒸发温度to=-5°C,冷凝剂(氨)的冷凝温度tk=25°C,得系数φ=1.13。
QL总=1.13×3000kw=3390kw。
由于热负荷很大,冷凝器的操作负荷也高,因此采用多管程设计冷凝器,7台冷凝剂并联,以降低机器成本。
并联数N=7,则各台冷凝器的热负荷QL=QL总/N=484285.7143w。
二.预算冷凝器的传热面积
在水冷式冷凝器中,卧式管壳冷凝器的制冷剂在管外冷凝,冷却水在管内流动。
式中:
F――冷凝器的传热面积,m2;
K――传热系数,w/(m2·K);
Δt――传热平均温度差,℃;
q――单位面积热负荷,w/m2。
根据指导书的表4,卧式管壳式(氨)冷凝器的传热系数K=800w/(m2·K)。
△
=
=6.54814
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:
kg/h
式中:
QL――冷凝器的热负荷,Kw;
CP――冷却水的定压比热,kJ/(kg·K),淡水取4.186;
t1、t2――冷却水进、出冷凝器的温度,K或℃。
则
且体积流量
=19.28kg/s。
冷却水体积V=
m3/s(ρ=998kg/m3)
四.管数、管程数
1.管数由下式求得单程管子总数n
式中:
V——管内流体的体积流量,m3/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25×2.5的热交换用普通无缝钢管,其内径d=20mm。
而流体的流速u=1.412m/s。
则
取整n=44.
2.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,m2;A取预算传热面积;
其他符号同前,
m,
则管程数为m
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l=6m。
m=33.46/6=5.58,取整m=6.
采用6管程后,冷凝器的总管数NT为:
NT=n·m=264根
(四)核算安全系数
一.光管水冷凝器的传热系数
1.管外制冷剂冷凝膜系数αo
式中:
r——饱和氨蒸汽的冷凝潜热,kJ/kg;
Λo——氨气饱和液的导热系数,W/(m·k);
μo——氨气饱和液的粘度,pa·s;
Z——管束在垂直面上的列数;
△T——蒸汽的饱和温度和壁面温差,°C;
其中,查相关资料[3],r=283.6kcal/kg=1186582.4kJ/kg,
Λo=0.425kcal/m·h·°C=0.49394W/(m·k),
μo=0.0000155kg·s/m2=0.0001519pa·s,
正三角形错排时,Z=0.6NT0.5=9.748,取整Z=10,
△T=Tk-T壁,壁温T壁总是接近对流传热系数较大的一侧流体的温度,取比水流平均温度高1°C,水流平均温度=(t1+t2)/2,则△T=Tk-(t1+t2)/2-1=6°C,
w/m2·k。
2.管内冷却水的传热膜系数
应用范围:
Re>10000,0.7 水被加热n=0.4, 定性温度: 流体进出口温度的算术平均值 °C; 本方案定性温度为17.5℃,根据相关资料[1],水的物性参数: ρ=998.2kg/m3,μ=100.42×10--5Pa·s,Cp=4.183×103J/(kg·K),λ=0.5985W/(m·k)。 Re= =28065.64 w/m2·k。 3.以管外表面积为基准的Ko; 式中: Aq——基管外表面积,㎡;Aq=∏do·l·NT=124.3m2; Ai——基管内表面积,㎡;Ai=∏di·l·NT=99.48m2; Am——基管平均面积,㎡;Am=(Aq+Ai)/2=11.9m2; δp——管壁厚度,m;δp=0.0025m; λp——管壁导热系数,w/(m·k),λp=56w(/m·k); Ro——制冷剂侧污垢热阻,㎡k/w;根据指导书表5,Ro=0.35×10-3~0.6×10-3,本方案取Ro=0.5×10-3。 Ri——水侧垢层热阻㎡k/w;根据指导书表5,澄清的河水水流速为1.412m/s>1m/s,则取Ri=0.18×10-3㎡·k/w。 =830.44w/m2·*k 二.安全系数 1.理论传热面积 A理=QL/(Ko·△t)=89.06m2, 2.实际传热面积 A实际=NT×π×l×di=99.526m2, 3.安全系数 X= 11.75%,符合安全系数要求(5%~15%)。 (五)列管式换热器零部件的设计 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。 式中: λ——管道的磨擦阻力系数: 在湍流状态下,钢管λ=0.22Re-0.2;本设计所用为钢管则: λ=0.22Re-0.2=0.22×28065.6-0.2=0.02837; Z——冷却水流程数;Z=管程m=6; L——每根管子的有效长度,m;L=6m; d——管子内直径,m;di=0.02m; u——冷却水在管内的流速,m/s;ui=1.412m/s; g——重力加速度,m/s2 ∑ε——局部阻力系数,可近似取为: ∑ε=4Z=4×6=24。 =6.12mH2O。 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=25mm,其管心距a=32mm,偏转角α=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(b-1)+2e 式中: D――壳体的内径,mm; a――管心距,mm;查指导书的表8,do=0.025m对应a=32; b――最外层的六角形对角线上的管数;查表6,总管数为264,对应最外层六角形对角线上的管数为b=17。 e――六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离。 一般取e=(1~1.5)do 本设计方案取e=1do=25mm, 故D=a(b-1)+2e=32×(17-1)+2×25=562mm 由于壳径的计算值应圆整到最靠近的部颁标准尺寸,根据指导书表9,取D=600mm。 故六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离e=44mm 3、壳体厚度 当换热器受内压时,外壳的厚度s可以用下式计算: 式中: s——外壳壁厚,cm; P——操作时之内压力,N/c㎡(表压);查压焓图,冷凝温度tk时,氨气的分压为5.54bar=57.97N/m2, [σ]——材料的许用应力,N/c㎡;根据相关资料,钢管的[σ]=18400N/c㎡; ψ——焊缝系数,单面焊缝ψ=0.65,双面焊缝ψ=0.85;本设计采用双面焊缝,ψ=0.85。 c——腐蚀裕度,其值在(0.1~0.8)cm之间,根据流体的腐蚀性而定;本设计取腐蚀裕度c=0.8cm。 Di——外壳内径,cm。 查相关资料,标准壳体内径为600mm对应最小壁厚为10mm,而 =0.6114cm。 三.热量衡算 1.回热循环: 设计过冷温度tg=20°C,查R717(氨)的压焓图、焓湿图,得循环的1,2,3,4点的焓值分别为: h1=1484kJ/kg,h2=1516kJ/kg,h3=h4=292.65kJ/kg. 2.单位制冷量 qo=h1-h4=1191.35kJ/kg, 3.制冷循环量 G=QL/qo=3390/1191.35kg/s=0.4065; 4.制冷剂的总放热量 Qk=G(h2-h1)=497.29kw 5.热量衡算 本方案符合设计要求: Qk≈QL (六)设计概要表 类型 项目 指标 类型 项目 指标 冷 凝 器 冷凝器类型 卧式列管冷凝器 冷 却 剂 管内流速 1.412m/s 并联台数 7 进口温度 15°C 壳体内径 562mm 出口温度 21°C 壳体壁厚 0.6114cm 冷却水用量 0.0193kg/s 每台机热负荷 3390kw Re 28065.64429 安全系数 11.75% 冷却水阻力 6.12mH2O 管 道 换热管类型 Ф25×2.5mm光滑无缝钢管 制 冷 剂 氨气 R717 总管数 264 管外流速 0.35m/s 每程管数 44 蒸发温度 -5°C 管程数 6 冷凝温度 25°C 管长 6 过冷温度 20°C 管子的排列方式 正三角形排列 单位制冷量 1191.35kJ/kg 管心距 32mm 制冷循环量 0.4065kg/s 偏心角 7° (七)主体设备结构图 回热器 压缩机 节流阀 蒸发器 冷凝器(并联) 图2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,同压缩气体进行热交换后又进入压缩机中被压缩。 (八)设计评论与讨论 本设计基本符合冷凝器的计算、技术要求,用水量较低,管程为双数,操作比单数管程简单,外膜与内膜传热系数都5000w/m2·k左右,能较好地实现传热冷却,有效降低操作成本。 每台的传热面积要求一般,可以减低管束费用,从而减低冷凝器设备成本。 回热循环既可减轻或消除吸汽管道中的有害过热,又能使液态制冷剂过冷。 但也存在缺陷,并联态数有7台,对附件的布置要求高,在管道的费用较高。 计算叫复杂,仍可能存在误差、计算错误,离实际应用还有很大距离。 对于氨做冷凝剂的冷凝器,回热循环对制冷无大的变化。 参考文献: [1]李云飞,葛克山.中国农业大学出版社.《食品工程原理》.2008. [2]《制冷工程设计手册》编写组.中国建筑工业出版社.制冷工程设计手册.1978. [3]彦启森,申江,石文星.中国建筑工业出版社.《制冷技术及其应用》2006
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