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
目录
一、课程设计任务书
(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的制冷剂(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=学生学号最后2位数X100(KW);
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,每班分别可取进口水温度:
17~20℃(1班)、21~24℃(2班)、25~28℃(3班)、13~16℃(4班)、9~12℃(5班)、5~8℃(5班);
4.传热面积安全系数5~15%。
二、流程示意图及说明
流程说明:
制冷机是利用液体汽化时吸热的原理来工作的,制冷机的全套装置包括:
压缩机,冷凝器,回热器,节流阀,蒸发器。
压缩式制冷机的制冷过程分为压缩、冷凝、膨胀、蒸发4个阶段。
低压低温蒸汽在压缩机内压缩成高压高温的过热蒸汽,为等熵过程(1’—2’),该蒸汽温度高与环境介质的温度,其压力使制冷剂蒸汽能在常温下冷凝成液体状态,排至冷凝器时,经冷却,冷凝成高压的制冷剂液体把热量传给冷却水,为等压过程(2’—4).高压液体通过膨胀阀因节流而降压,同时制冷剂液体因沸腾蒸发吸热,其本身温度也相应下降,为等焓过程(4—4’)。
将该低压低温的制冷剂液体引入蒸发器蒸发吸热,发生冷效应,使周围空气及物料温度下降,为等压等温过程(5’—1)。
从蒸发器出来的低压低温蒸汽重新进入压缩机,即完成一次制冷循环。
流程示意图如图1所示:
图1回热循环制冷原理图
三、流程及方案的说明和论证
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、冷却剂的选择以及其进出口的温度的确定等。
1.制冷剂的选择
工业上常用的制冷剂有氨(NH3)、氟利昂-12(CF2Cl2)、氟利昂-22(CHF2Cl)等。
此设计中选用氨(NH3)为制冷剂。
其正常的蒸发温度为-33.4℃,使用范围是+5℃~-70℃,氨易溶于水,在常温下,一个单位容积的水可以溶解700个单位溶剂的氨,因此排除了形成冰塞的可能性。
纯氨对钢铁无腐蚀作用。
另外氨的比重小,与氟利昂制冷系统比较,其流动截面积可以大为缩小。
由于氨制造容易,价格低廉、容易购买、环保,所以广泛应用于蒸发温度在—65℃以上大型、中型、制冷式压缩机中[3]。
基于以上优点,所以选用氨。
2.流体流入空间的选择
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,可以确定冷却水走管程。
在此设计中氨(NH3)走壳程,冷却介质(河水)走管程。
3.流速的选定
流速增大,流体流动产生湍流,有利于传热膜系数的增大,同时还可以减少污垢在管子表面沉积的可能性,从而降低污垢热阻而使K值提高,所需传热面积减少,设备投资费减少。
但过大的流速会使流动阻力增加,动力消耗增加,增加生产成本。
因此,选择正确的流速十分重要,一般尽可能使流体的雷诺常数Re>104,高粘度的流体按滞流设计。
根据一般液体走管程流速大概在0.5—3m/s。
另根据水在室温下的粘度范围查得液体流速范围在1.1m/s~1.5m/s。
此设计中初选用流速为1.4m/s。
4.冷凝器的选型
卧式管壳式属于水冷式冷凝器,这种冷凝设备的冷却效果好,耗水量较小,传热系数大,同时由于高度低便于安装在室内,操作管理方便。
目前大、中型氨制冷系统及氟利昂制冷系统多采用这种冷凝器.因此此设计选用卧式管壳式冷凝器。
5.冷凝温度tk、冷却剂适宜出口温度t2的确定、平均温差Δt、蒸发温度t0的确定
根据指导书要求2班取进口水温度21—24℃,此处t1选用22℃。
制冷剂的冷凝温度和冷却剂的进出口温度的确定十分重要,因为其涉及到经济问题。
从运行费来说,冷凝温度越低制冷系数越大,可以减少压缩剂的耗电量;从设备投资来看,在冷负荷一定时,传热系数越大,传热平均温差越大,所需要的传热面积越少,冷凝器的初投资越低。
这方面正好和运行费用相矛盾,故应全面权衡。
综合考虑后选定进口温度t1=22℃。
(1)冷凝温度tk:
冷凝温度取决于冷却水温度、水量、水的流速、冷凝面积、压缩机的排气量、空气、水垢等因素。
根据指导书中所提的卧式管壳式冷凝器冷凝温度的选择范围(tk-t1)可取7℃~14℃,此设计冷凝温度tk选用32℃。
(2)冷却剂适宜出口温度t2:
根据指导书中所提的卧式管壳式冷凝器进出口温度的选择范围可取4℃~10℃,此设计的出口温度t2选为29℃。
(3)平均温差Δt:
确定了冷凝温度tk、冷却水的进出口温度后,可以根据下式计算平均温差:
℃
(4)蒸发温度t0的确定:
查阅《食品工程原理》和相关资料可知:
蒸发温度一般应比库内温度低8℃~18℃,冷库为高温库,其温度定为0℃,则选定氨气的蒸发温度t0为—10℃。
冷却水的定性温度tf=(t1+t2)/2=25.5℃。
综上:
t0=-10℃,t1=22℃,t2=29℃,tk=32℃,tf=25.5℃。
6.管道材料及管型的选定
由于要防止氨的一定腐蚀性,则选定管道材料为无缝不锈钢,而其管径则选取φ25×2.5mm,管内径di=20㎜,管外径d0=25㎜,管壁厚度δp=2.5㎜,不锈钢管λp=45.4w/(m·k)
四、冷凝器设计计算及说明
1.冷凝器的热负荷QL
冷凝器的热负荷是制冷剂的过热蒸汽在冷凝过程所放出的总热量。
并可用下式简化计算。
根据设计要求,冷库冷负荷Q0=学生学号最后2位数X100(KW),所以Q0=13×100=1300(kw)。
由于1300KW数值过大,计算出来的管数太多,所以本设计用2台冷凝器并联的方式。
则Q0=
(kw)
QL=ΦQ0kw
式中:
QL-----冷凝器的热负荷kwQ0------制冷量kw;此处为650kw
Φ-----系数,与蒸发温度、冷凝温度、汽缸冷却方式及制冷剂的种类有关。
可以从设计指导书中图3查得Φ=1.17,∴QL=650×1.17kw=760.5kw
2.冷凝器的传热面积计算
在水冷式冷凝器中,卧式管壳冷凝器的制冷在管外冷凝,冷却水在管内流动。
其传热面积可用下式计算:
式中:
F———冷凝器得传热面积,m2;QL———冷凝器得热负荷,w;
K———传热系数,w/m2.℃;(由指导书P6的表4中取800w/m2.℃)∆t———传热平均温差,℃;
q———热流密度,w/m2。
∴传热面积
m2
3.冷凝器冷却水用量
水冷式冷凝器的冷却水用量可用下式求得:
㎏/h
式中:
QL——冷凝器的热负荷,kw;Cp——冷却水的定压比热,kJ/kg·K;此处用淡水的,
取4.186kJ/kg·K
t1、t2——冷却水进出冷凝器的温度,K或℃;(t1=22℃,t2=29℃)
∴
㎏/h
4.管数、管程数和管子的排列
(1)管数
选定了管内流速和管径后,可用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。
ρ-------冷却水定性温度下河水的密度,在25.5℃时,ρ=996.9kg/m3
㎏/h=25.958㎏/s
V=M/ρ=25.958/996.9=0.0261m3/s
∴
根,圆整到60根。
(2)管程数
按单程冷凝器计算,管束长度为L,则:
式中:
F———传热面积,㎡;
m
冷凝器的长径比有一定的要求,一般L/D=3-8。
若按单程设计L太长,超过上述长径比范围时,一般可采用多程管解决。
管程数为m,则:
m=L/l
式中:
L------按单程计算的管长,m;
l-------选定的每程管长,m。
考虑到管材的合理利用,按管材一般出厂规格为6m长,则l可取为1,1.5,2,3,6m等。
此处选用l=6m,算出的m取整数。
∴m=L/l=41.37/6=6.9,圆整到7(设计时采用6程)
(3)总管数
总管数Nt=nm=60×7=420(根)
(4)管子在管板上的排列方式及管心距,偏心距
①管的排列方式:
每台冷凝器总管数为420根,考虑到分层隔板会占有一定的面积,为使到排列均匀,所以采用排列方式为正三角形法,并且六角形层数为11层,采用两台冷凝器并联方式。
具体详图见图纸。
②管心距:
采用的管径是φ25×2.5mm,根据指导书的数据以及花板排列的需要,管心距最小管心距一般采用下式计算:
焊接法:
amin=1.25do,并且本设计中管子的连接方法采用焊接法。
但考虑到花板布置时管与管间有隔板的插入,所以相应地管心距要选得大些。
根据指导书P13表7,选用amin=32mm
③偏转角:
当卧式冷凝器的壳程为蒸汽冷凝,且管子按等边三角形排列时,为了减少液膜在列管上的包角及液膜厚度,管板在装置时,其轴线应与设备的水平轴线偏转一定角度。
根据指导书P13表8,偏转角为:
α=7°
(5)壳体直径和壳体厚度的计算
①壳体直径
壳体的直径应等于或稍大于管板的直径。
所以,从管板的计算可以决定壳体的内径。
通常用下式确定:
D=a(b-1)+2e
式中:
D-------壳体内径,mm;
a-------管心距,mm;
b------最外层的六角形对角线上的管数,查指导书P12表6本设计为23根
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)d0,本设计取e=1×25=25㎜.
则D=a(b-1)+2e=32×(23-1)+2×25=754mm,将D圆整到部颁标准尺寸,由指导书P13表9可得D=800mm
②壳体厚度的计算
当热交换器受内压时,外壳的厚度S可用下式计算:
式中:
S--------外壳壁厚,㎝
P------操作时的内压力,N/cm2(表压)
[σ]----材料的许用应力;
φ------焊缝系数,单面焊缝=0.65双面焊缝=0.85,此处选用单面焊缝的0.65;
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,此处选用0.5cm;
Di----外壳内径,80cm.
算出壳体厚度后。
还应该适当考虑安全系数,以及开孔的强度补偿措施,一般都应大于指导书P13表九的最小厚度值。
S>12m(标准最小厚度值),符合设计要求。
6.计算校核
(1)实际流速
(2)雷诺数
di——冷凝管内径,m;
u——水流速度,m/s;
ρ——密度,kg/m3;
——粘度,Pa·s;
用水的定性温度tf=25.5℃查得式中的值:
ρ=996.9kg/m3,
=90.26×10-5Pa·s
符合要求,流体的流动状态是湍流。
(3)传热系数K值的核算
式中:
α0——管外制冷剂冷凝膜系数,w/(m2·K);
αi——管内冷却水的传热膜系数,w/(m2·K);
Ao——基管外表面积,m2;
Ai——基管内表面积,m2;
Am——基管平均面积,m2;
δp——管壁厚度,m;
λp——管壁导热系数,w/(m·K),由查表得λp=45.4w/(m·K)
Ro——制冷剂侧污垢热阻,m2·K/w,本设计的制冷剂是氨,根据指导书的范围(0.35×10-3~0.6×10-3),选0.6×10-3m2·K/w;
Ri——水侧垢层热阻,m2·K/w,根据指导书P12表5,澄清河水的Ri=0.18×10-3m2·K/w;
1Ao、Ai、Am的计算
A0=πd0lNT=3.14×2.5×10-2×6×420=197.82m2
Ai=πdilNT=3.14×2.0×10-2×6×420=158.26m2
因为
/
=1.25
所以Am==
=178.04m2
2αi的计算
其中Cp、μ、λ由水的定性温度tf=25.5℃查得:
Cp=
J/kg·℃,
λ=
w/(m·k),μ=9.026×10-4Pa·s
Pγ=
=
=6.23
Nu=0.023•Re0.8Pγ0.4=0.023×
0.8×6.230.4=184.83W/(m2•K)
αi=
=
=5616.98W/(m2•K)
③α0的计算
α0=0.725•(
)0.25
式中μ、λ、ρ、γ分别为冷凝液的粘度、热导率、密度和汽化潜热;△t、Z、
分别为冷凝液的饱和温度和壁面温度之差、管的高度和管子的外径;n=0.6NT0.5;
此时
twn=
+
=
=26.6℃
△t=tK-twn=32℃-26.6℃=5.4℃
此时定性温度tf=tK-(△t/2)=32-(5.4/2)=29.3℃
查表得:
μ=1.380×10-4N·s/m2,λ=0.47595w/(m·K),ρ=595.955kg/m3,
γ=1147.595kJ/kgn=0.6NT0.5=0.6×4200.5≈13
=
=8.372×
104W/(m2•K)
④∴
=[
+6.0×
10-4+
×
+(1.8×10-4+
)×
]-1=729.93W/(m2•K)
(4)传热面积安全系数的验证
m2
实际的面积:
A0=πd0lNT=3.14×2.5×10-2×6×420=197.82m2
则:
安全系数I=
×100%=9.46%
符合5~15%的要求。
(5)长径比的验算
L/D
式中:
L—每程管长,m;
D—壳体内径,m;
L/D=
7.5符合指导书上3—8范围要求,设计合理。
(6)阻力的计算
冷凝器的阻力计算只需计算管程冷却的阻力,壳程为制冷剂蒸汽冷凝过程,可不计其流动阻力,按下式计算:
式中:
λ—管道摩擦阻力系数;
Z—冷却水流程数,6;
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/s2;
Σε—局部阻力系数,可近似取为Σε=4Z。
湍流状态下,钢管λ=0.22Re-0.2=0.22
-0.2=0.028
7.22mH2O
7.热量衡算
i
图2压焓图
冷凝水进口温度为22℃,出口温度为29℃,冷凝温度为32℃,蒸发温度为-10℃,根据氨的过冷温度一般比进口温度高3~5℃,选用氨的过冷温度27℃。
则得出:
t1=—10℃,t3=t4=32℃,t4/=27℃。
查氨的压焓图得:
h1=1450kJ/kg,
h
h2=1656kJ/kg,h3=1480kJ/kg,h4=h5=355kJ/kg。
根据过热段的焓差与过冷段的焓差相同可以查得:
H1′=1490kJ/kg,h2′=1670kJ/kg,h4′=h5′=317kJ/kg。
单位制冷量q0=h1-h5′=1450-321=1129kJ/kg
循环制冷量
G=
=
=0.5314kg/s
Q放=G×(h2′-h4)=0.5314×(1670-357)=697.73kw
Q吸=G(h1-h5′)+G(h2′-h1′)=0.5314×(1450-317+1670-1490)=697.73kw
∴Q放=Q吸即热量平衡,符合要求。
五、主体设备结构图
冷凝器的花板布置图及卧式壳管式冷凝器结构图(附图)
六、设计结果概要表
表1设计结果概要表
项目
结果
项目
结果
冷凝器类型
卧式管壳式
冷凝器换热管规格
Φ25×2.5不锈无缝钢管
蒸发温度
-10℃
冷凝温度
20℃
冷却水进口温度
12℃
冷却水出口温度
16℃
冷凝器的热负荷
776.25kw
雷诺准数
24800.15
传热平均温差
6.48℃
制冷剂
氨
冷却水流速
1.39m/s
冷却水用量
0.0463m3/s
管程数
4
管长
6m
流程管数
106
总管数
420根
管心距
31.25㎜
管的排列方式
正三角形
壳体外壳厚度
15mm
偏转角
6.4°
壳体内直径
800㎜
实际传热面积
199.70㎡
外表面传热系数
746.61w/㎡k
长径比
7.5
安全系数
9.70%
冷却水阻力
5.05mH2O
冷凝器并联个数
2个
七、设计的评价与总结
1.此次设计的难度较大,因为所给条件有限,大部分要自己查阅相关资料,要处理的数据很多,在设计过程中走了不少弯路。
对于校核中的各项,实际流速、雷诺数、传热面积、安全系数等要经过次的演算才能得到相对合理的数据。
由于参考数据的来源不同,查图表过程中也会出现不可避免的误差,所以导致设计结果会存在一定的误差。
4.在用方面,由于缺乏经验,
6.在整个设计的过程中,遇到了3个较大的困难。
参考资料不够,并且一些资料比较旧,旧到查表时都无法准确读数,这给运算带来了极大的误差。
另外,不同的参考资料的参数也有一些差别,这使我们很难做出正确的选择。
运算量大,数据关联性很大,过程中如果出现不符合要求的数据就得重新再运算,牵一发而动全身,所以要反复尝试新的设计规格,使安全系数等符合要求。
花板图和结构图的设计和绘画有较大困难,经验不足,操作生疏。
通过本次课程设计,使我们的独立工作能力、设计能力、动手能力得到了极大的提高。
在设计的过程中锻炼了我们的统筹、创新、综合运用知识的能力;在反复演算的过程中既锻炼了我们的计算能力及提高了我们EXCEL操作能力,又锻炼了耐性。
最后要感谢老师在整个设计过程中对我们耐心的帮助和指导,使我们能以顺利完成设计。
虽然设计出来的冷凝器在一定程度上不成熟,但设计过程中,我已经体验到了课程设计的乐趣,并且对课本的知识掌握得更加清晰、牢固了。
总的来说,无论从设计结果上,还是过程中学到、体会到的设计思路上,本次设计都算是成功。
八、参考文献
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