食工原理课程设计-管壳式冷凝器设计

食品工程原理课程设计

管壳式冷凝器设计

设计任务书

华南农业大学食品学院

食品工程原理课程设计任务书

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×100（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:

21~25℃(1班)、6~10℃(2班)、11~15℃(3班)、

16~20℃(4班)、1~5℃(5班)。

4．传热面积安全系数5~15%。

四、设计要求：1．对确定的工艺流程进行简要论述；

2．物料衡算、热量衡算；

3. 确定管壳式冷凝器的主要结构尺寸；

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（任务书）；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（包括校核）；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、管壳式冷凝器的结构图（3号图纸）、及花板布置图（3号或4号图纸）。

1 前言

1.1 设计意义

食品工程原理作为食品科学与工程的最重要的专业课之一，学生要非常熟悉，并掌握其中的原理及懂得如何应用。流体传热、制冷是食品工程原理中最重要的章节，也是运用最多的内容，本课程设计以设计管壳式冷凝器方案为主题，依据食品工程原理中的流体传热、制冷相关知识设计，能很好的考察学生对流体传热、制冷等内容的掌握程度，增强学生思考问题的能力与维度，让学生充分运用课内学习到的知识并结合文献设计出一款合格的管壳式冷凝器。

1.2 文献综述

在各种换热器中，采用最多的是管壳式散热器，其使用的广泛程度接近换热器使用总量的90%。目前，在换热器设计过程中，实现了用计算机进行画图和计算的设计方式，但这同时也造成了设计者对计算机的过度依赖，在进行换热器的设计时，只注重计算结果，忽视了计算过程。对计算过程的忽视，是导致错误结论的主要因素。[1]因此我们要清楚知道计算过程中每一个步骤及相应的原理。近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势[2]。所以懂得如何设计管壳式换热器至关重要。

2 工艺说明及流程示意图

2.1 工艺说明

本设计中的制冷循环为蒸汽压缩式制冷回热循环，采用氨做制冷剂，利用氨发生相变（即液态变气态，气态经压缩再变液态）时的能量变化来实现制冷目的。其工作原理为：利用

制冷剂氨在蒸发器中不断吸收欲降温物体的热量而汽化，产生的低温低压蒸汽由压缩机压缩后，在冷凝器中冷凝成液体，并将冷凝热传给冷却水，从而实现了将热量从低温物体传给高温物体，使低温物体进一步降温的制冷目的。而为了使制冷剂循环使用，冷凝后的液体减压后送回蒸发器，即液体工质经压缩——冷凝——膨胀——蒸发过程的逆卡诺循环。

2.2 流程示意图

制冷系统的工艺流程如下图1所示:

图1 制冷流程示意图

3 设计方案的确定

3.1 制冷剂的选择

制冷剂是在制冷系统中通过相变传递热量的流体，它在低温低压时吸收热量，在高温高压时放出热量。制冷剂作为制冷(热)系统的工作介质。

F-22是为二氟一氯甲烷，为消耗臭氧层物质，为国家限用的制冷剂，我们不用也不提倡大家使用此类制冷剂。从20世纪30年代开始，以R11、R12和R22为代表的CF-Cs和HCFCs制冷剂的大量开发，使得制冷技术得到了飞跃性发展;但在70年代中期，科学家发现CFCs和HCFCs在大气平流层中会消耗大量的臭氧，并且在南极上空造成了臭氧空洞，对地球表面的气候、生物产生了一系列不利影响[3]。

本设计使用氨做制冷剂，氨作为天然、无害的制冷剂，不仅对环境没有污染，还会有许多的优点。国际制冷学会最新的文献[4]提出：在蒸发温度-35℃以上，氨制冷剂的热力性质是所有制冷剂中最佳的，即在蒸发温度-35℃以上，采用氨制冷剂运行能耗最低。

氨工质的主要优点：[5]

1)除空气与水外最廉价的一种制冷工质；

2)标准沸腾温度低，在冷凝器和蒸发器压力适中；

3)单位容积制冷量大，单位冷量所需的制冷剂循环量少，热传导率高气化潜热大；

4)节流损失少，运行效率高；

5)运转压力低，对机器的要求低，冷冻系统材料成本低；

6)有刺激性气味，泄漏时极容易由气味及测漏试纸、试药测出，空气中含有50mg/m3的氨时，人的嗅觉即可分辨；

7)与矿物油不相溶，在低温下与油容易分离，氨比重较油轻，冷冻油往往沉于氨液之下，可方便地对冷冻系统进行回油；

8)常温及低温下热力学性质、化学性质稳定；

9)ODP=0, GWP=0。

3.2　冷却剂的选择

选取河水作为冷却剂，其来源广、经济、方便。

3.3　液体流入冷凝器空间的选择

在管壳室冷凝器中,哪种流体流经管内（管程）、哪一种流体流经管外（壳程）、是关系到该冷凝器的使用是否合理的问题。流体流入空间的确定一般可以从以下几个方面考虑：

（1）不洁净或结垢的物料应当流经易清洗的一侧。固定管板式换热器的直管束管内较易清洗，故一般应通入管内；

耐高温防爆玻璃（2）要保证管内和管外都有适当的流速,鸽钟以保证有较高的传热系数。因此要提高流速以增大其传热膜系数的流体应通入管内；

（3）有腐蚀性的流体应流管内；

（4）压力高的流体应流管内；

（5）饱和蒸汽一般应通入壳程,以便排出冷凝液,而且蒸汽较清洁；

（6）冷凝剂一般走壳程，便于散热减少冷凝剂用量。

综上所述，本次设计使用河水做冷却剂，比较脏，走管程；而冷凝剂氨走壳程。

3.4　液速的选择

流速增大，传热膜系数增大，同时还可以减少污垢在管子表面沉积的可能性而降低污垢热阻，从而使K值提高，所需传热面积减少，设备投资费减少。但增大流速又使流动阻力相应增加，动力消耗即操作费用增加。因此，选择适宜的流速十分重要，一般都尽可能使流动的Re>104。根据设计任务书，流速的范围见下表：

表1 列管换热器工业上常用的流速范围

流体种类肉食加工	流速（m/s）
流体种类肉食加工	管程	壳程
一般液体	0.5~3	0.2~1.5
易结垢液体	＞1	＞0.5
气体塑料机器人	5~30	3~15