管壳式冷凝器设计说明书

1、管壳式冷凝器设计说明书第1页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二目录设计任务书1流程示意图2设计方案3设计计算5设计核算9设计总概要表12设计评价及讨论13附录13参考文献13第2页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二设计任务书一、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（氨）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=1500KW2. 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，可取进口水温度为25284. 传热面积安全系数515%四、设计要求：1. 对确定的工艺流程进行

2、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6. 绘制工艺流程图、管壳式冷凝器结构图及花板布置图第3页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二流程示意图本课程设计任务是将制冷压缩机压缩后的制冷剂（氨）过热蒸汽冷却，冷凝为过冷液体，送去冷库蒸发器使用。涉及的压缩式制冷机主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀等构成，其制冷过程可分为压缩、冷凝、膨胀、蒸发4个阶段，如下图所示：第4页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二 由于本课程设计采用氨回热循环，其实际制冷循环中压焓图如下：在回热循环1 -2 - 2- 3-

3、3 4 - 1的过程中：线1-2：绝热可逆压缩(等熵)。线2-3：等压冷却、冷凝及过冷过程。其中2-2冷却(到饱和蒸汽)(等压)；2-3冷凝(等压,等温)；3-3过冷(等压)。线3-4：节流膨胀(等焓)。 线4-1：蒸发(等压,等温)。实际制冷循环压焓图第5页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二设计方案1冷凝器的选择 综合比较几种常用的水冷式冷凝器，选择卧式壳管式冷凝器，原因是其传热系数大，操作管理方便，经济成本较低，且目前大、中型氨制冷系统及氟利昂制冷系统多采用这种冷凝器，有一定的通用性。第6页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二表1 常用冷凝器的比较冷凝

4、器类型优点缺点使用范围立式壳管式1.可装设在室外露天，节省机房面积；2.清洗方便；3.漏氨易发现。1.传热系数比卧式壳管式低；2.冷却水进出温差小，耗水量大。中型及大型氨制冷装置卧式壳管式1.结构紧凑；2.传热效果好；3.冷却水进出温差大，耗水量小。1.清洗不方便；2.漏氨不易发现。大、中、小氨和氟利昂制冷装置都可采用套管式1.结构简单、制造方便；2.体积小，紧凑；3.传热性能好（水与制冷剂成逆向流动）。1.金属消耗量较大；2.冷却水的流动阻力较大；3.水垢清洗困难。小型氟利昂空调制冷机组沉浸式1.制造简单；2.维修清洗方便；3.安装地位不受限制。1.冷却水在水箱内的流动速度很低，故传热效果差

5、；2.体积大。小型氟利昂制冷装置第7页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二2.制冷剂的选择工业上已采用的制冷剂很多，目前常用的有氨（NH3）、氟利昂-12（CF2Cl2）、氟利昂-22（CHF2Cl）等。氨是应用较广的中温制冷剂，有较好的热力学性质和热物理性质，在常温和普通低温范围内压力比较适中，单位容积制冷量大，在相同制冷量的情况下，系统中的制冷剂循环量较少，氨粘性小，流动阻力小，创热性能好，在制冷系统中不会出现冰塞现象。虽然氨对人体有较大的毒性，氨确实具有强烈刺激臭味，正是由于这样，所以极容易被检验出来，反而成为安全的保证。而且从环境保护角度看，氨比氟利昂制冷剂优越很多。

6、所以选择氨作为制冷剂。第8页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二3流体流入空间的选择流体流入空间的方案中，选择冷却剂（河水）流经管程，制冷剂（氨）流经壳程。原因是：1. 不洁净或易结垢的物料应当流经易清洗的一侧，采用河水做冷却剂，相对较脏，受热后容易结垢，流管内便于清洗；2. 冷却剂走管程，能控制适当的流速，以保证有较高的传热系数；3. 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；4. 被冷却物料一般走壳程，便于散热，可减少冷却剂用量。第9页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二4基本数据参数的选择1. 流速流速大,K值提高,所需传热面积减少,设备

7、投资减少,但流速增大使流动阻力相应增加,从而使动力消耗即操作费用增加。根据工业上常用的流速u=0.53m/s，且尽可能使雷诺数Re104，1经过估算，本方案选择流速为1.25m/s。2冷却剂进出口温度由于用河水为冷却剂，可取进口水温度为2528，取进口水温t1=26，冷却水进出口温差参考范围为4101，选用较小的进出口温差，耗水量就较大，运行费也较多，所以选取出口水温为t2=34。第10页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二3冷凝温度与过冷温度根据冷凝温度tk必须高于冷却水出口温度t2，且tk-t1可取7141，所以选取tk=37。根据过冷温度tu较冷凝温度tk应低3-51，

8、所以tu=34。4冷库温度与蒸发温度在冷库中以空气为载冷剂，冷库的工作温度为04，选取冷库温度2，根据蒸发温度t0应比载冷剂低8122，选取取t0=-8。第11页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二5河水相关数据河水作为冷却剂其平均温度（26+34）/2=30，其相关物理性质查表2可得：p=4.747(kPa) =995.7(kg/m3） H=125.69(kJ/kg)cp=4.174（kJ/kgK) =61.7110-2(W/mK) =80.1210-5(Pas)6钢管选择传热管道尺寸选取382.5mm的无缝钢管，其导热系数=45.4W/(mK)。第12页，共23页，202

9、2年，5月20日，6点15分，星期二设计计算1冷凝器的热负荷 式中：冷凝器的热负荷； 制冷量，由于要求取=1500kW； 系数，与蒸发温度、冷凝温度、气缸冷却方式以及制冷剂种类有关，查表1得2冷凝器传热面积估算 式中：F冷凝器的传热面积，m2； 冷凝器的热负荷，W； K传热系数，；平均传热温差，；q单位面积热负荷，由卧式管壳式(氨)冷凝器的热力性质 q可取40005000，选择q =4800；第13页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二3冷却水用量 式中：冷凝器的热负荷，kW； 冷却水的定压比热容，；由于冷却剂为河水性质取。 冷却水的定压比热容，；由于冷却剂为河水性质取。 、

10、冷却水进、出冷凝器的温度，。第14页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二4管数与管程数式中：V管内流体的体积流量，V =0.054； d管子的内直径， u流体的流速，u=1.25m/s；按单程冷凝器计算，管束长度为L，则由于冷凝器的长径比有一定要求，一般L/D=38。若按单程设计L太长，超过上述长径比时，一般可采用多管程解决。管程数为m，则式中：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，故取l=6m。采用12管程后，冷凝器的总管数为：第15页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二5管心距及偏转角管板上两根

11、管子中心距离a成为管心距。管心距的大小要考虑管板强度和清洗管子的外表面时所需空隙，它与管子在管板上固定的方法有关。根据生产实践经验，当管子外径d0=38mm时，a48mm，当卧式冷凝器的壳程为蒸汽冷凝，且管子按正三角形排列时，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，查表可得可取7即当管子外径d0=38mm时，a48mm，=7。6壳体直径和壳体厚度式中：D壳体内径，mm； a管心距，mm，a=48mm； b最外层的六角形对角线（或同心圆直径）上的管数，查表可得b=27； e六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离。一般取，选取。式中：s外壳壁厚，cm

12、；P操作时的之内压力，（表压）；以tk为定性温度，由压焓图可查得：P绝对1.605106Pa=160.5 N/cm2，则：P表压150.4 N/cm2。材料的许用应力，钢管的=9810N/cm2；焊缝系数，采用双面焊缝=0.85C腐蚀裕度，其值在（0.10.8）cm之间，根据流体的腐蚀性而定；由于氨腐蚀性相对强一点，取C=0.7cm外壳内径，壳径的计算值应圆整到最靠近的颁布标准尺寸， 即=1400mm=140cm即设计的外壳壁厚大于最小壁厚，符合要求。同时，冷凝器的长径比L/D=6000/1420=4.23，符合L/D=38的要求。第16页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二

13、7制冷循环相关参数氨采用回热循环的实际制冷循环压焓图查图2可得相应焓值：h1=1430KJ/Kg h2=1620KJ/Kg h2，=1400KJ/Kg h3，=350KJ/Kg h3=190KJ/Kg h4=190KJ/Kg单位制冷量：制冷循环量：制冷系数：第17页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二设计核算1 冷却剂实际流速2 雷诺数管内冷却剂的流动属于完全湍流。第18页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二传热系数管内冷却水的传热膜系数(i)：i=0.023Re0.8Prn/d式中：导热系数，W/mK；Cp 水的比热，kJ/kgK；n 加热状态时取0.4，

14、 Pr普兰特准数；d 管子内径，m。=4927.2 W/mK管外制冷剂冷凝膜系数（0）：式中：冷凝液的导热系数，W/mK；冷凝液的密度, kg/m3；r氨蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg；冷凝液的粘度，Pas；d0 管外径，m；N 水平管束上下重叠的平均排数；T氨蒸汽饱和温度与壁温之差。查表可知氨蒸汽饱和温度为38，T=38-(t1+t2)/2=38-(26+34)/2=8。冷凝液的定性温度tftk-T/237-8/233。查书5可知：591kg/m-3， r=1107.5kJ/kg, =13010-6 Pas，=0.45W/mK，N=0.6=0.66120.5=14.84取整数为15管外表面积为基

15、准的：式中：管外制冷剂冷凝膜系数，； 管内冷却水的传热膜系数，；基管外表面积，；基管内表面积，；基管平均表面积，；管壁厚度，0.0025m；管壁导热系数，钢的导热系数为45.4；制冷剂侧污垢热阻，；氨可取，选取水侧垢层热阻，；水侧垢层热阻包括铁锈、水垢及其它污垢造成的附加热阻，其大小与冷却水的水质、水流速度和管材等因素有关。查表可得。第19页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二4传热面积计算冷凝传热的平均温差（）：理论传热面积：实际传热面积：传热面积的安全系数（）：该安全系数属于5-15%范围，符合要求。5阻力计算式中：管道的摩擦阻力系数，在完全湍流状态下，钢管； Z冷却水的

16、流程数，Z=12； L每根管子的有效长度，L=6m； d管子内直径，d=0.033m； u冷却水在管内的流速，u=1.238m/s； g重力加速度，；局部阻力系数，近似取为。第20页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二冷凝器类型卧式壳管式进口温度26制冷剂氨出口温度34换热管型号382.5无缝钢管蒸发温度-8管长6m冷凝温度37每层管数51根过热温度-7管程12程过冷温度34总管数612根平均温差6.16管子排列方式正三角形排列冷负荷1500kW管心距48mm热负荷1800kW偏心角7流速1.238m/s壳体内径1400mmRe50780外壳壁厚20mm冷却水用量0.054m

17、3/s长径比4.23单位制冷量1240kJ/kg管板壁厚8mm制冷循环量1.452kg/s折流板厚度8mm制冷系数9.47折流板总数10传热系数（管外）726.74W/m2K冷却水阻力8.04m H2O安全系数9.04第21页，共23页，2022年，5月20日，6点15分，星期二设计评价及讨论本设计选用的方案基本满足工艺和操作的要求，同时在经济方面也有可行性和合理性。该设计的最大不足可能就是冷却水的阻力，由于管程和管径较大，造成的阻力有8米水柱之大，会在操作上和经济方面带来一定的影响。本设计由于是自主设计，而且大部分相关知识都是依靠理论方面选择，加上初次接触，所以对一些参数、材料的选择只能依靠书本或者他人的经验，难免会对一些设计细节造成缺陷，甚至是重要细节。比如查找在特定状态某物质的物性，无法查找到准确的参数，你只能在一定范围内选择，甚至凭前人经验估计推测，这样，产生缺陷的机率也大大增加。本设计对一些参数作了反复修改计算，其中主要是对传热面积的安全系数，在计算中发现和验证了差之毫厘，失之千里的真理，虽然这次设计仍存在不少漏洞，但是起码增强了对设计的严谨态度和一丝不苟，并且在培养独立思考、果断选择并对其假设验证和进一步选择更合适的方案。总之，个人认为本次课程设计基本上达