管壳式冷凝器设计说明书

管壳式冷凝器设计说明书“食品工程原理”课程设计管壳式冷凝器设计说明书山东万合制冷设备有限公司目录

设计核算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9

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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1

2

设计评价及讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1

3

附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1

3

参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1

3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=1

5

0

0

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，可取进口水温度为2

5

～2

8℃

4.传热面积安全系数5

～1

5%

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

6.绘制工艺流程图、管壳式冷凝器结构图及花板布置图流程示意图

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：

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：

线2

-

3

：等压冷却 冷凝及过实际制冷循环压焓图

在回热循环1-2-2’-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)。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。表1常用冷凝器的比较冷凝器类型优点缺点使用范围立式壳管式可装设在室外露天，节省机房面积；清洗方便；漏氨易发现。传热系数比卧式壳管式低；冷却水进出温差小，耗水量大。中型及大型氨制冷装置1结构紧凑卧式壳管式结构紧凑；传热效果好；冷却水进出温差大，耗水量小。清洗不方便；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结构简单、制造方便；体积小，紧凑；传热性能好（水与制冷剂成逆向流动）。金属消耗量较大；冷却水的流动阻力较大；水垢清洗困难。小型氟利昂空调制冷机组沉浸式制造简单；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；体积大小型氟利昂制冷装置2.制冷剂的选择

氨粘性小

流动阻力小 创热性能好

在制冷系统工业上已采用的制冷剂很多，目前常用的有氨（NH3

）、氟利昂-12

（CF

2

Cl2

）、氟利昂-22（CHF

2

Cl）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。所以选择氨作为制冷剂。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。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=0.5

～3

m/s，且尽可能使雷诺数Re>1

0

4，[1]经过估算，本方案选择流速为1.2

5

m/s。冷却剂进出 温度

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2

5

～28℃，取进口水温t1=26℃，冷却水进出口温差参考范围为4

~

10℃[1]，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℃。

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7

～14℃[1]，所以选取tk=37℃。根据过冷温度tu较冷凝温度tk应低3-5℃[1]，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0

～4℃，选取冷库温度2℃，根据蒸发温度t0应比载冷剂低8

～12℃[2]，选取取t0=-8℃。

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：

ρ=9

9

5

.

7

(kg

/

m3

）

λ=6

1

.

7

1

×1

0

-

2

(W/

m▲K)η=8

0

12

×10

-

5

(Pa

▲s

)p=4

.

7

4

7

(kPa

)H=1

2

5

.

69

(kJ

/

kg

)c

p=4

.

1

7

4

（kJ

/

kg

▲K)η=8

0

.

1

2

×1

0

-

5

(Pa

▲s

)

6．钢管选择

传热管道尺寸选取ф3

8×2.5

mm的无缝钢管，其导热系数λ=4

5.4

W/(m煉K)。

设计计算

1．冷凝器的热负荷QL

=

φQ0式中：——冷凝器的热负荷；——制冷量，由于要求取=1

5

0

0

kW；——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Q

L

=

φ

Q

0

=

1

.

2

0

*

1

5

0

0=

1

8

0

0

k

W2．冷凝器传热面积估算

式中：F——冷凝器的传热面积，m

2；——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4

0

0

0

～5

0

0

0，选择q=4

8

0

0；Q

L

Q

LK

Δ

t

qF

==Q 1800

*

103F

=

L

=q

4800=

375

m2

3．冷却水用量

c

p

(t2

-

t1

)QLM

=

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。

、——冷却水进、出冷凝器的温度，℃。c

p

=

4.186

kJ

/(kg

×K

)QLM

==

1800

=

53.75kg

/

sc

p

(t2

-

t1

)

4.186

*

(34

-

26)V=

M

=

53.75

=0.054m3

/s

995.7

4．管数与管程数

式中：V——管内流体的体积流量，V=0.0

5

4；

d——管子的内直径，

u——流体的流速，u=1.2

5

m/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=3

～8。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6

m长，故取l=6

m。

采用1

2管程后，冷凝器的总管数为：

5．管心距及偏转角管板上两根管子中心距离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d

0=3

8

mm时，a

＝4

8

mm，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α，查表可得α可取7°即当管子外径d

0=3

8

mm时，a

＝4

8

mm，α=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=4

8

mm；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=2

7；

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，c

m；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＝1.6

0

5×1

0

6

Pa=1

6

0.5N/c

m

2，则：P表压＝1

6

0.5-1

0.1

＝1

5

0.4

N/c

m

2。——材料的许用应力，钢管的=9

8

1

0

N/c

m

2；——焊缝系数，采用双面焊缝=0.8

5C——腐蚀裕度，其值在（0.1

～0.8

）c

m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=0.7

c

m——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=1

4

0

0

mm=1

4

0

c

m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=6

0

0

0/1

4

2

0=4.2

3，符合L/D=3

～8的要求。

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

h3

3

5

0

KJ

/

K

h3

1

9

0

KJ

/

K

q01800

9.471620

1430

制冷系数：εh2－h1

查图[2]可得相应焓值：

h1

=1

4

3

0

KJ

/

Kg

h2

=1

6

2

0

KJ

/

Kgh2

，=1

4

0

0

KJ

/

Kg

h3

，=3

5

0

KJ

/

Kg

h3

=1

9

0

KJ

/

Kgh4

=1

9

0

KJ

/

Kg单位制冷量：q0

=h1

-h4

=1430-190=1240KJ/Kgq0

1240制冷循环量：G=Q0

=1800

=1.452kg/s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。

传热系数管内冷却水的传热膜系数(αi)：αi=0.0

2

3

Re

0.8

P

rn

λ/d式中：λ——导热系数，W/m▲K；Cp——水的比热，kJ/kg▲K；n——加热状态时取0.4，P

r——普兰特准数；d——管子内径，m。==×=4

9

2

7

.

2

W/

m

▲K管外制冷剂冷凝膜系数（α0

）：

式中：λ——冷凝液的导热系数，W/m▲K；ρ——冷凝液的密度,kg/m

3；r——氨蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg；

μ——冷凝液的粘度，P

a▲s；d

0——管外径，m；N——水平管束上下重叠的平均排数；ΔT——氨蒸汽饱和温度与壁温之差。查表可知氨蒸汽饱和温度为3

8℃，ΔT=3

8-(t1+t2)/2=3

8-(2

6+3

4)/2=8℃。冷凝液的定性温度tf＝tk-ΔT/2

＝3

7-8/2

＝3

3℃。查书[5]可知：ρ＝5

9

1

kg

/

m

-

3

，r=1

1

0

7

.

5

kJ

/

kg

,

μ=1

3

0

×1

0

-

6

P

a

▲s

，λ=0

.

4

5

W/

m

▲K，N=0.6=0.6×6

1

2

0.5=1

4.8

4取整数为1

5管外表面积为基准的：

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，0.0

0

2

5

m；——管壁导热系数，钢的导热系数为4

5.4；——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。

5 阻力计算

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（ε）：

该安全系数属于5-1

5%范围，符合要求。

5．阻力计算

式中：λ——管道的摩擦阻力系数，在完全湍流状态下，钢管；

Z——冷却水的流程数，Z=1

2；

L——每根管子的有效长度，L=6

m；

d——管子内直径，d=0.0

3

3

m；

u——冷却水在管内的流速，u=1.2

3

8

m/s；

g——重力加速度，；

——局部阻力系数，近似取为。

冷凝器类型卧式壳管式进口温度2

6

℃

制冷剂氨出口温度3

4

℃

换热管型号φ3

8×2.5无缝钢管蒸发温度-

8

℃

管长6

m冷凝温度3

7

℃

每层管数5

1根过热温度-

7

℃

管程1

2程过冷温度3

4

℃

总管数6

1

2根平均温差6

.

1

6

℃

管子排列方式正三角形排列冷负荷1

5

0

0

kW

管心距4

8

mm热负荷1

8

0

0

kW

偏心角7

°流速1

.

2

3

8

m/

s

壳体内径1

4

0

0

mmRe5

0

7

8

0

外壳壁厚2

0

mm冷却水用量0

.

0

5

4

m3

/

s

长径比4

.

2

3单位制冷量1

2

4

0

kJ

/

kg

管板壁厚8

mm制冷循环量1

.

4

5

2

kg

/

s

折流板厚度8

mm制冷系数9