管殼式冷凝器設(shè)計說明書

管殼式冷凝器設(shè)計說明書第一頁，共二十三頁，2022年，8月28日目錄設(shè)計任務(wù)書……………1流程示意圖……………2設(shè)計方案………………3設(shè)計計算………………5設(shè)計核算………………9設(shè)計總概要表…………12設(shè)計評價及討論………13附錄……………………13參考文獻………………13第二頁，共二十三頁，2022年，8月28日設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目：管殼式冷凝器設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)：將制冷壓縮機壓縮后的制冷劑（氨）過熱蒸汽冷卻，冷凝為過冷液體，送去冷庫蒸發(fā)器使用。三、設(shè)計條件：1.冷庫冷負荷Q0=1500KW2.高溫庫，工作溫度0～4℃，采用回?zé)嵫h(huán)3.冷凝器用河水為冷卻劑，可取進口水溫度為25～28℃4.傳熱面積安全系數(shù)5～15%四、設(shè)計要求：1.對確定的工藝流程進行簡要論述2.物料衡算，熱量衡算3.確定管殼式冷凝器的主要結(jié)構(gòu)尺寸4.計算阻力5.編寫設(shè)計說明書6.繪制工藝流程圖、管殼式冷凝器結(jié)構(gòu)圖及花板布置圖第三頁，共二十三頁，2022年，8月28日流程示意圖本課程設(shè)計任務(wù)是將制冷壓縮機壓縮后的制冷劑（氨）過熱蒸汽冷卻，冷凝為過冷液體，送去冷庫蒸發(fā)器使用。涉及的壓縮式制冷機主要由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥等構(gòu)成，其制冷過程可分為壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)4個階段，如下圖所示：第四頁，共二十三頁，2022年，8月28日

由于本課程設(shè)計采用氨回?zé)嵫h(huán)，其實際制冷循環(huán)中壓焓圖如下：在回?zé)嵫h(huán)1-2-2’-3’-3–4-1的過程中：線1-2：絕熱可逆壓縮(等熵)。線2-3：等壓冷卻、冷凝及過冷過程。其中2-2’—冷卻(到飽和蒸汽)(等壓)；2’-3’—冷凝(等壓,等溫)；3’-3—過冷(等壓)。線3-4：節(jié)流膨脹(等焓)。線4-1：蒸發(fā)(等壓,等溫)。實際制冷循環(huán)壓焓圖第五頁，共二十三頁，2022年，8月28日設(shè)計方案1．冷凝器的選擇綜合比較幾種常用的水冷式冷凝器，選擇臥式殼管式冷凝器，原因是其傳熱系數(shù)大，操作管理方便，經(jīng)濟成本較低，且目前大、中型氨制冷系統(tǒng)及氟利昂制冷系統(tǒng)多采用這種冷凝器，有一定的通用性。第六頁，共二十三頁，2022年，8月28日表1常用冷凝器的比較冷凝器類型優(yōu)點缺點使用范圍立式殼管式1.可裝設(shè)在室外露天，節(jié)省機房面積；2.清洗方便；3.漏氨易發(fā)現(xiàn)。1.傳熱系數(shù)比臥式殼管式低；2.冷卻水進出溫差小，耗水量大。中型及大型氨制冷裝置臥式殼管式1.結(jié)構(gòu)緊湊；2.傳熱效果好；3.冷卻水進出溫差大，耗水量小。1.清洗不方便；2.漏氨不易發(fā)現(xiàn)。大、中、小氨和氟利昂制冷裝置都可采用套管式1.結(jié)構(gòu)簡單、制造方便；2.體積小，緊湊；3.傳熱性能好（水與制冷劑成逆向流動）。1.金屬消耗量較大；2.冷卻水的流動阻力較大；3.水垢清洗困難。小型氟利昂空調(diào)制冷機組沉浸式1.制造簡單；2.維修清洗方便；3.安裝地位不受限制。1.冷卻水在水箱內(nèi)的流動速度很低，故傳熱效果差；2.體積大。小型氟利昂制冷裝置第七頁，共二十三頁，2022年，8月28日2.制冷劑的選擇工業(yè)上已采用的制冷劑很多，目前常用的有氨（NH3）、氟利昂-12（CF2Cl2）、氟利昂-22（CHF2Cl）等。氨是應(yīng)用較廣的中溫制冷劑，有較好的熱力學(xué)性質(zhì)和熱物理性質(zhì)，在常溫和普通低溫范圍內(nèi)壓力比較適中，單位容積制冷量大，在相同制冷量的情況下，系統(tǒng)中的制冷劑循環(huán)量較少，氨粘性小，流動阻力小，創(chuàng)熱性能好，在制冷系統(tǒng)中不會出現(xiàn)冰塞現(xiàn)象。雖然氨對人體有較大的毒性，氨確實具有強烈刺激臭味，正是由于這樣，所以極容易被檢驗出來，反而成為安全的保證。而且從環(huán)境保護角度看，氨比氟利昂制冷劑優(yōu)越很多。所以選擇氨作為制冷劑。第八頁，共二十三頁，2022年，8月28日3．流體流入空間的選擇流體流入空間的方案中，選擇冷卻劑（河水）流經(jīng)管程，制冷劑（氨）流經(jīng)殼程。原因是：1.不潔凈或易結(jié)垢的物料應(yīng)當(dāng)流經(jīng)易清洗的一側(cè)，采用河水做冷卻劑，相對較臟，受熱后容易結(jié)垢，流管內(nèi)便于清洗；2.冷卻劑走管程，能控制適當(dāng)?shù)牧魉?，以保證有較高的傳熱系數(shù)；3.飽和蒸汽一般應(yīng)通入殼程；以便排出冷凝液，而且蒸汽較清潔；4.被冷卻物料一般走殼程，便于散熱，可減少冷卻劑用量。第九頁，共二十三頁，2022年，8月28日4．基本數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇1.流速流速大,K值提高,所需傳熱面積減少,設(shè)備投資減少,但流速增大使流動阻力相應(yīng)增加,從而使動力消耗即操作費用增加。根據(jù)工業(yè)上常用的流速u=0.5～3m/s，且盡可能使雷諾數(shù)Re>104，[1]經(jīng)過估算，本方案選擇流速為1.25m/s。

2．冷卻劑進出口溫度由于用河水為冷卻劑，可取進口水溫度為25～28℃，取進口水溫t1=26℃，冷卻水進出口溫差參考范圍為4~10℃[1]，選用較小的進出口溫差，耗水量就較大，運行費也較多，所以選取出口水溫為t2=34℃。

第十頁，共二十三頁，2022年，8月28日3．冷凝溫度與過冷溫度根據(jù)冷凝溫度tk必須高于冷卻水出口溫度t2，且tk-t1可取7～14℃[1]，所以選取tk=37℃。根據(jù)過冷溫度tu較冷凝溫度tk應(yīng)低3-5℃[1]，所以tu=34℃。4．冷庫溫度與蒸發(fā)溫度在冷庫中以空氣為載冷劑，冷庫的工作溫度為0～4℃，選取冷庫溫度2℃，根據(jù)蒸發(fā)溫度t0應(yīng)比載冷劑低8～12℃[2]，選取取t0=-8℃。第十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日5．河水相關(guān)數(shù)據(jù)河水作為冷卻劑其平均溫度（26+34）/2=30℃，其相關(guān)物理性質(zhì)查表[2]可得：

p=4.747(kPa)ρ=995.7(kg/m3）H=125.69(kJ/kg)

cp=4.174（kJ/kg·K)λ=61.71×10-2(W/m·K)η=80.12×10-5(Pa·s)

6．鋼管選擇傳熱管道尺寸選取ф38×2.5mm的無縫鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)λ=45.4W/(m?K)。

第十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日設(shè)計計算1．冷凝器的熱負荷

式中：——冷凝器的熱負荷；

——制冷量，由于要求取=1500kW；

——系數(shù)，與蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、氣缸冷卻方式以及制冷劑種類有關(guān)，查表[1]得2．冷凝器傳熱面積估算

式中：F——冷凝器的傳熱面積，m2；

——冷凝器的熱負荷，W；

K——傳熱系數(shù)，；

——平均傳熱溫差，℃；q——單位面積熱負荷，，由臥式管殼式(氨)冷凝器的熱力性質(zhì)q可取4000～5000，選擇q=4800；第十三頁，共二十三頁，2022年，8月28日3．冷卻水用量

式中：——冷凝器的熱負荷，kW；——冷卻水的定壓比熱容，；由于冷卻劑為河水性質(zhì)取。

——冷卻水的定壓比熱容，；由于冷卻劑為河水性質(zhì)取。、——冷卻水進、出冷凝器的溫度，℃。第十四頁，共二十三頁，2022年，8月28日4．管數(shù)與管程數(shù)

式中：V——管內(nèi)流體的體積流量，V=0.054；

d——管子的內(nèi)直徑，

u——流體的流速，u=1.25m/s；按單程冷凝器計算，管束長度為L，則

由于冷凝器的長徑比有一定要求，一般L/D=3～8。若按單程設(shè)計L太長，超過上述長徑比時，一般可采用多管程解決。管程數(shù)為m，則

式中：L——按單程計算的管長，m；

l——選定的每程管長，m；考慮到管材的合理利用，按管材一般出廠規(guī)格為6m長，故取l=6m。采用12管程后，冷凝器的總管數(shù)為：第十五頁，共二十三頁，2022年，8月28日5．管心距及偏轉(zhuǎn)角管板上兩根管子中心距離a成為管心距。管心距的大小要考慮管板強度和清洗管子的外表面時所需空隙，它與管子在管板上固定的方法有關(guān)。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，當(dāng)管子外徑d0=38mm時，a＝48mm，當(dāng)臥式冷凝器的殼程為蒸汽冷凝，且管子按正三角形排列時，為了減少液膜在列管上的包角及液膜厚度，管板在裝置時，其軸線應(yīng)與設(shè)備的水平軸線偏轉(zhuǎn)一定角度α，查表可得α可取7°即當(dāng)管子外徑d0=38mm時，a＝48mm，α=7°。6．殼體直徑和殼體厚度

式中：D——殼體內(nèi)徑，mm；

a——管心距，mm，a=48mm；

b——最外層的六角形對角線（或同心圓直徑）上的管數(shù)，查表可得b=27；

e——六角形最外層管子中心到殼體內(nèi)壁的距離。一般取，選取。

式中：s——外殼壁厚，cm；P——操作時的之內(nèi)壓力，（表壓）；以tk為定性溫度，由壓焓圖可查得：P絕對＝1.605×106Pa=160.5N/cm2，則：P表壓＝＝150.4N/cm2。

——材料的許用應(yīng)力，鋼管的=9810N/cm2；

——焊縫系數(shù)，采用雙面焊縫=0.85C——腐蝕裕度，其值在（0.1～0.8）cm之間，根據(jù)流體的腐蝕性而定；由于氨腐蝕性相對強一點，取C=0.7cm——外殼內(nèi)徑，殼徑的計算值應(yīng)圓整到最靠近的頒布標(biāo)準(zhǔn)尺寸，即=1400mm=140cm即設(shè)計的外殼壁厚大于最小壁厚，符合要求。同時，冷凝器的長徑比L/D=6000/1420=4.23，符合L/D=3～8的要求。第十六頁，共二十三頁，2022年，8月28日7．制冷循環(huán)相關(guān)參數(shù)氨采用回?zé)嵫h(huán)的實際制冷循環(huán)壓焓圖查圖[2]可得相應(yīng)焓值：h1=1430KJ/Kgh2=1620KJ/Kgh2，=1400KJ/Kgh3，=350KJ/Kgh3=190KJ/Kgh4=190KJ/Kg單位制冷量：制冷循環(huán)量：制冷系數(shù)：第十七頁，共二十三頁，2022年，8月28日設(shè)計核算1．冷卻劑實際流速2．雷諾數(shù)管內(nèi)冷卻劑的流動屬于完全湍流。第十八頁，共二十三頁，2022年，8月28日傳熱系數(shù)管內(nèi)冷卻水的傳熱膜系數(shù)(αi)：

αi=0.023Re0.8Prnλ/d式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

Cp——水的比熱，kJ/kg·K；

n——加熱狀態(tài)時取0.4，

Pr——普蘭特準(zhǔn)數(shù)；

d——管子內(nèi)徑，m。==×=4927.2W/m2·K管外制冷劑冷凝膜系數(shù)（α0）：

式中：λ——冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

ρ——冷凝液的密度,kg/m3；

r——氨蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg；

μ——冷凝液的粘度，Pa·s；

d0——管外徑，m；

N——水平管束上下重疊的平均排數(shù)；

ΔT——氨蒸汽飽和溫度與壁溫之差。查表可知氨蒸汽飽和溫度為38℃，ΔT=38-(t1+t2)/2=38-(26+34)/2=8℃。冷凝液的定性溫度tf＝tk-ΔT/2＝37-8/2＝33℃。查書[5]可知：ρ＝591kg/m-3，r=1107.5kJ/kg,μ=130×10-6Pa·s，λ=0.45W/m·K，N=0.6=0.6×6120.5=14.84取整數(shù)為15管外表面積為基準(zhǔn)的：

式中：——管外制冷劑冷凝膜系數(shù)，；

——管內(nèi)冷卻水的傳熱膜系數(shù)，；

——基管外表面積，；

——基管內(nèi)表面積，；

——基管平均表面積，；

——管壁厚度，0.0025m；

——管壁導(dǎo)熱系數(shù)，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45.4；

——制冷劑側(cè)污垢熱阻，；氨可取，選取——水側(cè)垢層熱阻，；水側(cè)垢層熱阻包括鐵銹、水垢及其它污垢造成的附加熱阻，其大小與冷卻水的水質(zhì)、水流速度和管材等因素有關(guān)。查表可得。第十九頁，共二十三頁，2022年，8月28日4．傳熱面積計算冷凝傳熱的平均溫差（）：理論傳熱面積：實際傳熱面積：傳熱面積的安全系數(shù)（ε）：該安全系數(shù)屬于5-15%范圍，符合要求。5．阻力計算

式中：λ——管道的摩擦阻力系數(shù)，在完全湍流狀態(tài)下，鋼管；

Z——冷卻水的流程數(shù)，Z=12；

L——每根管子的有效長度，L=6m；

d——管子內(nèi)直徑，d=0.033m；

u——冷卻水在管內(nèi)的流速，u=1.238m/s；

g——重力加速度，；

——局部阻力系數(shù)，近似取為。第二十頁，共二十三頁，2022年，8月28日冷凝器類型 臥式殼管式 進口溫度 26℃制冷劑 氨 出口溫度 34℃換熱管型號 φ38×2.5無縫鋼管 蒸發(fā)溫度 -8℃管長 6m 冷凝溫度 37℃每層管數(shù) 51根 過熱溫度 -7℃管程 12程 過冷溫度 34℃總管數(shù) 612根 平均溫差 6.16℃管子排列方式 正三角形排列 冷負荷 1500kW管心距 48mm 熱負荷 1800kW偏心角 7° 流速 1.238m/s殼體內(nèi)徑 1400mm Re 50780外殼壁厚 20mm 冷卻水用量 0.054m3/s長徑比 4.23 單位制冷量 1240kJ/kg管板壁厚 8mm 制冷循環(huán)量 1.452kg/s折流板厚度 8mm 制冷系數(shù) 9.47折流板總數(shù) 10 傳熱系數(shù)（管外） 726.74W/m2K冷卻水阻力 8.04mH2O 安全系數(shù) 9.04％第二十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日設(shè)計評價及討論本設(shè)計選用的方案基本滿足工藝和操作的要求，同時在經(jīng)濟