管壳式冷凝器设计说明书.ppt

“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,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=1500KW 2. 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2528 4. 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： 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)。,实际制冷循环压焓图,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,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。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=0.53m/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。,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，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。,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)。,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；,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。 、冷却水进、出冷凝器的温度，。,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：,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； 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160.5-10.1150.4 N/cm2。 材料的许用应力，钢管的=9810N/cm2； 焊缝系数，采用双面焊缝=0.85 C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。,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：,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(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， 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。,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。,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 1400mm Re 50780 外壳壁厚 20mm 冷却水用量 0.054m3/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,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到了教学要求，借此