壳管式冷凝器课程设计报告书

1、壳管式冷凝器课程设计第一部分：设计任务：用制冷量为273.6/HV的水冷螺杆式冷水机组，制冷剂选用R13滋，蒸发器形式采用冷却液体载冷剂的卧式蒸发器，冷凝 器采用卧式壳管式。-：工况确定1:冷凝温度°确定:冷却水进口温度5=32%,出口温度/m.2=37°c,冷凝温度由32 + 372+ 5.5 = 40*2:蒸发温度/（）确定:冷冻水进口温度心=12。°,岀口温度rj2=7°c,蒸发温度厲：由12 + 72-7.5 = 2°c3:吸气温度7，采用热力膨胀阀时，蒸发器出口温度气体过热度为3-5°Co过冷度为5。°,单级压缩机

2、系统中，一般取过冷度为5。三：热力计算：1：热力计算：制冷循环热力状态参数经过查制冷剂的参数可知，作表格如下：状态点符号单位参数值0°C2根据确定蒸发压力Po,作等压线饱和气体线交得0点PoK)2如3.2kJ 1 kg3981°C7%的等压线交片，查压焙图V|/ kg0. 066人kJ/kg4032t2°C52.2取指示效率为0. 85Pl102kpa10. 16h2kJ/kg13244°C35几等压线与4过冷等温线交于4点，其中4 = %kJ! kg2492skJ! kg427. 653kJ! kg2552热力计算性能（1）单位质疑制冷量么么=力厂力广

3、 403249 = 154 KJKg（2）单位理论功叫W（）= h2shl = 427.65 - 403 = 24.65 KJ/Kg（3）制冷循环质量流量“00233.6= l517Kg/$（4）实际输气量仏£q = q yl = 1.517x0.066 = 0.1/?sIs（5）输气系数几：取压缩机的输气系数为0.75（6）压缩机理论输气 qvha =乞=2_ = 0133川7$和 20.75（7）压缩机理论功率几P）= q w0 = 1.517 x 24.65 = 37.4Kw（8）压缩机指示功率门p = p 川=37.4/0.85 = 44K叩（9）制冷系数及热力完善度理论制冷

4、系数：£.= =154= 6.25wb24.65实际制冷系数：一 5 一233.6x0.9 q 如=4.78%44卡诺循环制冷系数：se= = 一迺公一 = 7.24Tk_T° 313.15-2755故热力完善度为：;/ = = = 0.66£c 7.24（10）冷凝器热负荷由 h2 = % + "邑_® = 432kJ/ kg,则 Qr =一）= 1.517（432 - 255） = 268/（ID压缩机的输入电功率“ m moi1.517 x 24.650.9x0.86=48.3Rw,取7?加=09,加=086（12）能效比EER =色=

5、4.836 p4&3循环的热力计算如下：序号项目计算公式结果备注1单位制冷量%訥-力5154kJ/kg2单位理论功% = h2s - hx24. 65kJ/kg3制冷循环质量流量% =色 q°1. 517 kg/s4实际输气量q、$ = q.OAm3 /s5输气系数220.756压缩机理论输气量0.133 m3/s7压缩机理论功率Po = q,%37.6 阳8压缩机指示功率ZHi44kW9理论制冷系数F _ £ _ Qm 乙'叽Pi6. 2510实际制冷系数Pt = Qm X %4. 7811卡诺循环制冷系数“ Tk-T°7. 2412热力完善度/

6、 =J0. 6613冷凝器热负荷Qk268V14压缩机的输入轴功率p - qz,4S3kW15能效比EER = 4.836P3 压缩机的选型在制冷系统中，压缩机起到非常大的作用。它是整个系统运行的心脏，带动 整个系统的正常运行。压缩机的作用主要是：从蒸发器中吸出蒸汽，以保证蒸发 器一定的蒸发压力；提高压力（压缩），以创造在较高温度下冷凝的条件；输送 制冷剂，使制冷剂完成制冷循环。制冷系统所需要的制冷量QO233.6KW,需要选 配制冷压缩机。压缩机的种类很多，可分两大类一容积式和速度型。容积式压缩机是靠工作 腔容积改变实现吸气、压缩、排气等过程。这类压缩机又分往复式和回转式压缩 机。往复式又称

7、活塞式。速度型压缩机是靠旋转的叶轮对蒸汽做功，使压力升髙 以完成蒸汽的输送，这类压缩机又分离心式和轴流式。活塞式压缩机是问世最早的一种机型，至今已发展到几乎完善的程度，由于 其压力围大，能够适合较广的能量围，有髙速，多缸能量可调，热效率高，适用 多种制冷制等优点。并且我国对此机的加工制造已有数十年的经验，加工较容易， 造价也较低，国应用极为普遍，有成熟的运行管理，维护经验。本设计初步选择螺杆式冷媒压缩机。螺杆压缩机一般都是指双螺杆压缩机， 它由一对阳、阴螺杆构成，是回转压缩机中应用最广泛的一种，在化工、制冷及 空气动力工程中，它所占的比重越来越大。螺杆式热泵机组无论是COP值还是维 护费用、振

8、动频率、噪音等性能均优于活塞式热泵机组。该产品有以下特点：1. 四段容调或连续卸载控制设计，随负荷变化调整压缩机的输出，节省能源消耗。2. 转子经专用研磨加工及动力平衡校正，配合进口德国FAG及瑞典SKF髙精密轴 承，运行平顺，振动小，噪音低。3采用法国进口高效率耐氟电机，效率高、可靠性好。4. 采用最新的第三代非对称齿形，公称子五齿，母转子六齿，齿间压力落差及回 吹孔小，容积效率高，节省能源。采用全新高效油分离器，分油效果达9 9.7%,有利于提高机组蒸发器效率，并适用于满液式蒸发器设计。5. 半密闭设计不需要轴承，无轴封泄漏问题、可靠性佳，且马达与机体为分离式 设计，易于维护与保养。6.

9、除一般的冷水机组和空调储冰系统以外，依使用工况不同另设计髙压缩比机 种，效率髙。可靠性佳，适用于风冷机组、热泵机。根据已知条件进行计算选型：吸气状态的比体积：v, =6.6xlO2m3/压缩机的实际输气量:qvs =qm XV)= 0.1m/5压缩机的理论输气量:q、* =-=0.133m3/s = 478.8/h3 /hA制冷压缩机的理论功率几、指示功率卩：Po=q£Wo=37.4kwPi选用比泽尔CSH8573-110Y-40P型号螺杆式 压缩机机组，制冷量为243kw0第二部分：壳管式冷凝器设计2.2结构的初步规划2. 2. 1：结构型式系统制冷量为233. 6kw,制冷量相对

10、较大，本次设计选用壳管式器较为合适。2. 2.2污垢系数的选择参看文献，可取氟利昂侧二0.086 C/kW,冷冻水侧斤二0.086 in2 - °C /kWo2. 2.3冷冻水的流速:初步设计机组每天运行10小时，则每年运行小时数约为30004000o参 看文献数据，取冷冻水流速U二2m/so2. 2.4管型选择：参考文献1,70-71中所述及文献1表3-4。本次设计选取表3-4中的4号管：016mmX 1.5mm,因其增强系数相比较大，有利换热。其有关结构参数如下:管径/.=11mm ,翅顶直径dt =15. 86mm ,翅厚=0. 223mm ,翅根管面外径dh = 12. 86

11、mm ,翅节距sf =1. 25mm,翅高 h = l. 5mm0单位管长的各换热面积计算如下：每米管长翅顶面积:叫 0 兀 x 0.01586 x 0.000223 _0.001250. 0089nr Im每米管长翅侧面积：“f二Ey 血二兀）1苏"（）（）_】2X6-）= 0. 1083/h2/w 72刀2x0.00125每米管长翅间管面面积：碣心一卩）X0.01286X（0.00125-0.000223）八心“ 2 ,二二 =0. 0332 nr / mb sf0.00125每米管长管外总面积:aof=ad+af + ab = 0. 1504m2 /m每米管长管面面积：at=

12、zr 产龙x0014= 0. 0345/?2. 2.5冷却水流量:取冷却水进出口温度的平均温度为定性温度，g二二于 £二34.5 由传热学附录9中查得其有关物性参数如下：= 994. 3kgZ% 二 4. 174制/伙gK）冷却水流量为：268994.3x4.174x(37-32)=0.01292(2.8)2. 2.6估算传热管总长参看文献1, 75,按管外面积计算热流密度,在设计条件下，热流密度佈 可在50007000W/?2围取值。本设计假定q产5000W/m2.则应布置的传热面积：坠=26Sxl()；=53 6w2'什 5000应布置的有效总管长：L = =3564加0

13、.15042. 2.7确定每流程管数乙 有效单管长/及流程数N冷却水的流速u二1.5m/s,冷却水流量乞.二0.01292则每流程管数Z =4x0.01292= 90.68 (根)，圆整后取 Z =91 根。n<iiu 3.14x0.01 l2xl.5则实际水流速"走=4x0.01292十95 必3.14x0.0112x91对流程数爪总根数NZ、有效单管长壳体径及长径比/卩进行组合计算,组合计算结果如表3. 2所示表3.2组合计算结果流程数N总根数NZ有效单管Z/m壳体径£)/m长径比1/D,21821.9560. 4274. 5843640. 9780. 6031.

14、62参看文献1, 76,在组合计算中，当传热管总根数较多时，壳体径0可按下式估算： 0 =(1.151.25) s/A(Z式中s相邻管中心距，5 = (1.251.30) 单位为m；管外径，单位为mo系数1.151.25的取法：当壳体管子基本布满不留空间时取下限，当壳体留有一定空间时取上限。(本设计取下限计算q =l25s 皿)查看文献1表2. 3,由J0=16mm查得：换热管中心距s = 22mm。参看文献1, 76,长径比UD-般在68围较为适宜，长径比大则流程数 少，便于端盖的加工制造。当冷凝器与半封闭式活塞式制冷压缩机组成机组时应 适当考虑压缩机的尺寸而选取更为合适的冷凝器的长径比。据

15、此，本设计选取2 流程方案作为结构设计依据，管径选择400価的无缝钢管。2.3热力计算2. 3. 1水侧表面传热系数从管子在売体的实际排列来看，每个流程的平均管子数为n二92,因此在管的水速平均值为:=4x0.032十8“x0.0I12x92由g二3QC查文献附录9表得其运动粘度v = 0.7466xl()-6/772/5o由文献1表3-12查得其物性集合系数B = 2178. 20因为雷诺数Re =1.48x0.011 = 21806>10亦即水在管的流动状态为湍流，则由文献1, 780.7466x10"中式(3-5),水侧表面传热系数：严= 2178.2x1.48°

16、; "0.011°2= 73456W/（K）040e+e、if#3. 3.2氟利昂侧冷凝表面传热系数根据图3.2的排管布置，管排修正系数由文献1, 77中式(3-4)计算=42-4严 J2O"窗+5川翻=0745184根据所选管型，低翅片管传热增强系数由文献1, 77中式(3-2)计算如下:环翅的当量髙度“曾=竺32»4皿4x15.86增强系数:厂企+ 口4（细二空+ 严332 + 0曲空昌5455 hf 0.15040.15044.26查文献1,76表3-ll,R134a在冷凝温度rfe=40°C时，其物性集合系数B=1516.3由文献1,

17、76式(3-1)计算氟利昂侧蒸发表面传热系数，% =0.725 Bd严叫(匚7严5=0.725 x 1516 .3 x 0.01286 "°25 x 1.54 x 0.745 x (r, -25 =3745 &(f W/(, K)其中心一一管外壁面温度，°C；o.蒸发温度与管外壁面温度之差2. 3.3实际所需热流密度计算对数平均温差=5. rc也一5 _ 37-32L _ r 40 32fk ru240-37水侧污垢系数耳二0. 00086/h2 /IV o将有关各值代入文献1,78式（3-6）和（3-7）,热流密度计算（单位为）.寫记。皿 心)厂“亦“)

18、10544.6 * )X 0.0345 + 393 X 0.042 '选取不同的 （单位为。C）进行迭代计算，计算结果列于表:么计算结果%/9% (W/M2)佈(W/m2 )2629840961.7557543501.6532844801.448204608当&0=14。_两式的么值误差已经很小了，取弘=4714W/加二 计算实际 需要的传热面积："严醫塚圖，初步设计结构中实际布置冷凝传热为53. 6加2,较传热计算所需面积小5.7%,满足要求，可认为原假定值及初 步结构设计合理。2.4阻力计算2.4.1冷却水的流动阻力计算冷却水流动时的阻力的计算，其中沿程阻力系数歹

19、为=0.026一0.3164_ 0.3164Z?./25 = 21806°25冷却水的流动阻力北为P,=-pir §N + 1.5(N + 1)2 L 4-=-x 994.3 x 1.482 x Q.Q26x 2 x 2 + ° °7 +1.5 x (2 +1) 1 2 0.011=25800Pa式中，N一管程；/,一一左、右两管板外侧端面间的距离，每块管板厚度为35mm (见后面结构确定)，则1= (2+0.07 ) m o考虑到外部管路损失，冷却水泵的总压头约为P = (). 1 + £ = 0+ 2580() x 10-6 = 0.125

20、8 MPa结构设计计算3. 1筒体根据文献表2. 3可知，当换热管外径d0=16mm时，换热管中心距为s=22mm,分程隔板槽两侧相邻中心距lE=35mmo根据文献3, 46可知，热交换器管束最外层换热管表面至壳体壁的最短距离b=0. 25d且不小于8mm,故本设计取8mmo根据文献5表6-4,选用壳体经济壁厚8mm,故经计算得出的壳体最小外径:D400mm此时实际长径比为 = = 5(3.28)P 0.4根据文献3, 54,目前所采用的换热管长度与壳体直径之比，一般在425之间，故设计合理。3.2管板管板是管売式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个主要受压元件

21、。对于管板的设计，除满足强度要求外，同时应合理考虑其结构设计。 管板选用直接焊于外壳上并延伸到壳体周围之外兼作法兰，管板与传热管的连接方式采用胀接法。(2)管板最小厚度表5-4-1胀接时的管板最小厚度换热管外径cL/mmW25>2550250最小厚度&用于易燃易爆及 有毒介质的场合Nd。nin用于无害介质的一般场合>0. 75do20. 70do20. 65do管板最小厚度除满足计算要求外，当管板和管热管采用焊接时，应满足结构 式就和制造的要求，且不小于若管板采用复合管板，其复层的厚度应不 小于3nnn0对有腐蚀性要求的复层，还应保证距复层表面深度不小于2価的复层 化学成分

22、和金相组织复层材料的要求.本设计选择管板厚度为30mm。管孔直径dP：根据文献1表3-5得换热管外径do： 16mm 允许偏差。管板管孔径： 16.25mm允许偏差黑节3.3分程隔板根据文献5,分程隔板厚度选3 = 12nun.焊接在端盖上。3. 4拉杆的直径和数量表1拉杆直径选用表换热器管外径d.>10WdW1414<d<2525dW57拉杆直径dn101216拉杆壳体公称直径d, mm直径dn<400M400"7002700"900M900"1300$1300"1500Ml 5001800$1800"2000M200

23、02300$2300"2600mm拉杆数量10461012161824283212448101214182024164466810121216由于换热管外径为16mm.故拉杆直径取12nm,其数量为4。拉杆与定距管固定，拉杆的一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间用定距管固定，拉杆最后一块折流板用螺纹固定，拉杆的螺纹长度根据売管式换热器手册可知：/2 = l5o = 18mm3. 5垫片的选取查文献8,选取垫片材料为石棉，具有适当加固物（石棉橡胶板）；基础参 数为厚度6=1. 5mm，垫片外径为890mm，径为618mm,设计压力为1. 569MPa,垫片 系数 m=2. 75,比压力

24、 y=25. 5MPa°3.6连接管的确定冷却水进出口连接管4x0.012923.14x1.2水的流量张=0.01292"/“，选流速“ = 1.2m/s,故管径= 0.117 m = 117 nun查文献6可取无缝钢管121x6mm。实际流速为* =1.202/”/$制冷剂连接管由原始数据查R134的lg p - h图得，冷凝器进口处° = 2088xl（rSr/心，冷凝 器出口 u=382x1（TSF/心。根据：qm = l517kg/s液体的体积流量S广纸匕=1.517x3.82xlO3 =5.79xlO"3 亦 fs蒸气的体积流量qv2 = qm

25、v 1.517 x 20.88 x 10“ = 31.67 x 10“ tit /S岀液接管的径（选液体流速为zq = 1/77/5 ）(3. 34)du =胚T = J4x 5.79xl（r = 0 0859加=86/n/nh Y 码 N 3.14x1圆整后，查文献6取无缝钢管89x4m”进气搂管径（选蒸汽流速为«2=10,»/5）=0.0635m = 63.5mm_!4x31.67xl0-3"= 莎=V 3.14x10(3. 35)圆整后，查文献6取无缝钢管68x4”。实际流速为u2=S.lm/s <>3. 7法兰结构设计（1）管板法兰设计：本次设

26、计管板与壳程圆简连为整体，其延长部分兼作法兰，与管箱用螺柱、垫片连接。cS根据关系可紅法兰的宽度咕字，根据法兰尺寸标准，与売体配合，根据 壳体外径DN二400mm和文献，管板的法兰选用外径D二490mm,径BMOOmm，厚度C=26nun的法兰。法兰固定螺栓孔中心圆直径K二445mm,螺栓孔孔径L=22mm,螺 栓规格为M20,螺栓数量n=16oBi（2）进出水口法兰设计：根据进出水口的管道，选择相应的法兰，根据标准选择240mm 的法兰外径，螺栓孔中心圆直径为200mm，螺纹孔直径为18,选用型号为血6的螺栓，螺栓 的数目为8个，法兰厚度为20mmo（3）制冷剂进出口法兰设计：根据进制冷剂的

27、管道为79mm,选择相应的法兰，根据标 准选择190mm的法兰外径，螺栓孔的中心圆的直径为150,螺纹孔直径为18,选用型号为 M16的螺栓，螺栓的数目为4个，法兰的厚度18mm。根据出制冷剂的管道为68mm,选择相 应的法兰，根据标准选择的160mm的法兰外径。螺栓孔的中心圆的直径为130mm。螺纹的孔 直径的14mm,选用的型号为M12的螺栓，螺栓的数目为4个，法兰的厚度为16mm。3.8支座的选择支座是用来支承容器及设备重量，并使其固定在某一位置的压力容器附件。在某些场合还受到风载荷、地震载荷等动载荷的作用。压力容器支座的结构形式很多，根据容器自身的安排形式，支座可以分为两大类：立式容器支座和卧式容器支座。由于该冷凝器为卧式容器，公称压力为1.6MR/,筒体直径为400劝。 故选用鞍式支座，支座材料选用HT-200,根据标准零部件选型号为： JB/r4712-92鞍座BI 450F