管壳式冷凝器设计说明书.ppt

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 1500KW2 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25 28 4 传热面积安全系数5 15 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 5 3m s 且尽可能使雷诺数Re 104 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25 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 p 4 747 kPa 995 7 kg m3 H 125 69 kJ kg cp 4 174 kJ kg K 61 71 10 2 W m K 80 12 10 5 Pa s 6 钢管选择传热管道尺寸选取 38 2 5mm的无缝钢管 其导热系数 45 4W m K 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4000 5000 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 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 a 48mm 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 a 48mm 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 1 605 106Pa 160 5N cm2 则 P表压 160 5 10 1 150 4N 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 1 0 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 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查图 2 可得相应焓值 h1 1430KJ Kgh2 1620KJ Kgh2 1400KJ Kgh3 350KJ Kgh3 190KJ Kgh4 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 m K Cp 水的比热 kJ kg K n 加热状态时取0 4 Pr 普兰特准数 d 管子内径 m 4927 2W m K管外制冷剂冷凝膜系数 0 式中 冷凝液的导热系数 W m K 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 Pa s 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tf tk T 2 37 8 2 33 查书 5 可知 591kg m 3 r 1107 5kJ kg 130 10 6Pa s 0 45W m K N 0 6 0 6 6120 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 38 2 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 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 04mH2O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 借此机会对指导老师