壳管式冷凝器设计讲解

1、学 号 20122916096 成 绩 课程设计说明书 设计名称 机械设计基础课程设计 设计题目制冷系统设计任务书 设计时间2015.1.6 2015.1.21 学 院食品工程学院 专业能源与动力工程 班级1202 班 姓名杨鑫 指导教师 曲航 配用冷水机组的卧式壳管式冷凝器设计 设计任务： 设计一台配用冷水机组的卧式壳管式冷凝器 设计条件 : 设计参数： 制冷剂： R134a 额定工况蒸发温度： t 0=5C 冷却水进口温度： t k=400C 制冷量： Q0=360kw 传热管：每英寸 19片的滚轧低肋铜 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.

2、确定管式冷凝器的主要结构尺寸； 4. 计算阻力； 5. 编写设计说明书 一、设计方案的确定及说明。 1. 冷却水的进出口温度。 进口水温度 280C，而一般卧式壳管式冷凝器的冷却剂进出口温度之差为 4100C，本 设计取 60C, 故出口温度为 340C. 2. 流速的选择 查得列管换热器管内水的流速，管程为 0.5 3m/s ，壳程 0.21.5m/s2 ；根据本设计制冷 剂和冷却剂的性质，综合考虑冷却效率和操作费用，本方案选择流速为 1.5m/s. 3. 冷凝器的造型和计算 3.1 水冷式卧式冷凝器的类型 本次设计是以海水为冷却剂，选择氟利昂高效卧式冷凝器为设计对象。此冷却系统的原理 是将

3、压缩机排出的高温、高压制冷制气等压冷凝成液体，在冷库中蒸发，带走待冷物料的热量， 起到冷却物料的效果。 本方案采用 R134a 为制冷剂，不燃烧，不爆炸，无色，无味 冷凝器型式的选择： 本方案采用卧式壳管式冷凝器。卧式管壳式水冷凝器的优点是： 1、结构紧凑，体积比立式壳管式的小； 2、传热系数比立式壳管式的大； 3、冷却水进、出口温差大，耗水量少； 4、为增加其传热面积， R134a 所用的管道采用低肋管； 5、室内布置，操作较为方便。 3.2 冷凝器的选型计算 3.3 冷凝器的热负荷 3.4 冷凝器的传热面积计算 + 3.5 冷凝器的阻力计算 4管数、管程数和管子的排列 41 管数及管程数

4、4.2 管子在管板上的排列方式 4.3 管心距 5壳体直径及壳体厚度的计算 51 壳体直径，厚度计算 二、设计计算及说明 （包括校核） 一）设计计算 1、冷凝器的热负荷： 冷凝器的热负荷是制冷剂的过热蒸汽在冷凝过程中所放出的总热量，可用制冷剂的 压 焓图算出。公式如下： QL Q0 kw 式中 ： QL 冷凝器的热负荷， kw； Q0 制冷量， 360kw ； 系数，与蒸发温度 t k、气缸冷却方式及制冷剂种类有关，由食品工 程原理设计指导书图 3查出。在蒸发温度 t0为 5，冷凝温度 tk 为 40，查得 为 1.93。 QL =1.93 360= 695kw 2、传热平均温差： tt2 t

5、1 =5.450C tk t1 ln tk t2 3、冷凝器的传热面积计算： 根据选用卧式管壳式水冷冷凝器及设计指导书表 4 各种冷凝器的热力性能， 取传热系数 为 800 w/ （ k ） FQL 0 Kt 式中： K 传热系数， w/ 、； F 冷凝器得传热面积，； t 传热平均温差， 由食品工程原理设计指导书表 3 中可取 750） QL 冷凝器得热负荷， w； 又 t=5.45 F 3451 1000 791.5m2 800 * 5.45 4、冷凝器冷却水用量： QL Cp(t2 3600 t1) kg/h 式中： QL 冷凝器的热负荷， 压比热，KJ/kgk；淡水可取 4.186；

6、t2 冷却水进出冷凝器得温度， C Cp 冷却水的定 冷却水进出冷凝器得温度， K 或； K 或。 kw； t1 3600 496070.9 kg h 4.174 (32 26) 5、冷凝器冷却水体积流量： kg /m 3 式中： 取 995.7 kg / m3 ； 0.138 m3 s M496070.9kg / h 3 3600 995.7kg/m3 3600 6、管数和管程数和管束的分程、管子的排列的确定： 1）确定单程管数 n由制冷原理及设备一书查得，冷凝器内冷却水在管内流速可 选取 1.5 m/s 。设计中选用382.5mm不锈无缝钢管作为冷凝器内换热管。 式中：V 管内流体的体积流

7、量， /s； 管子内直径， m； u 流体流速， m/s 。 n 0.138 107.6 圆整为 108 3.14 2 0.0332 1.5 取整后的实际流速 4V 4 0.138 nd 3.14 108 0.0332 1.49m/s 2）管程数： 管束长度 L F nd 式中： F 传热面积，； L 按单程计算的管长， m 791.5 108 3.14 0.033 70.73m 管程数 m L l 取 6m 。 l 式中： l 为选定的每程管长， m，考虑到管材的合理利用， m 70.73 11.79 圆整为 12 6 所以冷凝器的总管数 NT 为 NT n m 108 12 1296 根

8、3）管心距 查 错误！未找到引用源。 可得管心距 =48mm 错误！未找到引用源 4）管子在管板上的排列方式 管子在管板上排列时，应使管子在整个冷凝器截面上均匀而紧凑地分布，还要考虑流体性质， 设备结垢以及制造等方面地问题 7. 壳体直径及壳体厚度的计算 1）壳体直径的计算 壳体的内径应稍大于或等于管板的直径， 所以，从管板直径的计算可以决定壳体的内径 D=a （b-1） +2e 式中： D 壳体内径， mm ； a 管心距， mm ； b 最外层的六角形对角 线（ 或同心圆直径 ）； e 六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离。 一般取 e=（11.5）d0，这里取 1.4。 D= 48（39

9、1）21.433 =182492.4=1916.4mm 圆整为 2000mm 2）壳体厚度 （s）的计算 PD 式中： s 外壳壁厚， cm； P 操作时的内压力， N/cm 2（表压），根据壁温查得为 80.8N/cm 2 材料的许用应力， N/cm 2； 查得不锈无缝管 YB804-70的许用应力是 13230 N/cm2 焊缝系数，单面焊缝为 0.65，双面焊缝为 0.85；（取单面焊缝） C 腐蚀裕度， 其值在（ 0.10.8）cm 之间，根据流体的腐蚀性而定；取 0.7 D 外壳内径， cm。 0.7 1.64cm 80.8* 2000 2 13230 0.65 80.8 适当考虑安

10、全系数及开孔的强度补偿措施，决定取 s=17mm 二）设计校核 1.雷诺数计算及流型判断 冷凝器冷却水用量： MQL3451137.8kg / s Cp (t2 t1) 4.174 (32 26) 实际流速： u 1.49m / s 雷诺数： du 0.033 1.49 995.7 Re 5 80.12 10 5 61106.6 10 所以流型为湍流。 2.阻力的计算 冷凝器的阻力计算只需计算管层冷却水的阻力，壳程为制冷剂蒸汽冷凝过程，可不计算 流动阻力。冷却水的阻力可按下式计算： Hf d 2g Z u 2g 式中： 管道摩擦阻力系数，湍流状态下，钢管 =0.22Re-0.2； Z 冷却水流

11、程数； L 每根管子的有效长度， m； d 管子内直径 , m； u 冷却水在管内流速， m/s ； g 重力加速度， m/s2； 局部阻力系数，可近似取为 =4Z Hf L u2 d 2g u 2g 0.027 2 4 1.492 0.033 2 9.8 12 4 12 1.49 2 9.8 5.36m水柱 4. 传热面积安全系数 AA 100% A 式中： A 实际布置所得的传热面积， m2 ； A 理论传热面积， m2 管外总传热面积： 2 A1 NTd0l12963.140.0386927.8m2 管内总传热面积： 2 A2 NTdl12963.140.0336805.7m2 实际总传

12、热面积： A（ A1 A2）/2（927.82805.7）/2=866.8 m2 理论总传热面积： A 791.5m2 安全系数 （ 866.8 791.5）/ 791.59.5 一般要求安全系数为 3 15（ 0.030.15），故本设计合符要求。 5.长径比 L/D 式中： L 每程管长， m； D 壳体内径， m。 L/D= 6/1.9164= 3.13 符合 38 范围要求 五、设计结果主要参数表 序 号 项目 结果 序 号 项目 结果 9 冷凝换热管 无缝钢管 2 管程 12 材料 1 10 换热管规格 382.5 2 总管数 1296 mm 2 11 单程管数 108 2 管心距 48mm 3 12 轴线偏转角 7 2 冷库冷负 360kw 度 4 荷 六、设计评论 因为城市位于海边，有大量海水资源。冷却可使用海水进行，可以节省宝贵淡水资源，推进可 持