壳管式冷凝器课程设计讲解

1、 壳管式冷凝器课程设计 第一部分： 一：设计任务： 用制冷量为 273.6KW 的水冷螺杆式冷水机组，制冷 剂选用 R134a ，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。 二：工况确定 1：冷凝温度 tk 确定： 冷却水进口温度 tw1 32 c ，出口温度 tw2 37 c ，冷凝温度 tk：由 tk t1 t2 2m 32 37 5.5 40 c。 2 2：蒸发温度 t0 确定: 冷冻水进口温度 ts1 12 c，出口温度 ts2 7 c ，蒸发温度 t0 ：由 ts1 ts2 t0 2m 12 7 12 7 7.5 2 c 。 2 3：吸气温度 7 c ，采用热

2、力膨胀阀时，蒸发器出口温度气体过热度 为 3 5 c 。过冷度为 5 c，单级压缩机系统中，一般取过冷度为 5 c 。 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 t0 c 2 根据 t0 确定蒸发压力 p0 ，作等压 线饱和气体线交得 0 点 p0 102kpa 3.2 h0 kJ /kg 398 1 t1 c 7 p0 的等压线交 t1 ，查压焓图 v1 m3 /kg 0.066 h1 kJ /kg 403 2 t2 c 52.2 取指示效率为 0.85 p2 2 102 kpa 10.16 h2 kJ /kg

3、432 4 t4 c 35 pk 等压线与 t4 过冷等温线交于 4 点，其中 h4 h5 h4 kJ /kg 249 2s h2s kJ /kg 427.65 3 h3 kJ /kg 255 2 热力计算性能 （ 1）单位质量制冷量 qo q0 h1 h5 403 249 154 KJ Kg （ 2）单位理论功 wo w0 h2s h1 427.65 403 24.65 KJ Kg 3）制冷循环质量流量 qm qm Q0 q0 233.6 154 1.517Kg s 4）实际输气量 qvs 3 qvs qm v1 1.517 0.066 0.1m / s 5）输气系数 ：取压缩机的输气系数为

4、 0.75 6）压缩机理论输气量 qvh qvs 0.1 0.75 0.133m3 s 7）压缩机理论功率 po p0 qm w0 1.517 24.65 37.4Kw （8）压缩机指示功率 pi p p i 37.4 0.85 44Kw 9）制冷系数及热力完善度 理论制冷系数： 0 q0154 6.25 w0 24.65 实际制冷系数： m pi 233.6 0.9 44 4.78 卡诺循环制冷系数： T0 TK T0 275.15 313.15 275.15 7.24 故热力完善度为： s 4.78 0.66 c 7.24 （ 10）冷凝器热负荷 由 h2 h1 h2s h1 432kJ

5、/kg ， i 则Qk qm(h2 h3) 1.517(432 255) 268kJ / kg 11）压缩机的输入电功率 由p qmwo m mot 1.517 24.65 0.9 0.86 48.3kw ，取 m 0.9, mot 0.86 12）能效比 E E R Q0233.6 4.836 p 48.3 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 q0 h1 h5 154kJ/kg 2 单位理论功 w0h2sh1 24.65kJ/kg 3 制冷循环质量流量 Q0 qm qo 1.517 kg / s 4 实际输气量 qvs qmv 0.1m3 / s 5 输气

6、系数 0.75 6 压缩机理论输气量 qvs qvh 0.133m3 s 7 压缩机理论功率 po qmwo 37.6kW 8 压缩机指示功率 po pi ii 44kW 9 理论制冷系数 iQ0 m s m pi 6.25 10 实际制冷系数 pt qm w0 4.78 11 卡诺循环制冷系数 cT0 c TK T0 7.24 12 热力完善度 s c 0.66 13 冷凝器热负荷 Qk 268kJ /kg 14 压缩机的输入轴功率 qmwo pmm o m 48.3kW 15 能效比 EER Q0 4.836 p 3. 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

7、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 器内一定的蒸发压力；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Q0=233.6KW,需 要选配制冷压缩机。 压缩机的种类很多， 可分两大类容积式和速度型。 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， 使压力升高 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

8、的程度， 由于 其压力范围大，能够适合较广的能量范围，有高速，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，国内应用极为普遍，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。

9、 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高精密轴 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 99.7 ， 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. 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高压缩比机 种，效率高。可靠性佳，适用于风冷机组

10、、热泵机。 根据已知条件进行计算选型： 吸气状态的比体积： v1 6.6 102m3 /kg 压缩机的实际输气量： qvs qm v1 0.1m/ s 压缩机的理论输气量： qvh qvs 0.133m3 s 478.8m3 /h 制冷压缩机的理论功率 p0 、指示功率 pi： p0 qm wo 37.4kw po pi i i 37.4 = 44kW 0.85 选用比泽尔 CSH8573-110Y-40P型号螺杆式 压缩机机组，制冷量为 243kw 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，制冷量相对较大，本次设计选用壳管式器较为

11、合 适。 2.2.2 污垢系数的选择 参看文献，可取氟利昂侧 r0= 0.086 m2 /kW，冷冻水侧 r1 = 0.086 m2 /kW。 2.2.3 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 30004000。参 看文献数据，取冷冻水流速 u = 2m/s 。 2.2.4 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： 16mm1.5mm，因其增强系数相比较大， 有利换热。其有关结构参数如下： 管内径 di =11mm， 翅顶直径 dt =15.86mm ，翅厚 t =0.223mm ，翅根管面外径

12、 db =12.86mm ，翅节距 sf =1.25mm，翅高 h1.5mm。 单位管长的各换热面积计算如下： 每米管长翅顶面积： ad= dt t = 0.01586 0.000223 = 0.0089 m2 /m sf 0.00125 每米管长翅侧面积： af (dt2 db2) = (0.015862 0.012862) = 0.1083 m2 /m 2sf 2 0.00125 每米管长翅间管面面积： ab= db(sf st) = 0.01286 (0.00125 0.000223) = 0.0332 m2 /m sf 0.00125 每米管长管外总面积： 2 aof =ad+af +

13、ab= 0.1504 m /m 每米管长管内面面积： ai =di = 0.014= 0.0345 m2 / m 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， tm =32 37 =34.5 。 m2 由传热学附录 9 中查得其有关物性参数如下： 水 = 994.3kg / m3 c水 = 4.174 kJ /( kg K) 冷却水流量为： 2.8) qv= 水c水(Qtwk1 tw2)=994.3 4.127648 37 32 0.01292 m3/s 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 q0 ，在设计条件下，热流密度 q0 可在 50

14、007000W / m2范围内取值。本设计假定 q0= 5000W/m2。 则应布置的传热面积： Aof = Qk = 268 10 53.6m2 q05000 应布置的有效总管长： L = Aof = 53.6 356.4m a0.1504 2.2.7 确定每流程管数 Z，有效单管长 l 及流程数 N 冷却水的流速 u = 1.5m/s，冷却水流量 qv= 0.01292 m3 / s，则每流程管数 Z = 4q2v = 4 0.01292= 90.68(根)，圆整后取 Z =91 根。 di u 3.14 0.011 2 1.5 则实际水流速 u 4qv4 0.0129221.495m /

15、 s diZ 3.14 0.0112 91 对流程数 N、总根数 NZ、有效单管长 l 、壳体内径 Di 及长径比 l /Di 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 l /m 壳体内径 Di /m 长径比 l /Di 2 182 1.956 0.427 4.58 4 364 0.978 0.603 1.62 参看文献1，76，在组合计算中，当传热管总根数较多时，壳体内径Di 可 按下式估算： Di (1.151.25)s NZ 式中 s 相邻管中心距， s (1.251.30) d 0 ，单位为 m； d0 管外径，单位为

16、 m。 系数1.151.25的取法：当壳体内管子基本布满不留空间时取下限，当壳体 内留有一定空间时取上限。 （本设计取下限计算 Di 1.25s NZ ） 查看文献1表 2.3，由 d0 =16mm查得：换热管中心距 s = 22mm 参看文献 1，76，长径比 l / Di一般在 68 范围内较为适宜，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。 据此，本设计选 取 2 流程方案作为结构设计依据，管径选择 400mm的无缝钢管。 2.3 热力计算 2.3.1 水侧表面传热系数 n=92，因此在

17、管内的水速平均值 为： u 4qv2 di2n 从管子在壳体的实际排列来看，每个流程的平均管子数为 4 0.0122921.48m/ s 0.0112 92 由tm= 34查文献2附录 9表得其运动粘度 v 0.7466 10 6m2 /s。 由文献 1 表 3-12 查得其物性集合系数 B = 2178.2。因为雷诺数 Re = udi 1.48 0.011 = 21806104，亦即水在管内的流动状态为湍流，则由文献 1 ，78 0.7466 10 6 中式（ 3-5 ），水侧表面传热系数： wi B du0.2 2178 .2 01.041810.2 7345 . 6W /(m2 K)

18、d i 0.011 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 0.745 4 20.833 4 40.833 20 60.833 5 80.833 184 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： 环翅的当量高度 (dt2-db2) 4dt (15.862 -12.862) 4 15.86 mm = 4.26mm 增强系数 ： abab af db 14 0.0332 0.0332 0.1038 12.86 41 b 1.1 b f ( b )4 =1.1 () 4 =1.54 aof

19、aofh 0.1504 0.1504 4.26 查文献1，76表 3-11，R134a在冷凝温度 tk=40时，其物性集合系数 B = 1516.3 由文献 1， 76式（ 3-1）计算氟利昂侧蒸发表面传热系数， ko 0.725Bdb 0.25 n(two to) 0.25 =0.725 1516 .3 0.01286 0.25 1.54 0.745 （tk t0）0.25 3745 00.25 W/（m2 K） 其中two 管外壁面温度 ,； 0 蒸发温度与管外壁面温度之差 ,。 对数平均温差 m tw2 tw1 ln tk tw1 tk tw2 2.3.3 实际所需热流密度计算 37 3

20、2 5.1 40 32 ln 40 37 水侧污垢系数 ri = 0.00086m2 k/W 。 将有关各值代入文献 1，78 式（3-6）和（3-7），热流密度计算 q0（单位为 W/m2）： q0 0.75 ko 0 = 3745 o0.75 qo mo 1aofaof i） aiaiam 5.10 o （105144.6 0.000086） 00.10530445 0.3090315 0.1504.1280 （5.1 o） 0.042 . 选取不同的 0 （单位为）进行迭代计算， 计算结果列于表： qo计算结果 0 / 2 q0（W /m2） 2 q0（W/m2 ） 2 6298 409

21、6 1.7 5575 4350 1.6 5328 4480 1.4 4820 4608 当 0 =1.4 c ，两式的 qo 值误差已经很小了，取 q0 4714W /m2 ，计算实际 需要的传热面积： Aof QqoK 2648701040 56.85m2，初步设计结构中实际布置冷凝传热为 53.6 m2 ，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 为 0.3164 Ref 0.25 0.3164 218060.25

22、0.026 冷却水的流动阻力 Pi 为Pi 1 u2 N lt 1.5 N 1 ii 2 di 1 2 2 0.07 = 994.3 1.482 0.026 2 1.5 （2 1） 2 0.011 25800Pa 式中， N管程； lt 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 lt =（2+0.07 ）m 。 考虑到外部管路损失，冷却水泵的总压头约为 P 0.1 Pi 0.1 25800 10 6 0.1258 MPa 结构设计计算 3.1 筒体 根据文献 3 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

23、侧相邻中心距 I E=35mm。 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内壁的最短 距离 b=0.25d 且不小于 8mm, 故本设计取 8mm。 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： D=400mm 此时实际长径比为 02.4 5 (3.28) 目前所采用的换热管长度与壳体直径之比，一般在 4 l Di 根据文献 3 ，54 ， 25 之间，故设计合理 。 3.2 管板 管板是管壳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。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

24、。 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 do/mm 25 25 50 50 最小厚度 用于易燃易爆及 有毒介质的场合 do min 用于无害介质的一般场合 0.75do 0.70do 0.65do 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 12mm。若管板采用复合管板，其复层的厚度应不 小于 3mm。对有腐蚀性要求的复层， 还应保证距复层表面深度不小于 2mm 的复 层化学成分和金相组织复层材料的要求 .本设计选择

25、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 d0： 16mm 允许偏差 00.16 管板管孔径 dp： 16.25mm 允许偏差 00.015 3.3 分程隔板 根据文献 5 ，分程隔板厚度选12mm ，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 do 10d 14 14d25 25d 57 拉杆直径 dn 10 12 16 壳体公称直径 d， mm 直径 400 400 700 900 1300 1500 1800 2000 2300 dn 700 900 1300 1500 1800 2000 2300 2600 mm

26、 拉杆数量 10 4 6 10 12 16 18 24 28 32 12 4 4 8 10 12 14 18 20 24 16 4 4 6 6 8 10 12 12 16 由于换热管外径为 16mm ，故拉杆直径取 12mm ，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壳管式换热器手册可知： l2 1.5d0 18mm 3.5 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 =1.5mm垫, 片外径为 890mm,内径为 618mm, 设计压力为 1.

27、569MPa,垫片 系数 m=2.75,比压力 y=25.5MPa。 3.6 连接管的确定 冷却水进出口连接管 水的流量 qvs=0.01292m3 / s ，选流速 u 1.2m/s，故管内径 di 4qv 4 0.01292 3.14 1.2 0 .117 m 117mm 查文献6可取无缝钢管 121 6mm。实际流速为 u 1.202 m /s 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20.88 10 3m3 /kg ，冷凝 器出口 4 3.82 10 3m3 / kg 。 根据： qm 1.517kg /s 液体的体积流量 3 3 3 qv1=qm 41

28、.517 3.82 10 3 5.79 10 3 m /s 蒸气的体积流量 qv2 qm 2 1.517 20.88 10 3 3 3 31.67 10 m / s 出液接管的内径（选液体流速为 u1 1m/s ) 4qv14 5.79 10 3 d1iuv11 3.14 1 0.0859 m 86mm (3.34) 圆整后，查文献 6 取无缝钢管 89 4mm 进气接管内径（选蒸汽流速为 u2 10m/s ） d2i 4qv2 4 31.67 10 0.0635 m 63.5mm u2 3.14 10 (3.35) 圆整后，查文献 6 取无缝钢管 68 4mm 。实际流速为 u2 8.7m/

29、s。 3.7 法兰结构设计 （ 1） 管板法兰设计 ：本次设计管板与壳程圆筒连为整体，其延长部分兼作法兰， 与 管箱用螺柱、 垫片连接。 根据关系可知：法兰的宽度 bt （D f D0） ，根据法兰尺寸标准，与壳体配合，根据 2 壳体外径 DN=400mm 和文献，管板的法兰选用外径 D=490mm,内径 B=400mm， 厚度 C=26mm 的法兰。法兰固定螺栓孔中心圆直径 K=445mm ，螺栓孔孔径 L=22mm，螺栓规格为 M20 ，螺栓数量 n=16。 （ 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200

30、mm，螺纹孔直径为 18，选用型号为 M16 的螺栓，螺 栓的数目为 8 个，法兰厚度为 20mm。 （ 3） 制冷剂进出口法兰设计 ：根据进制冷剂的管道为 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 1.6MPa ，筒体直径为 400mm 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： J