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 ：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 tw132 c ，出口温度 t w237 c ，冷凝温度 t k ：由tkt1t2m32 375.540 c 。222：蒸发温度 t0 确定 :冷冻水进口温度 t s112 c ，出口温度 ts27 c ，蒸发温度 t 0 ：由t0ts1ts2m 12 77.5 2 c。223：吸气温度 7 c ，采用热力膨胀阀时 ，蒸发器出口温度气体过热度为

2、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 。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 ：.专业资料 .状态点符号t00p0h0t11v1h12t2p2h24t4h4h2 s2sh33单位c210 kpacm3 / kgkJ / kgc102 kpakJ / kgckJ / kgkJ / kgkJ / kg参数值23.239870.06640352.210.1643235249427.65255根据 t0 确定蒸发压力p0 ，作等压线饱和气体线交得0 点p0 的等压线交 t1 ，查压焓图取指示效率为0.85pk

3、等压线与 t4 过冷等温线交于 4 点，其中 h4 h52 热力计算性能（ 1 ）单位质量制冷量qoq0h1h5403249154KJ Kg（ 2 ）单位理论功 wow0'h1h2s427.6540324.65 KJ Kg（ 3）制冷循环质量流量qm.专业资料 .qmQ0233.6sq01.517 Kg154（ 4）实际输气量 qvsqvsqmv1 1.517 0.066m3/s0.1（ 5）输气系数 ：取压缩机的输气系数为 0.75（ 6）压缩机理论输气量 qvhqvs0.10.133m3 sqvh0.75（ 7）压缩机理论功率popqw1.51724.6537.4Kw0m0(8)压

4、缩机指示功率pipi p0 i37.4 0.85 44Kw（ 9）制冷系数及热力完善度理论制冷系数 ：实际制冷系数 ：0q01546.25w024.65iQ0 m233.6 0.9spi4.78m44： cT0275.15卡诺循环制冷系数T07.24TK313.15 275.15故热力完善度为 ：s4.780.667.24c（ 10）冷凝器热负荷由 h2h2sh1432kJ / kg ，h1i则 Qkqm (h2h3 ) 1.517(432 255) 268kJ / kg.专业资料 .（ 11）压缩机的输入电功率qm wo1.51724.650.9, mot 0.86由 p48.3kw ，取m

5、m mot0.9 0.86（ 12）能效比Q0233.6EER4.836p48.3循环的热力计算如下 ：序号项目1单位制冷量2单位理论功3 制冷循环质量流量4实际输气量5输气系数6 压缩机理论输气量7 压缩机理论功率8 压缩机指示功率9理论制冷系数10实际制冷系数计算公式q0h1h5w0h2 s h1Q0qmqoqvsqm vqvhqvspoqmwopipoiiQ0mspimptqmw0结果备注154kJ/kg24.65kJ/kg1.517 kg / s0. 1m3 / s0.750.133 m3 s37.6kW44kW6.254.7811 卡诺循环制冷系数cT0TKT07.24.专业资料 .

6、12热力完善度s0.66c13冷凝器热负荷Qk268kJ / kg14压缩机的输入轴功率qmwo48.3kWpm15能效比Q04.836EERp3.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

7、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.专业资料 .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

8、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。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

9、，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 、热泵机。根据已知条件进行计算选型：吸气状态的比体积 ： v 6.610 2 m3 / kg1压缩机的实际输气量 ： qvsqmv1 0.1m / s压缩机的理论输气量 ： qvhqvs0.133m3 s 478.8m3 / h.专业资料 .制冷压缩机的理论功率p0 、指示功率 pi ：p0qmwo37.4kwpipo =37.444kWi0.85选用比泽尔 CSH8573-110Y-40P型号螺杆式 压缩机机

10、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：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合适。污垢系数的选择参看文献 ，可取氟利昂侧r0 =0.086m2 /kW ，冷冻水侧r1 = 0.086m 2 /kW 。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3000 4000 。参看文献数据 ，取冷冻水流速u = 2m/s 。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.专业资料 .管：16mm ×1.5mm ，因其增强系数相比较大

11、，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 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= 0.00892/ msf0.00125m每米管长翅侧面积 ： a f =(dt2db2 ) =(0.01586 20.012862 ) = 0.1083 m2 / m2sf2 0.00125每米管长翅间管面面积 ：ab =db (sf st ) =0.01286(0.001250.

12、000223)= 0.0332m2 / msf0.00125每米管长管外总面积 ： aof = a + a f+ ab = 0.1504 m2/ md每米管长管内面面积 ： ai=di =0.014= 0.0345 m2 / m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 。2由传热学附录 9 中查得其有关物性参数如下 ：水 = 994.3 kg / m 3c水 = 4.174kJ /( kg K )冷却水流量为 ：qv=Qk=2680.012923/ s水c水（tw1994.3 4.174mtw2）37 32（ 2.8）.专业资料 .估算传热管总长参

13、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 5000 7000 W / m2范围内取值 。本设计假定 q0 = 5000 W / m2 。则应布置的传热面积 ： Aof=Qk=268 10 353.6m 2q05000应布置的有效总管长 ： L =Aof=53.6356.4maof0.1504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 =0.01292m3 / s ，则每流程管数Z =4qv=40.012922u1 .5di3 .140.011 2= 90.68 （根），圆整后取 Z =91

14、根。4 qv40.012921.495 m / s则实际水流速 u3.142d i Z0.01191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 / D i 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 / D i21821.9560.4274.5843640.9780.6031.62参看文献 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），单位为m；(1.25 1.30

15、 d0d0 管外径，单位为 m 。.专业资料 .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Di1.25sNZ ）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 / D i 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热力计算水侧表面传

16、热系数从管子在壳体的实际排列来看，每个流程的平均管子数为n=92 ，因此在管内的水速平均值为：4qv4 0.01292m s1.48 /udi2 n0.011292由 tm = 34 查文献 2 附录 9 表得其运动粘度 v 0 .7466 106 m 2 / 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 =21806 10 4 ，亦即水在管内的流动状态为湍流，则由文献 1 ，0.746610678 中式（3-5 ），水侧表面传热系数 ：wiB u 0.82178 .21.48 0.87345 .6W /( m

17、 2 K )d i0.20.0110.2.专业资料 .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420.833440.8332060.833580. 833n1840.745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 )(15.862 -12.862 )h4dt4mm = 4.26mm15.86增强系数 ：abaf11ab1.1( db ) 4=0.03321.10.0332 0.1038(12.86) 4 =1.54aofaofh0.15040.15044.2

18、6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.专业资料 .由文献 1， 76式（3-1 ）计算氟利昂侧蒸发表面传热系数，ko 0.725Bdb0.25n (two t o ) 0.25= 0.725 1516 .30. 01286 0 .251.54 0. 745 （ t kt0）0.253745 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 , 。实际所需热流密度计算对数平均温差mtw 2t w137 32 5.1ln tktw1ln 4032tktw24037水侧污垢系数

19、 ri = 0.00086 m2k /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2）：q0= 37450.75W / mko 0oqomo1aofaof(i )amaiai5.10 o1280 （5.1 o )(1） 0.1504 0.00150.15040.0000860.03453930.042.10544.6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 / q0 （ W / m2 ）q0 （ W / m2 ）2629840961.7557543501.653284480.专业资料 .1.4482046

20、08当 0 =1.4 c ，两式的 qo 值误差已经很小了 ，取 q04714W / m2 ，计算实际需要的传热面积 ： AofQK26800056.85m2 ，初步设计结构中实际布置冷凝qo4714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0.31640.3 16 40.0260.250.25Ref21806冷却水的流动阻力Pi 为Pi12Nlt1.5 N12udi=1994.31.48 2 0.026220.071.5(2 1)20.011

21、 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 '0.1Pi 0 .1 25800 10 60.1258 MPa.专业资料 .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d 0=16mm时，换热管中心距为s=22mm ，分程隔板槽两侧相邻中心距IE=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

22、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l2(3.28)Di50.4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。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.专业资料 .表 5-4-1胀接时的管板最小厚度换热管外径 d o/mm25>25 <

23、5050用于易燃易爆及最小厚度 d o有毒介质的场合min用于无害介质的一般场合0.75d o0.70d o0.65d o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. 本设计选择管板厚度为30mm 。管孔直径 d p：根据文献 1 表 3-5 得换热管外径 d 0： 16mm允许偏差 00.16管板管孔径 d p： 16.25mm允许偏差0.050.13.3 分程隔板根据文献 5 ，

24、分程隔板厚度选12 mm ，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 o10d 1414<d<2525<d 57.专业资料 .拉杆直径 dn101216壳体公称直径d， mm拉杆400700直径<4090013001500180020002300<70<90dn0<1300<1500<1800<2000<2300<260000mm拉杆数量10461012161824283212448101214182024164466810121216由于换热管外径为16mm ，故拉杆直径取12mm ，

25、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：l 21.5d018mm3.5 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 1.569MPa,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.专业资料 .水的流量 qvs =0.01292 m3/ s ，选流速 u1.2m / s ，故管内径4qv4 0.012920

26、.117 m 117 mmd i3.14 1.2u查文献 6 可取无缝钢管 1211. 202 m / s6mm 。实际流速为 u制冷剂连接管由原始数据查 R134 的 lg ph 图得，冷凝器进口处220 .88 10 3 m3/ kg ，冷凝器出口43 .82 10 3 m3 / kg 。根据： qm1.517kg / s液体的体积流量qv1 = q m 41 .517 3 .82 10 35 .79 10 3 m3 / s蒸气的体积流量qv 2q m 21.51720 .88 10 331 .67 10 3m3 / s出液接管的内径 （选液体流速为 u1 1m / s ）4qv145.7

27、910 30.0859 m 86mm(3.34)d1i3.141u1圆整后，查文献 6取无缝钢管894mm进气接管内径 （选蒸汽流速为 u210m / s ）4qv 2431.6710 30.0635 m63 .5mm(3.35)d 2i3.1410u2圆整后，查文献 6取无缝钢管684mm。实际流速为 u28.7m / 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 。.专业资料 .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2据壳体外径 DN=400m

28、m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200mm ，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 。.专业资料 .（ 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 15

29、0 ，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 ：JB T 471