管壳式冷凝器的设计的说明书

“食品工程原理”课程设计Evaluation

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Aspo管se壳.S式lid冷冷es凝fo器r

设.NE计T

说3.5明C书lient

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Ltd.山东万合制冷设备有限公司目录设计任务书……………1流程示意图……………2设计方案………………3设计计算………………5设计评价及讨论………13附录……………………13参考文献………………13Evaluation

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As•po设s计e核.算S…l…i…d…e……s…f…o…r…….…N…E…T……3….…5…C…l……i…e…n9t

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5.•Cop设y计r总i概g要表h…t…2…0…0…4…-…2……0…1…1…A…s…p…o…s……e…P…t…y…1L2

td.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℃E，va采l用u回a热t循io环n

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w3i.t冷h凝器As用p河o水s为e冷.S却l剂i，d可e取s进f口o水r温.度NE为T25～3.285℃Client

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5.4.传热面积安全系数5～15%四、设计要C求op：yright

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Ltd.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：库蒸发器使用。涉及E的v压aluation

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w缩i式th制A冷sp机o主se要.由Sl蒸id发e器s

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5.、压缩机Co、p冷yr凝ig器h和t膨20胀04-2011

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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：–4-1的过程中：冷过程。其中2-2’—冷却(到冷凝(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在回热循环1-2-2’-3’-3线1-2：绝热可逆压缩(等E熵va)。luation

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w线i2t-h3：A等s压po冷s却e.、S冷l凝id及e过s

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5.饱和蒸汽C)(o等p压yr)；ig2’ht-3’20—04-2011

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Ltd.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E较va低lu，at且io目n前on大ly、.中型氨制冷系ated

w统it及h氟As利po昂se制.冷Sl系id统es多f采or用.这NE种T

3冷.凝5

C器li，e有nt一Pr定o的file

5.通用性C。opyright

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Ltd.表1常用冷凝器的比较Evaluation

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Ltd.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，在常温和普通低同制冷量的情况下，系统中的制冷剂循环量较少，温范围内压力比较E适va中lu，at单io位n容on积ly制.冷量大，在相ated

w氨it粘h性As小po，se流.动Sl阻id力es小f，or创.热NE性T

3能.好5

C，li在e制nt冷Pr系o统file

5.中不会C出op现yr冰i塞gh现t

2象0。04虽-2然01氨1

对As人po体se有P较ty大L的td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。）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E；valuation

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w2i.t冷h

A却s剂po走se管.S程li，de能s控fo制r适.N当ET的3流.5速C，li以en保t

证Pr有ofile

5.较高的C传op热yr系i数gh；t

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Ltd.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。•Evaluation

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w2i．t冷h却A剂sp进o出s口e.温S度lides

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5.

由C于o用py河r水i为gh冷t却2剂0，0可4-取2进01口1水A温s度p为os25e～P28t℃y，L取td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℃。••Evaluation

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5.4．冷库Co温py度ri与gh蒸t发20温04度-2011

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Ltd.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)ρ=995.7(kg/m3）H=125.69(kJ/kg)cp=4.174（kJ/kg·K)

λ=61.71×10-2(W/m·K)

η•Evaluation

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w=i80t.h12A×sp10o-s5e(.PaS·lisd)es

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Ltd.6．钢管选择

传热管道尺寸选取ф38×2.5mm的无缝钢管，其导热系数λ=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•Evaluation

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5.式中：F——冷凝C器的o传p热面y积r，im2；ght

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Ltd.——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Ev比a热lu容at，i；on由o于nl冷y却.剂为河水性质取。ate•d

wit、h

A—s—po冷s却e.水S进li、de出s冷f凝or器.的NE温T度3，.5℃C。lient

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Ltd.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•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：Evaluation

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w由i于t冷凝h器A的长s径p比o有s一e定.要求S，l一i般dL/eD=3s～8f。若o按r单程.设N计EL太T长，3超.过5上述C长l径i比e时n，一t般P可采r用o多file

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Ltd.••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α，查表可得α可取7°即当管子外径d0=38mm时，a＝48mm，α=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＝150.4

N/cm2。——材料的许用应力，钢管的=9810N/cm2；——焊缝系数，采用双面焊缝=0.85••••••C——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。Evaluation

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Ltd.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，=1400KJ/Kgh4=190KJ/Kg•制冷循环量：制冷系数：h2=1620KJ/KgEvaluation

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whi3，t=h350AKJs/Kpgosh3e=1.90SKJl/iKgdes

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5.单位制冷量C：opyright

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Ltd.设计核算2．雷诺数1．冷却剂实际流速Evaluation

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Ltd.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(αi)：αi=0.023Re0.8Prnλ/d式中：λ——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。••••==×=4927.2

W/m²·K管外制冷剂冷凝膜系数（α0）：••••式中：λ——冷凝液的导热系数，W/m·K；ρ——冷凝液的密度,kg/m3；r——氨蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg；•μ——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；ΔT——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℃，ΔT=38-(t1+t2)/2=38-(26+34)/2=8℃。冷凝液的定性温度tf＝tk-ΔT/2＝37-8/2＝33℃。查书[5]可知：•••••••ρ＝591kg/m-3，

r=1107.5kJ/kg,

μ=130×10-6

Pa·s，λ=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。Evaluation

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Ltd.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（ε）：该安全系数属于5-15%范围，符合要求。5．阻力计算Z——冷却水的流程数，Z=12；•式中：λ——管道的摩擦阻力系数，在完全湍流状态下，钢管；••••••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。Evaluation

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Ltd.冷凝器类型卧式壳管式进口温度26℃制冷剂氨

出口温度34℃换热管型号管长6mφ38×2.5无缝钢管冷凝温度

37℃蒸发温度

-8℃每层管数51根

过热温度-7℃管程12程过冷温度

34℃总管数管子排列方式612根平均温差

6.16℃正三角形排列管心距48mm

热负荷1800kW流速1.238m/s1400mm

Re50780偏心角

7°••壳体内径外壳壁厚20mm

冷却水用量0.054m3/sEv冷a负l荷uat150i0koW

n

only.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8.04m

H2O安全系数9.04％ated

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Ltd.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，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，，但是起码增强了对