殼管式冷凝器課程設計講解

1、殼管式冷凝器課程設計第一部分:設計任務：用制冷量為273.6KW的水冷螺桿式冷水機組，制冷劑選用R134a，蒸發(fā)器形式采用冷卻液體載冷劑的臥式蒸發(fā)器，冷凝器采用臥式殼管式。二：工況確定1 :冷凝溫度tk確定:冷卻水進口溫度twi =32 c，出口溫度tw2 =37 c，冷凝溫度tk :由tk4 40 c。22 :蒸發(fā)溫度to確定:冷凍水進口溫度tsi=12c，出口溫度ts2=7c，蒸發(fā)溫度to :由+ tsi *ts2t0127-7.5 = 2 c。23:吸氣溫度7c,采用熱力膨脹閥時，蒸發(fā)器出口溫度氣體過熱度為35 c。過冷度為5 c，單級壓縮機系統(tǒng)中，一般取過冷度為5 c。熱力計算:1 :

2、熱力計算：制冷循環(huán)熱力狀態(tài)參數(shù)經過查制冷劑的參數(shù)可知，作表格如下：狀態(tài)點符號單位參數(shù)值0t2根據t0確定烝發(fā)壓力P0，作等壓線飽和氣體線交得0點P0i02kpa3.2h0kJ / kg3981ti先7P0的等壓線交ti，查壓焓圖Vim3 / kg0.066hikJ / kg4032t2c52.2取指示效率為0.85P2102 kpa10.16h2kJ / kg4324t435Pk等壓線與t4過冷等溫線交于4點，其中h4 = hsh4kJ / kg2492sh2skJ / kg427.653h3kJ / kg2552熱力計算性能(1 )單位質量制冷量 qq廠 hi h5=403-249 =154

3、 KJ Kg(2 )單位理論功WoW0 = h2s 一 hi 二 427.65 一 403 二 24.65 KJ Kg(3)制冷循環(huán)質量流量 qmqmQoq。233.6154= 1.517Kg s(4)實際輸氣量qvs3q s = qm V1 = 1.517 漢 0.066 = 0.1m / s(5)輸氣系數(shù)，：取壓縮機的輸氣系數(shù)為0.75(6)壓縮機理論輸氣量qvhqvs0.10.75=0.133m3 s(7)壓縮機理論功率 p。p0 =qm W。=匸5172465 =37.4Kw(8) 壓縮機指示功率PiPi 二 p. j =37.4. 0.85 =44Kw(9) 制冷系數(shù)及熱力完善度理論

4、制冷系數(shù)：；0 = $56.25w024.65實際制冷系數(shù):mPi233.6 0.944-4.78卡諾循環(huán)制冷系數(shù):T。Tk -T0275.15313.15-275.15= 7.24故熱力完善度為：=478二0.66%7.24(10) 冷凝器熱負荷由 h2 二 h 仏 二 432kJ / kg，i則 Qk = qm (h2 - h3) = 1.517(432 - 255) = 268kJ / kg(11) 壓縮機的輸入電功率qmW。n nm mot1.517 24.650.9 0.86二 48.3kw，取 m= 0.9, mot0.86(12) 能效比eerQ.233.6.4.836p 48.

5、3循環(huán)的熱力計算如下:序號項目計算公式結果備注1單位制冷量q0 = h - h5154kJ/kg2單位理論功w0 = h2s - h|24.65kJ/kg3制冷循環(huán)質量流量Qoqm q。1.517 kg/s4實際輸氣量qvs = qmv0.1m3/s5輸氣系數(shù)九%0.756壓縮機理論輸氣量q vsqvh-扎0.133m3/s7壓縮機理論功率P。= qmWo37.6kW8壓縮機指示功率Po Pi = 叫44kW9理論制冷系數(shù)勺Q。*1 mZs= =mPi6.2510實際制冷系數(shù)Pt =qm 伽4.7811卡諾循環(huán)制冷系數(shù)T0cTk-T。7.2412熱力完善度n =電軋0.6613冷凝器熱負荷Qk

6、268kJ / kg14壓縮機的輸入軸功率qmWoP_ nm48.3kW15能效比EERu4.836P3.壓縮機的選型在制冷系統(tǒng)中，壓縮機起到非常大的作用。它是整個系統(tǒng)運行的心臟，帶動 整個系統(tǒng)的正常運行。壓縮機的作用主要是：從蒸發(fā)器中吸出蒸汽，以保證蒸發(fā) 器內一定的蒸發(fā)壓力；提高壓力（壓縮），以創(chuàng)造在較高溫度下冷凝的條件；輸 送制冷劑，使制冷劑完成制冷循環(huán)。制冷系統(tǒng)所需要的制冷量Q0=233.6KW,需要選配制冷壓縮機。壓縮機的種類很多，可分兩大類一容積式和速度型。容積式壓縮機是靠工作 腔容積改變實現(xiàn)吸氣、壓縮、排氣等過程。這類壓縮機又分往復式和回轉式壓縮 機。往復式又稱活塞式。速度型壓縮機

7、是靠旋轉的葉輪對蒸汽做功，使壓力升高以完成蒸汽的輸送，這類壓縮機又分離心式和軸流式?；钊綁嚎s機是問世最早的一種機型， 至今已發(fā)展到幾乎完善的程度，由于 其壓力范圍大，能夠適合較廣的能量范圍，有高速，多缸能量可調，熱效率高， 適用多種制冷制等優(yōu)點。并且我國對此機的加工制造已有數(shù)十年的經驗，加工較 容易，造價也較低，國內應用極為普遍，有成熟的運行管理，維護經驗。本設計初步選擇螺桿式冷媒壓縮機。螺桿壓縮機一般都是指雙螺桿壓縮機， 它由一對陽、陰螺桿構成，是回轉壓縮機中應用最廣泛的一種，在化工、制冷及 空氣動力工程中，它所占的比重越來越大。螺桿式熱泵機組無論是COPS還是維 護費用、振動頻率、噪音等

8、性能均優(yōu)于活塞式熱泵機組。該產品有以下特點：1. 四段容調或連續(xù)卸載控制設計，隨負荷變化調整壓縮機的輸出，節(jié)省能源消耗。2. 轉子經專用研磨加工及動力平衡校正，配合進口德國FAG及瑞典SKF高精密軸 承，運行平順，振動小，噪音低。3. 采用法國進口高效率耐氟電機，效率高、可靠性好。4. 采用最新的第三代非對稱齒形，公稱子五齒，母轉子六齒，齒間壓力落差及回 吹孔小，容積效率高，節(jié)省能源。采用全新高效油分離器，分油效果達 99.7 %, 有利于提高機組蒸發(fā)器效率，并適用于滿液式蒸發(fā)器設計。5. 半密閉設計不需要軸承，無軸封泄漏問題、可靠性佳，且馬達與機體為分離式 設計，易于維護與保養(yǎng)。6. 除一般

9、的冷水機組和空調儲冰系統(tǒng)以外，依使用工況不同另設計高壓縮比機 種，效率高?？煽啃约?，適用于風冷機組、熱泵機。根據已知條件進行計算選型： 吸氣狀態(tài)的比體積：v1 =6.6 102m3/kg壓縮機的實際輸氣量：qvs =qm比=0.1m/s壓縮機的理論輸氣量：qvh =空=0.133m3 s = 478.8m3/hz制冷壓縮機的理論功率p0、指示功率pi:Po =qm % =37.4kwPo Pii37.4=44kW0.85選用比澤爾CSH8573-110Y-40P型號螺桿式 壓縮機機組，制冷量為243kw第二部分：殼管式冷凝器設計2.2結構的初步規(guī)劃2.2.1：結構型式系統(tǒng)制冷量為233.6kw

10、，制冷量相對較大，本次設計選用殼管式器較為合 適。2.2.2污垢系數(shù)的選擇參看文獻，可取氟利昂側r= 0.086 m2 T/kW,冷凍水側” =0.086 m2 T/kW。223冷凍水的流速:初步設計機組每天運行10小時，則每年運行小時數(shù)約為 30004000。參看文獻數(shù)據，取冷凍水流速u = 2m/s。2.2.4管型選擇:參考文獻1,70-71中所述及文獻1表3-4。本次設計選取表3-4中的4號管：一 16mm 104，亦即水在管內的流動狀態(tài)為湍流，貝U由文獻1，780.7466 10中式（3-5 ），水側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù):wi 二=2178.20篇2 =7345.6W/(m2 K)d0.011

11、G038門3()%1d()羽 o )0 Kt(%(D!Ooo41aQQIoeGGO _ Q dp0$)00(o)0o6o oo%o o00Oe:332氟利昂側冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)根據圖3.2的排管布置，管排修正系數(shù)由文獻1 , 77中式（3-4）計算= 0.7454 20.833 ：i 4 4 0.833 ： 20 60.833 58.833184根據所選管型，低翅片管傳熱增強系數(shù)由文獻1，77中式（3-2）計算如下:環(huán)翅的當量高度二（a2d）4dt二(15.8&-12.862)4 15.86mm = 4.26mm增強系數(shù)：ab兔 af db 40.0332 0.0332 0.1038 12.86

12、 4-1.1二 -(b)4=1.1()4=1.54aofaofh 0.15040.15044.26查文獻1,76表3-11, R134a在冷凝溫度tk=40C時，其物性集合系數(shù) B = 1516.3由文獻1，76式（3-1）計算氟利昂側蒸發(fā)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，:ko =0.725Bdbn(two -to).25= 0.725 X1516 .3x0.01286 衛(wèi)25 x1.54 x0.745 （ tk _to）亠25 = 3745 弘衛(wèi)W/（maof、aof-i)- aiai am K） 其中two 管外壁面溫度C；入一一蒸發(fā)溫度與管外壁面溫度之差，C。2.3.3實際所需熱流密度計算對數(shù)平均溫差竊二

13、tw2 _tw1Inwltk - tw237一 32 = 5.1 C,40-32In4037水側污垢系數(shù)r = 0.00086m2 k/W 。將有關各值代入文獻1,78式（3-6）和（3-7），熱流密度計算q（單位為W/m2）：q。=5 = 3745 捫qo5.10-禮（爲八000086）0.0翳0常麗寸1280 n0.042 .選取不同的 （單位為C）進行迭代計算,計算結果列于表:qo計算結果%/C2q (W/m )2q (W/m )2629840961.7557543501.6532844801.448204608當=1.4 c，兩式的qo值誤差已經很小了，取q0 =4714W/m2，計算

14、實際 需要的傳熱面積：A。 =Q噸852，初步設計結構中實際布置冷凝傳熱為53.6 m2 ,較傳熱計算所需面積小5.7% ,滿足要求，可認為原假定值及初 步結構設計合理。2 .4阻力計算 2.4.1冷卻水的流動阻力計算冷卻水流動時的阻力的計算，其中沿程阻力系數(shù)為0.3164Ref0.250.3164218060.25= 0.026冷卻水的流動阻力AR為也R =丄Pu2牡N上+1.5( N+1 J2 di一1 22 0.07=994.3 1.480.026 21.5 (2 1)2 0.011=25800Pa式中，N管程；lt左、右兩管板外側端面間的距離，每塊管板厚度為35mm (見后面結構確定)

15、，則lt= (2+0.07 ) m。考慮到外部管路損失，冷卻水泵的總壓頭約為 ：p =0.1：Pi =0.12580010 “ = 0.1258 MPa結構設計計算3.1筒體根據文獻3表2.3可知，當換熱管外徑d0=16mm時，換熱管中心距為s=22mm，分程隔板槽兩側相鄰中心距l(xiāng)E=35mm。根據文獻3，46可知，熱交換器管束最外層換熱管表面至殼體內壁的最短 距離b=0.25d且不小于8mm,故本設計取8mm。根據文獻 表6-4,選用殼體經濟壁厚 8mm，故經計算得出的殼體最小外徑:D=400mm此時實際長徑比為=5輕8）目前所采用的換熱管長度與殼體直徑之比，一般在4lDi根據文獻3 , 5

16、4,25之間，故設計合理。3.2管板管板是管殼式換熱器的一個重要元件，它除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個主要受壓元件。對于管板的設計，除滿足強度要求外，同時應合理考慮其結構設計。管板選用直接焊于外殼上并延伸到殼體周圍之外兼作法蘭，管板與傳熱管的連接方式采用脹接法。（2）管板最小厚度表5-4-1脹接時的管板最小厚度換熱管外徑do/mm25 50最小厚度S用于易燃易爆及 有毒介質的場合 domin用于無害介質的一般場合 0.75do 0.70do 0.65do管板最小厚度除滿足計算要求外，當管板和管熱管采用焊接時，應滿足結構式就和制造的要求，且不小于12m m。若管板采用復合管板，其復

17、層的厚度應不 小于3mm。對有腐蝕性要求的復層，還應保證距復層表面深度不小于 2mm的復 層化學成分和金相組織復層材料的要求.本設計選擇管板厚度為30mm。管孔直徑dp：根據文獻1表3-5得換熱管外徑do： 16mm允許偏差聳6管板管孔徑dp： 16.25mm 允許偏差_0.053.3分程隔板根據文獻5，分程隔板厚度選=12mm，焊接在端蓋上3.4拉桿的直徑和數(shù)量表1 拉桿直徑選用表換熱器管外徑do10W d 1414d2525dw 57拉桿直徑dn101216殼體公稱直徑d， mm直徑 400 700 900 1300 1500 1800 2000 2300dn700900130015001

18、800200023002600mm拉桿數(shù)量10461012161824283212448101214182024164466810121216由于換熱管外徑為16mm，故拉桿直徑取12mm，其數(shù)量為4。拉桿與定距管固定，拉桿的一端用螺紋擰入管板，每兩塊折流板之間用定距管固定，拉桿最后一塊折流板用螺紋固定，拉桿的螺紋長度根據殼管式換熱器手冊可知：l2 =1.5d0 = 18mm3.5墊片的選取查文獻8,選取墊片材料為石棉，具有適當加固物（石棉橡膠板）；基礎參數(shù)為厚度S =1.5mm墊片外徑為890mm,內徑為618mm,設計壓力為1.569MPa墊片 系數(shù) m=2.75，比壓力 y=25.5MP

19、a。3.6連接管的確定冷卻水進出口連接管水的流量qvs=0.01292m3/s，選流速u =1.2m/s，故管內徑di4qv4國0.01292.3.14 1.2=0.117m = 117 mm查文獻6可取無縫鋼管121 6mm。實際流速為u = 1.202 m/s制冷劑連接管由原始數(shù)據查R134的lg ph圖得，冷凝器進口處? = 20.8 10 m3 / kg，冷凝器出口. 4 =3.82 10 Jm3/kg。根據：qm=1.517kg/s液體的體積流量_3 zqv1 = qm .4 =1.5173.82 10=5.79 10 - m /s_3_3 3= 31.67 10一 m / s蒸氣的

20、體積流量qv2 二 qm 2 = 1.517 20.88 10出液接管的內徑（選液體流速為u 1m /s)4qv14X5.79X103.14 1=0.0859 m = 86 mm(3.34)圓整后，查文獻6取無縫鋼管叮89 4mm進氣接管內徑（選蒸汽流速為u2 =10m/s）d2i4qv24*31.67心0=0.0635m=63.5mm二 u23.14 10(3.35)圓整后，查文獻6取無縫鋼管：:68 4mm。實際流速為u2 =8.7m/s。3.7法蘭結構設計（1）管板法蘭設計：本次設計管板與殼程圓筒連為整體，其延長部分兼作法蘭，與 管箱用螺柱、墊片連接。Jr根據關系可知：法蘭的寬度 bt

21、= （Df _D0），根據法蘭尺寸標準，與殼體配合，根據2殼體外徑DN=400mm和文獻，管板的法蘭選用外徑 D=490mm,內徑B=400mm,厚度C=26mm的法蘭。法蘭固定螺栓孔中心圓直徑K=445mm，螺栓孔孔徑L=22mm,螺栓規(guī)格為 M20，螺栓數(shù)量n=16。（2） 進出水口法蘭設計：根據進出水口的管道，選擇相應的法蘭，根據標準選擇240mm 的法蘭外徑，螺栓孔中心圓直徑為 200mm，螺紋孔直徑為18，選用型號為 M16的螺栓，螺 栓的數(shù)目為8個，法蘭厚度為 20mm。（3） 制冷劑進出口法蘭設計：根據進制冷劑的管道為79mm，選擇相應的法蘭，根據標準選擇190mm的法蘭外徑，螺

22、栓孔的中心圓的直徑為150,螺紋孔直徑為18,選用型號為M16的螺栓，螺栓的數(shù)目為4個，法蘭的厚度18mm。根據出制冷劑的管道為 68mm，選擇相應的法蘭，根據標準選擇的160mm的法蘭外徑。螺栓孔的中心圓的直徑為130mm。螺紋的孔直徑的14mm，選用的型號為 M12的螺栓，螺栓的數(shù)目為4個，法蘭的厚度為16mm。3.8支座的選擇支座是用來支承容器及設備重量，并使其固定在某一位置的壓力容器附 件。在某些場合還受到風載荷、地震載荷等動載荷的作用。壓力容器支座的結構形式很多，根據容器自身的安排形式，支座可以分 為兩大類：立式容器支座和臥式容器支座。由于該冷凝器為臥式容器，公稱壓力為 1.6MPa，筒體直徑為400mm 故選用鞍式支座，支座材料選用HT-200,根據標準零部件選型號為：JB.T4712 92鞍座BI 450 F。該支座必須設計墊板。因為：該容器圓筒 鞍座處的周向應力大于規(guī)定值；容器圓筒有熱處理要求；容器重量較大，地 基可能不一定為鋼筋混泥土時。公 稱 直 徑DN允許 載荷Q(KN)鞍 座 高 度h底板腹板筋板墊板螺 栓 間 距12鞍 座 重 量kghb1b3弧長b4e40060200