殼管式冷凝器課程設(shè)計(jì)

1、 殼管式冷凝器課程設(shè)計(jì)第一部分：一：設(shè)計(jì)任務(wù)：用制冷量為的水冷螺桿式冷水機(jī)組，制冷劑選用，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：冷凝溫度確定： 冷卻水進(jìn)口溫度，出口溫度，冷凝溫度：由。 2：蒸發(fā)溫度確定: 冷凍水進(jìn)口溫度，出口溫度，蒸發(fā)溫度：由。 3：吸氣溫度，采用熱力膨脹閥時(shí)，蒸發(fā)器出口溫度氣體過(guò)熱度為。過(guò)冷度為，單級(jí)壓縮機(jī)系統(tǒng)中，一般取過(guò)冷度為。三：熱力計(jì)算：1： 熱力計(jì)算：制冷循環(huán)熱力狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過(guò)查制冷劑的參數(shù)可知，作表格如下：狀態(tài)點(diǎn)符號(hào)單位參數(shù)值02根據(jù)確定蒸發(fā)壓力，作等壓線飽和氣體線交得點(diǎn)3.239817的等壓線交，查壓焓圖0.066403

2、252.2取指示效率為0.8510.16432435等壓線與過(guò)冷等溫線交于4點(diǎn)，其中2492s427.6532552熱力計(jì)算性能 （1）單位質(zhì)量制冷量 （2）單位理論功（3）制冷循環(huán)質(zhì)量流量 （4）實(shí)際輸氣量 （5） 輸氣系數(shù)：取壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)為0.75（6）壓縮機(jī)理論輸氣量 （7）壓縮機(jī)理論功率 (8)壓縮機(jī)指示功率 （9）制冷系數(shù)及熱力完善度 理論制冷系數(shù)： 實(shí)際制冷系數(shù)： 卡諾循環(huán)制冷系數(shù)：故熱力完善度為：（10） 冷凝器熱負(fù)荷 由， 則（11）壓縮機(jī)的輸入電功率由，取 （12）能效比 循環(huán)的熱力計(jì)算如下： 序號(hào)項(xiàng)目計(jì)算公式結(jié)果備注1單位制冷量154kJ/kg2單位理論功24.65kJ

3、/kg3制冷循環(huán)質(zhì)量流量1.5174實(shí)際輸氣量5輸氣系數(shù)6壓縮機(jī)理論輸氣量 7壓縮機(jī)理論功率8壓縮機(jī)指示功率 9理論制冷系數(shù)6.2510實(shí)際制冷系數(shù)4.7811卡諾循環(huán)制冷系數(shù)7.2412熱力完善度0.6613冷凝器熱負(fù)荷14壓縮機(jī)的輸入軸功率15能效比3. 壓縮機(jī)的選型 在制冷系統(tǒng)中，壓縮機(jī)起到非常大的作用。它是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的心臟，帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。壓縮機(jī)的作用主要是：從蒸發(fā)器中吸出蒸汽，以保證蒸發(fā)器內(nèi)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(jī)。 壓縮機(jī)的種類很多，可分

4、兩大類容積式和速度型。容積式壓縮機(jī)是靠工作腔容積改變實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮、排氣等過(guò)程。這類壓縮機(jī)又分往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)。往復(fù)式又稱活塞式。速度型壓縮機(jī)是靠旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)蒸汽做功，使壓力升高以完成蒸汽的輸送，這類壓縮機(jī)又分離心式和軸流式。 活塞式壓縮機(jī)是問(wèn)世最早的一種機(jī)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(diào)，熱效率高，適用多種制冷制等優(yōu)點(diǎn)。并且我國(guó)對(duì)此機(jī)的加工制造已有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，加工較容易，造價(jià)也較低，國(guó)內(nèi)應(yīng)用極為普遍，有成熟的運(yùn)行管理，維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。 本設(shè)計(jì)初步選擇螺桿式冷媒壓縮機(jī)。螺桿壓縮機(jī)一般都是指雙螺桿壓縮機(jī)，它由一對(duì)陽(yáng)、陰螺桿構(gòu)成，是回轉(zhuǎn)

5、壓縮機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種，在化工、制冷及空氣動(dòng)力工程中，它所占的比重越來(lái)越大。螺桿式熱泵機(jī)組無(wú)論是COP值還是維護(hù)費(fèi)用、振動(dòng)頻率、噪音等性能均優(yōu)于活塞式熱泵機(jī)組。該產(chǎn)品有以下特點(diǎn)：1.四段容調(diào)或連續(xù)卸載控制設(shè)計(jì)，隨負(fù)荷變化調(diào)整壓縮機(jī)的輸出，節(jié)省能源消耗。2.轉(zhuǎn)子經(jīng)專用研磨加工及動(dòng)力平衡校正，配合進(jìn)口德國(guó)FAG及瑞典SKF高精密軸承，運(yùn)行平順，振動(dòng)小，噪音低。3.采用法國(guó)進(jìn)口高效率耐氟電機(jī)，效率高、可靠性好。4.采用最新的第三代非對(duì)稱齒形，公稱子五齒，母轉(zhuǎn)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(dá)99.7，有利于提高機(jī)組蒸發(fā)器效率，并適用于滿液式蒸發(fā)器

6、設(shè)計(jì)。5.半密閉設(shè)計(jì)不需要軸承，無(wú)軸封泄漏問(wèn)題、可靠性佳，且馬達(dá)與機(jī)體為分離式設(shè)計(jì)，易于維護(hù)與保養(yǎng)。6.除一般的冷水機(jī)組和空調(diào)儲(chǔ)冰系統(tǒng)以外，依使用工況不同另設(shè)計(jì)高壓縮比機(jī)種，效率高?？煽啃约?，適用于風(fēng)冷機(jī)組、熱泵機(jī)。根據(jù)已知條件進(jìn)行計(jì)算選型：吸氣狀態(tài)的比體積：壓縮機(jī)的實(shí)際輸氣量：壓縮機(jī)的理論輸氣量：制冷壓縮機(jī)的理論功率、指示功率：=選用比澤爾CSH8573-110Y-40P型號(hào)螺桿式 壓縮機(jī)機(jī)組，制冷量為243kw。 第二部分：殼管式冷凝器設(shè)計(jì)2.2 結(jié)構(gòu)的初步規(guī)劃 2.2.1：結(jié)構(gòu)型式 系統(tǒng)制冷量為233.6kw，制冷量相對(duì)較大，本次設(shè)計(jì)選用殼管式器較為合適。2.2.2 污垢系數(shù)的選擇 參看

7、文獻(xiàn)，可取氟利昂側(cè) = 0.086 /kW，冷凍水側(cè) = 0.086 /kW。2.2.3 冷凍水的流速： 初步設(shè)計(jì)機(jī)組每天運(yùn)行10小時(shí)，則每年運(yùn)行小時(shí)數(shù)約為30004000。參看文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，取冷凍水流速 u = 2m/s。2.2.4 管型選擇： 參考文獻(xiàn)1,70-71中所述及文獻(xiàn)1表3-4。本次設(shè)計(jì)選取表3-4中的4號(hào)管：16mm×1.5mm，因其增強(qiáng)系數(shù)相比較大，有利換熱。其有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：管內(nèi)徑=11mm ，翅頂直徑=15.86mm ，翅厚=0.223mm ，翅根管面外徑=12.86mm ，翅節(jié)距=1.25mm，翅高h(yuǎn)1.5mm。單位管長(zhǎng)的各換熱面積計(jì)算如下：每米管長(zhǎng)翅頂面積：=

8、 0.0089 每米管長(zhǎng)翅側(cè)面積：= 0.1083 每米管長(zhǎng)翅間管面面積：= = 0.0332 每米管長(zhǎng)管外總面積：=+= 0.1504 每米管長(zhǎng)管內(nèi)面面積：= =0.014= 0.0345 2.2.5 冷卻水流量： 取冷卻水進(jìn)出口溫度的平均溫度為定性溫度，= =34.5 。由傳熱學(xué)附錄9中查得其有關(guān)物性參數(shù)如下：= 994.3 = 4.174冷卻水流量為：= （2.8）2.2.6 估算傳熱管總長(zhǎng) 參看文獻(xiàn)1，75，按管外面積計(jì)算熱流密度，在設(shè)計(jì)條件下，熱流密度可在50007000范圍內(nèi)取值。本設(shè)計(jì)假定 = 5000。則應(yīng)布置的傳熱面積：= = 應(yīng)布置的有效總管長(zhǎng)： L = = 2.2.7 確

9、定每流程管數(shù)Z，有效單管長(zhǎng)及流程數(shù)N 冷卻水的流速u = 1.5m/s，冷卻水流量= ，則每流程管數(shù) Z = = 90.68（根），圓整后取Z =91根。 則實(shí)際水流速 對(duì)流程數(shù)N、總根數(shù)NZ、有效單管長(zhǎng)、殼體內(nèi)徑及長(zhǎng)徑比進(jìn)行組合計(jì)算，組合計(jì)算結(jié)果如表3.2所示表3.2 組合計(jì)算結(jié)果流程數(shù)N總根數(shù)NZ有效單管/m殼體內(nèi)徑/m長(zhǎng)徑比21821.9560.4274.5843640.9780.6031.62 參看文獻(xiàn)1，76，在組合計(jì)算中，當(dāng)傳熱管總根數(shù)較多時(shí)，殼體內(nèi)徑可按下式估算： 式中 s相鄰管中心距，單位為 m； 管外徑，單位為 m。系數(shù)的取法：當(dāng)殼體內(nèi)管子基本布滿不留空間時(shí)取下限，當(dāng)殼體內(nèi)留

10、有一定空間時(shí)取上限。（本設(shè)計(jì)取下限計(jì)算）查看文獻(xiàn)1表2.3，由=16mm查得：換熱管中心距s = 22mm 。參看文獻(xiàn)1，76，長(zhǎng)徑比一般在68范圍內(nèi)較為適宜，長(zhǎng)徑比大則流程數(shù)少，便于端蓋的加工制造。當(dāng)冷凝器與半封閉式活塞式制冷壓縮機(jī)組成機(jī)組時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮壓縮機(jī)的尺寸而選取更為合適的冷凝器的長(zhǎng)徑比。據(jù)此，本設(shè)計(jì)選取2流程方案作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)，管徑選擇400mm的無(wú)縫鋼管。2.3 熱力計(jì)算 2.3.1 水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)從管子在殼體的實(shí)際排列來(lái)看，每個(gè)流程的平均管子數(shù)為n=92，因此在管內(nèi)的水速平均值為： 由= 34查文獻(xiàn)2附錄9表得其運(yùn)動(dòng)粘度。由文獻(xiàn)1表3-12查得其物性集合系數(shù) B = 2178

11、.2。因?yàn)槔字Z數(shù)Re = = = 21806，亦即水在管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，則由文獻(xiàn)1，78中式（3-5），水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 3.3.2 氟利昂側(cè)冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 根據(jù)圖3.2的排管布置，管排修正系數(shù)由文獻(xiàn)1，77中式（3-4）計(jì)算 根據(jù)所選管型，低翅片管傳熱增強(qiáng)系數(shù)由文獻(xiàn)1，77中式（3-2）計(jì)算如下：環(huán)翅的當(dāng)量高度 mm = 4.26mm 增強(qiáng)系數(shù) ：= =1.54查文獻(xiàn)1，76表3-11，R134a在冷凝溫度=40時(shí)，其物性集合系數(shù) B = 1516.3由文獻(xiàn)1，76式（3-1）計(jì)算氟利昂側(cè)蒸發(fā)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，= 其中管外壁面溫度,； 蒸發(fā)溫度與管外壁面溫度之差,。2.3.3 實(shí)際所需熱

12、流密度計(jì)算 對(duì)數(shù)平均溫差 5.1 水側(cè)污垢系數(shù)= 0.00086。將有關(guān)各值代入文獻(xiàn)1，78 式（3-6）和（3-7），熱流密度計(jì)算（單位為）： = 3745 選取不同的（單位為）進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列于表： 計(jì)算結(jié)果/（） （）2629840961.7557543501.6532844801.448204608當(dāng)=1.4，兩式的值誤差已經(jīng)很小了，取，計(jì)算實(shí)際需要的傳熱面積：，初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中實(shí)際布置冷凝傳熱為53.6，較傳熱計(jì)算所需面積小，滿足要求，可認(rèn)為原假定值及初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。 2.4 阻力計(jì)算 2.4.1 冷卻水的流動(dòng)阻力計(jì)算 冷卻水流動(dòng)時(shí)的阻力的計(jì)算，其中沿程阻力系數(shù)為 冷卻水的流

13、動(dòng)阻力為 = 25800Pa式中，N管程；左、右兩管板外側(cè)端面間的距離，每塊管板厚度為35mm （見后面結(jié)構(gòu)確定），則 =（2+0.07 ）m ?？紤]到外部管路損失，冷卻水泵的總壓頭約為 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 筒體根據(jù)文獻(xiàn)3表2.3可知，當(dāng)換熱管外徑d0=16mm時(shí)，換熱管中心距為s=22mm，分程隔板槽兩側(cè)相鄰中心距IE=35mm。根據(jù)文獻(xiàn)3，46可知，熱交換器管束最外層換熱管表面至殼體內(nèi)壁的最短距離b=0.25d且不小于8mm,故本設(shè)計(jì)取8mm。根據(jù)文獻(xiàn)5表6-4,選用殼體經(jīng)濟(jì)壁厚8mm，故經(jīng)計(jì)算得出的殼體最小外徑：D=400mm 此時(shí)實(shí)際長(zhǎng)徑比為 (3.28) 根據(jù)文獻(xiàn)3，54，目前所采用

14、的換熱管長(zhǎng)度與殼體直徑之比，一般在425之間，故設(shè)計(jì)合理。 3.2 管板 管板是管殼式換熱器的一個(gè)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(gè)主要受壓元件。對(duì)于管板的設(shè)計(jì)，除滿足強(qiáng)度要求外，同時(shí)應(yīng)合理考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 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(shí)的管板最小厚度換熱管外徑do/mm25>25<5050最小厚度min用于易燃易爆及有毒介質(zhì)的場(chǎng)合do用于無(wú)害介質(zhì)的一般場(chǎng)合0.75do0.70do0.65do管板最小厚度除滿足計(jì)算要求外，當(dāng)管板和管熱管采用焊接時(shí)，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)式就和制造

15、的要求，且不小于12mm。若管板采用復(fù)合管板，其復(fù)層的厚度應(yīng)不小于3mm。對(duì)有腐蝕性要求的復(fù)層，還應(yīng)保證距復(fù)層表面深度不小于2mm的復(fù)層化學(xué)成分和金相組織復(fù)層材料的要求.本設(shè)計(jì)選擇管板厚度為30mm。管孔直徑dp：根據(jù)文獻(xiàn)1表3-5得換熱管外徑d0：16mm 允許偏差管板管孔徑dp：16.25mm 允許偏差 3.3分程隔板根據(jù)文獻(xiàn)5，分程隔板厚度選，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?yè)Q熱器管外徑do10d1414<d<2525<d57拉桿直徑dn101216拉桿直徑dnmm殼體公稱直徑d，mm<400400<700700<900900&

16、lt;13001300<15001500<18001800<20002000<23002300<2600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?jī)蓧K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(zhǎng)度根據(jù)殼管式換熱器手冊(cè)可知：3.5墊片的選取查文獻(xiàn)8,選取墊片材料為石棉，具有適當(dāng)加固物（石棉橡膠板）；基礎(chǔ)參數(shù)為厚度=1.5mm,墊片外徑為890mm,內(nèi)徑為618mm, 設(shè)計(jì)

17、壓力為1.569MPa,墊片系數(shù)m=2.75,比壓力y=25.5MPa。 3.6連接管的確定冷卻水進(jìn)出口連接管水的流量=0.01292，選流速，故管內(nèi)徑 查文獻(xiàn)6可取無(wú)縫鋼管mm。實(shí)際流速為制冷劑連接管由原始數(shù)據(jù)查R134的圖得，冷凝器進(jìn)口處，冷凝器出口。根據(jù)：液體的體積流量= 蒸氣的體積流量 出液接管的內(nèi)徑（選液體流速為） (3.34) 圓整后，查文獻(xiàn)6取無(wú)縫鋼管進(jìn)氣接管內(nèi)徑（選蒸汽流速為） (3.35)圓整后，查文獻(xiàn)6取無(wú)縫鋼管。實(shí)際流速為。3.7法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1） 管板法蘭設(shè)計(jì)：本次設(shè)計(jì)管板與殼程圓筒連為整體， 其延長(zhǎng)部分兼作法蘭， 與管箱用螺柱、 墊片連接。 根據(jù)關(guān)系可知：法蘭的寬度，

18、根據(jù)法蘭尺寸標(biāo)準(zhǔn)，與殼體配合， 根據(jù)殼體外徑DN=400mm和文獻(xiàn)，管板的法蘭選用外徑D=490mm,內(nèi)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(jìn)出水口法蘭設(shè)計(jì)：根據(jù)進(jìn)出水口的管道，選擇相應(yīng)的法蘭，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(hào)為M16的螺栓，螺栓的數(shù)目為8個(gè)，法蘭厚度為20mm。（3） 制冷劑進(jìn)出口法蘭設(shè)計(jì)：根據(jù)進(jìn)制冷劑的管道為79mm，選擇相應(yīng)的法蘭，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇190mm的法蘭外徑，螺栓孔的中心圓的直徑為150，螺紋孔直

19、徑為18，選用型號(hào)為M16的螺栓，螺栓的數(shù)目為4個(gè)，法蘭的厚度18mm。根據(jù)出制冷劑的管道為68mm，選擇相應(yīng)的法蘭，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(hào)為M12的螺栓，螺栓的數(shù)目為4個(gè)，法蘭的厚度為16mm。3.8支座的選擇 支座是用來(lái)支承容器及設(shè)備重量，并使其固定在某一位置的壓力容器附件。在某些場(chǎng)合還受到風(fēng)載荷、地震載荷等動(dòng)載荷的作用。 壓力容器支座的結(jié)構(gòu)形式很多，根據(jù)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，筒體直徑為。故選用鞍式支座，支座材料選用HT-200，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)零部件選型號(hào)為：471292 鞍座BI 450F。該支座必須設(shè)計(jì)墊板。因?yàn)椋涸撊萜鲌A筒鞍座處的周向應(yīng)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?xí)r。 公稱直徑允許載荷鞍座高度底板腹板筋板墊板螺栓間距鞍座重量弧長(zhǎng)4006020038012088968480160628260133.10補(bǔ)強(qiáng)圈