管殼式冷凝器設(shè)計(jì)說明書

1、管殼式冷凝器設(shè)計(jì)說明書第1頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二目錄設(shè)計(jì)任務(wù)書1流程示意圖2設(shè)計(jì)方案3設(shè)計(jì)計(jì)算5設(shè)計(jì)核算9設(shè)計(jì)總概要表12設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)及討論13附錄13參考文獻(xiàn)13第2頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：管殼式冷凝器設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)：將制冷壓縮機(jī)壓縮后的制冷劑（氨）過熱蒸汽冷卻，冷凝為過冷液體，送去冷庫(kù)蒸發(fā)器使用。三、設(shè)計(jì)條件：1. 冷庫(kù)冷負(fù)荷Q0=1500KW2. 高溫庫(kù)，工作溫度04，采用回?zé)嵫h(huán)3. 冷凝器用河水為冷卻劑，可取進(jìn)口水溫度為25284. 傳熱面積安全系數(shù)515%四、設(shè)計(jì)要求：1. 對(duì)確定的工藝流程進(jìn)行

2、簡(jiǎn)要論述2. 物料衡算，熱量衡算3. 確定管殼式冷凝器的主要結(jié)構(gòu)尺寸4. 計(jì)算阻力5. 編寫設(shè)計(jì)說明書6. 繪制工藝流程圖、管殼式冷凝器結(jié)構(gòu)圖及花板布置圖第3頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二流程示意圖本課程設(shè)計(jì)任務(wù)是將制冷壓縮機(jī)壓縮后的制冷劑（氨）過熱蒸汽冷卻，冷凝為過冷液體，送去冷庫(kù)蒸發(fā)器使用。涉及的壓縮式制冷機(jī)主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥等構(gòu)成，其制冷過程可分為壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)4個(gè)階段，如下圖所示：第4頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二 由于本課程設(shè)計(jì)采用氨回?zé)嵫h(huán)，其實(shí)際制冷循環(huán)中壓焓圖如下：在回?zé)嵫h(huán)1 -2 - 2- 3-

3、3 4 - 1的過程中：線1-2：絕熱可逆壓縮(等熵)。線2-3：等壓冷卻、冷凝及過冷過程。其中2-2冷卻(到飽和蒸汽)(等壓)；2-3冷凝(等壓,等溫)；3-3過冷(等壓)。線3-4：節(jié)流膨脹(等焓)。 線4-1：蒸發(fā)(等壓,等溫)。實(shí)際制冷循環(huán)壓焓圖第5頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二設(shè)計(jì)方案1冷凝器的選擇 綜合比較幾種常用的水冷式冷凝器，選擇臥式殼管式冷凝器，原因是其傳熱系數(shù)大，操作管理方便，經(jīng)濟(jì)成本較低，且目前大、中型氨制冷系統(tǒng)及氟利昂制冷系統(tǒng)多采用這種冷凝器，有一定的通用性。第6頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二表1 常用冷凝器的比較冷凝

4、器類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)使用范圍立式殼管式1.可裝設(shè)在室外露天，節(jié)省機(jī)房面積；2.清洗方便；3.漏氨易發(fā)現(xiàn)。1.傳熱系數(shù)比臥式殼管式低；2.冷卻水進(jìn)出溫差小，耗水量大。中型及大型氨制冷裝置臥式殼管式1.結(jié)構(gòu)緊湊；2.傳熱效果好；3.冷卻水進(jìn)出溫差大，耗水量小。1.清洗不方便；2.漏氨不易發(fā)現(xiàn)。大、中、小氨和氟利昂制冷裝置都可采用套管式1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便；2.體積小，緊湊；3.傳熱性能好（水與制冷劑成逆向流動(dòng)）。1.金屬消耗量較大；2.冷卻水的流動(dòng)阻力較大；3.水垢清洗困難。小型氟利昂空調(diào)制冷機(jī)組沉浸式1.制造簡(jiǎn)單；2.維修清洗方便；3.安裝地位不受限制。1.冷卻水在水箱內(nèi)的流動(dòng)速度很低，故傳熱效果差

5、；2.體積大。小型氟利昂制冷裝置第7頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二2.制冷劑的選擇工業(yè)上已采用的制冷劑很多，目前常用的有氨（NH3）、氟利昂-12（CF2Cl2）、氟利昂-22（CHF2Cl）等。氨是應(yīng)用較廣的中溫制冷劑，有較好的熱力學(xué)性質(zhì)和熱物理性質(zhì)，在常溫和普通低溫范圍內(nèi)壓力比較適中，單位容積制冷量大，在相同制冷量的情況下，系統(tǒng)中的制冷劑循環(huán)量較少，氨粘性小，流動(dòng)阻力小，創(chuàng)熱性能好，在制冷系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)冰塞現(xiàn)象。雖然氨對(duì)人體有較大的毒性，氨確實(shí)具有強(qiáng)烈刺激臭味，正是由于這樣，所以極容易被檢驗(yàn)出來，反而成為安全的保證。而且從環(huán)境保護(hù)角度看，氨比氟利昂制冷劑優(yōu)越很多。

6、所以選擇氨作為制冷劑。第8頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二3流體流入空間的選擇流體流入空間的方案中，選擇冷卻劑（河水）流經(jīng)管程，制冷劑（氨）流經(jīng)殼程。原因是：1. 不潔凈或易結(jié)垢的物料應(yīng)當(dāng)流經(jīng)易清洗的一側(cè)，采用河水做冷卻劑，相對(duì)較臟，受熱后容易結(jié)垢，流管內(nèi)便于清洗；2. 冷卻劑走管程，能控制適當(dāng)?shù)牧魉?，以保證有較高的傳熱系數(shù)；3. 飽和蒸汽一般應(yīng)通入殼程；以便排出冷凝液，而且蒸汽較清潔；4. 被冷卻物料一般走殼程，便于散熱，可減少冷卻劑用量。第9頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二4基本數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇1. 流速流速大,K值提高,所需傳熱面積減少,設(shè)備

7、投資減少,但流速增大使流動(dòng)阻力相應(yīng)增加,從而使動(dòng)力消耗即操作費(fèi)用增加。根據(jù)工業(yè)上常用的流速u=0.53m/s，且盡可能使雷諾數(shù)Re104，1經(jīng)過估算，本方案選擇流速為1.25m/s。2冷卻劑進(jìn)出口溫度由于用河水為冷卻劑，可取進(jìn)口水溫度為2528，取進(jìn)口水溫t1=26，冷卻水進(jìn)出口溫差參考范圍為4101，選用較小的進(jìn)出口溫差，耗水量就較大，運(yùn)行費(fèi)也較多，所以選取出口水溫為t2=34。第10頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二3冷凝溫度與過冷溫度根據(jù)冷凝溫度tk必須高于冷卻水出口溫度t2，且tk-t1可取7141，所以選取tk=37。根據(jù)過冷溫度tu較冷凝溫度tk應(yīng)低3-51，

8、所以tu=34。4冷庫(kù)溫度與蒸發(fā)溫度在冷庫(kù)中以空氣為載冷劑，冷庫(kù)的工作溫度為04，選取冷庫(kù)溫度2，根據(jù)蒸發(fā)溫度t0應(yīng)比載冷劑低8122，選取取t0=-8。第11頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二5河水相關(guān)數(shù)據(jù)河水作為冷卻劑其平均溫度（26+34）/2=30，其相關(guān)物理性質(zhì)查表2可得：p=4.747(kPa) =995.7(kg/m3） H=125.69(kJ/kg)cp=4.174（kJ/kgK) =61.7110-2(W/mK) =80.1210-5(Pas)6鋼管選擇傳熱管道尺寸選取382.5mm的無縫鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)=45.4W/(mK)。第12頁，共23頁，202

9、2年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二設(shè)計(jì)計(jì)算1冷凝器的熱負(fù)荷 式中：冷凝器的熱負(fù)荷； 制冷量，由于要求取=1500kW； 系數(shù)，與蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、氣缸冷卻方式以及制冷劑種類有關(guān)，查表1得2冷凝器傳熱面積估算 式中：F冷凝器的傳熱面積，m2； 冷凝器的熱負(fù)荷，W； K傳熱系數(shù)，；平均傳熱溫差，；q單位面積熱負(fù)荷，由臥式管殼式(氨)冷凝器的熱力性質(zhì) q可取40005000，選擇q =4800；第13頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二3冷卻水用量 式中：冷凝器的熱負(fù)荷，kW； 冷卻水的定壓比熱容，；由于冷卻劑為河水性質(zhì)取。 冷卻水的定壓比熱容，；由于冷卻劑為河水性質(zhì)取。 、

10、冷卻水進(jìn)、出冷凝器的溫度，。第14頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二4管數(shù)與管程數(shù)式中：V管內(nèi)流體的體積流量，V =0.054； d管子的內(nèi)直徑， u流體的流速，u=1.25m/s；按單程冷凝器計(jì)算，管束長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則由于冷凝器的長(zhǎng)徑比有一定要求，一般L/D=38。若按單程設(shè)計(jì)L太長(zhǎng)，超過上述長(zhǎng)徑比時(shí)，一般可采用多管程解決。管程數(shù)為m，則式中：L按單程計(jì)算的管長(zhǎng)，m； l選定的每程管長(zhǎng)，m；考慮到管材的合理利用，按管材一般出廠規(guī)格為6m長(zhǎng)，故取l=6m。采用12管程后，冷凝器的總管數(shù)為：第15頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二5管心距及偏轉(zhuǎn)角管板上兩根

11、管子中心距離a成為管心距。管心距的大小要考慮管板強(qiáng)度和清洗管子的外表面時(shí)所需空隙，它與管子在管板上固定的方法有關(guān)。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)管子外徑d0=38mm時(shí)，a48mm，當(dāng)臥式冷凝器的殼程為蒸汽冷凝，且管子按正三角形排列時(shí)，為了減少液膜在列管上的包角及液膜厚度，管板在裝置時(shí)，其軸線應(yīng)與設(shè)備的水平軸線偏轉(zhuǎn)一定角度，查表可得可取7即當(dāng)管子外徑d0=38mm時(shí)，a48mm，=7。6殼體直徑和殼體厚度式中：D殼體內(nèi)徑，mm； a管心距，mm，a=48mm； b最外層的六角形對(duì)角線（或同心圓直徑）上的管數(shù)，查表可得b=27； e六角形最外層管子中心到殼體內(nèi)壁的距離。一般取，選取。式中：s外殼壁厚，cm

12、；P操作時(shí)的之內(nèi)壓力，（表壓）；以tk為定性溫度，由壓焓圖可查得：P絕對(duì)1.605106Pa=160.5 N/cm2，則：P表壓150.4 N/cm2。材料的許用應(yīng)力，鋼管的=9810N/cm2；焊縫系數(shù)，采用雙面焊縫=0.85C腐蝕裕度，其值在（0.10.8）cm之間，根據(jù)流體的腐蝕性而定；由于氨腐蝕性相對(duì)強(qiáng)一點(diǎn)，取C=0.7cm外殼內(nèi)徑，殼徑的計(jì)算值應(yīng)圓整到最靠近的頒布標(biāo)準(zhǔn)尺寸， 即=1400mm=140cm即設(shè)計(jì)的外殼壁厚大于最小壁厚，符合要求。同時(shí)，冷凝器的長(zhǎng)徑比L/D=6000/1420=4.23，符合L/D=38的要求。第16頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二

13、7制冷循環(huán)相關(guān)參數(shù)氨采用回?zé)嵫h(huán)的實(shí)際制冷循環(huán)壓焓圖查圖2可得相應(yīng)焓值：h1=1430KJ/Kg h2=1620KJ/Kg h2，=1400KJ/Kg h3，=350KJ/Kg h3=190KJ/Kg h4=190KJ/Kg單位制冷量：制冷循環(huán)量：制冷系數(shù)：第17頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二設(shè)計(jì)核算1 冷卻劑實(shí)際流速2 雷諾數(shù)管內(nèi)冷卻劑的流動(dòng)屬于完全湍流。第18頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二傳熱系數(shù)管內(nèi)冷卻水的傳熱膜系數(shù)(i)：i=0.023Re0.8Prn/d式中：導(dǎo)熱系數(shù)，W/mK；Cp 水的比熱，kJ/kgK；n 加熱狀態(tài)時(shí)取0.4，

14、 Pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)；d 管子內(nèi)徑，m。=4927.2 W/mK管外制冷劑冷凝膜系數(shù)（0）：式中：冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/mK；冷凝液的密度, kg/m3；r氨蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg；冷凝液的粘度，Pas；d0 管外徑，m；N 水平管束上下重疊的平均排數(shù)；T氨蒸汽飽和溫度與壁溫之差。查表可知氨蒸汽飽和溫度為38，T=38-(t1+t2)/2=38-(26+34)/2=8。冷凝液的定性溫度tftk-T/237-8/233。查書5可知：591kg/m-3， r=1107.5kJ/kg, =13010-6 Pas，=0.45W/mK，N=0.6=0.66120.5=14.84取整數(shù)為15管外表面積為基

15、準(zhǔn)的：式中：管外制冷劑冷凝膜系數(shù)，； 管內(nèi)冷卻水的傳熱膜系數(shù)，；基管外表面積，；基管內(nèi)表面積，；基管平均表面積，；管壁厚度，0.0025m；管壁導(dǎo)熱系數(shù)，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45.4；制冷劑側(cè)污垢熱阻，；氨可取，選取水側(cè)垢層熱阻，；水側(cè)垢層熱阻包括鐵銹、水垢及其它污垢造成的附加熱阻，其大小與冷卻水的水質(zhì)、水流速度和管材等因素有關(guān)。查表可得。第19頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二4傳熱面積計(jì)算冷凝傳熱的平均溫差（）：理論傳熱面積：實(shí)際傳熱面積：傳熱面積的安全系數(shù)（）：該安全系數(shù)屬于5-15%范圍，符合要求。5阻力計(jì)算式中：管道的摩擦阻力系數(shù)，在完全湍流狀態(tài)下，鋼管； Z冷卻水的

16、流程數(shù)，Z=12； L每根管子的有效長(zhǎng)度，L=6m； d管子內(nèi)直徑，d=0.033m； u冷卻水在管內(nèi)的流速，u=1.238m/s； g重力加速度，；局部阻力系數(shù)，近似取為。第20頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二冷凝器類型臥式殼管式進(jìn)口溫度26制冷劑氨出口溫度34換熱管型號(hào)382.5無縫鋼管蒸發(fā)溫度-8管長(zhǎng)6m冷凝溫度37每層管數(shù)51根過熱溫度-7管程12程過冷溫度34總管數(shù)612根平均溫差6.16管子排列方式正三角形排列冷負(fù)荷1500kW管心距48mm熱負(fù)荷1800kW偏心角7流速1.238m/s殼體內(nèi)徑1400mmRe50780外殼壁厚20mm冷卻水用量0.054m

17、3/s長(zhǎng)徑比4.23單位制冷量1240kJ/kg管板壁厚8mm制冷循環(huán)量1.452kg/s折流板厚度8mm制冷系數(shù)9.47折流板總數(shù)10傳熱系數(shù)（管外）726.74W/m2K冷卻水阻力8.04m H2O安全系數(shù)9.04第21頁，共23頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)15分，星期二設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)及討論本設(shè)計(jì)選用的方案基本滿足工藝和操作的要求，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)方面也有可行性和合理性。該設(shè)計(jì)的最大不足可能就是冷卻水的阻力，由于管程和管徑較大，造成的阻力有8米水柱之大，會(huì)在操作上和經(jīng)濟(jì)方面帶來一定的影響。本設(shè)計(jì)由于是自主設(shè)計(jì)，而且大部分相關(guān)知識(shí)都是依靠理論方面選擇，加上初次接觸，所以對(duì)一些參數(shù)、材料的選擇只能依靠書本或者他人的經(jīng)驗(yàn)，難免會(huì)對(duì)一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)造成缺陷，甚至是重要細(xì)節(jié)。比如查找在特定狀態(tài)某物質(zhì)的物性，無法查找到準(zhǔn)確的參數(shù)，你只能在一定范圍內(nèi)選擇，甚至憑前人經(jīng)驗(yàn)估計(jì)推測(cè)，這樣，產(chǎn)生缺陷的機(jī)率也大大增加。本設(shè)計(jì)對(duì)一些參數(shù)作了反復(fù)修改計(jì)算，其中主要是對(duì)傳熱面積的安全系數(shù)，在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證了差之毫厘，失之千里的真理，雖然這次設(shè)計(jì)仍存在不少漏洞，但是起碼增強(qiáng)了對(duì)設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和一絲不茍，并且在培養(yǎng)獨(dú)立思考、果斷選擇并對(duì)其假設(shè)驗(yàn)證和進(jìn)一步選擇更合適的方案?？傊?，個(gè)人認(rèn)為本次課程設(shè)計(jì)基本上達(dá)