管殼式冷凝器設(shè)計說明書

管殼式冷凝器設(shè)計說明書“食品工程原理”課程設(shè)計管殼式冷凝器設(shè)計說明書山東萬合制冷設(shè)備有限公司目錄

設(shè)計核算????????????????????????9

設(shè)計任務(wù)書???????????????????????1

流程示意圖???????????????????????2

設(shè)計方案????????????????????????3

設(shè)計計算????????????????????????5

設(shè)計核算????????????????????????9

設(shè)計總概要表??????????????????????1

2

設(shè)計評價及討論?????????????????????1

3

附錄??????????????????????????1

3

參考文獻????????????????????????1

3設(shè)計任務(wù)書

一、設(shè)計題目：管殼式冷凝器設(shè)計

二、設(shè)計任務(wù)：將制冷壓縮機壓縮后的制冷劑（氨）過熱蒸汽冷卻，冷凝為過冷液體，送去冷庫蒸發(fā)器使用。

三、設(shè)計條件：

1.冷庫冷負荷Q0=1

5

0

0

KW

2.高溫庫，工作溫度0

～4℃，采用回熱循環(huán)

3.冷凝器用河水為冷卻劑，可取進口水溫度為2

5

～2

8℃

4.傳熱面積安全系數(shù)5

～1

5%

四、設(shè)計要求：

1.對確定的工藝流程進行簡要論述

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.計算阻力

5.編寫設(shè)計說明書

6.繪制工藝流程圖、管殼式冷凝器結(jié)構(gòu)圖及花板布置圖流程示意圖

本課程設(shè)計任務(wù)是將制冷壓縮機壓縮后的制冷劑（氨）過熱蒸汽冷卻，冷凝為過冷液體，送去冷庫蒸發(fā)器使用。涉及的壓縮式制冷機主要由蒸發(fā)器、壓縮機、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個階段，如下圖所示：

由于本課程設(shè)計采用氨回熱循環(huán)，其實際制冷循環(huán)中壓焓圖如下：

線2

-

3

：等壓冷卻 冷凝及過實際制冷循環(huán)壓焓圖

在回熱循環(huán)1-2-2’-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)。設(shè)計方案

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。表1常用冷凝器的比較冷凝器類型優(yōu)點缺點使用范圍立式殼管式可裝設(shè)在室外露天，節(jié)省機房面積；清洗方便；漏氨易發(fā)現(xiàn)。傳熱系數(shù)比臥式殼管式低；冷卻水進出溫差小，耗水量大。中型及大型氨制冷裝置1結(jié)構(gòu)緊湊臥式殼管式結(jié)構(gòu)緊湊；傳熱效果好；冷卻水進出溫差大，耗水量小。清洗不方便；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結(jié)構(gòu)簡單、制造方便；體積小，緊湊；傳熱性能好（水與制冷劑成逆向流動）。金屬消耗量較大；冷卻水的流動阻力較大；水垢清洗困難。小型氟利昂空調(diào)制冷機組沉浸式制造簡單；維修清洗方便；3安裝地位不受限制1.冷卻水在水箱內(nèi)的流動速度很低，故傳熱效果差；體積大小型氟利昂制冷裝置2.制冷劑的選擇

氨粘性小

流動阻力小 創(chuàng)熱性能好

在制冷系統(tǒng)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

（CF

2

Cl2

）、氟利昂-22（CHF

2

Cl）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，流動阻力小，創(chuàng)熱性能好，在制冷系統(tǒng)中不會出現(xiàn)冰塞現(xiàn)象。雖然氨對人體有較大的毒性，氨確實具有強烈刺激臭味，正是由于這樣，所以極容易被檢驗出來，反而成為安全的保證。而且從環(huán)境保護角度看，氨比氟利昂制冷劑優(yōu)越很多。所以選擇氨作為制冷劑。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)當流經(jīng)易清洗的一側(cè)，采用河水做冷卻劑，相對較臟，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?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。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)備投資減少,但流速增大使流動阻力相應(yīng)增加,從而使動力消耗即操作費用增加。根據(jù)工業(yè)上常用的流速u=0.5

～3

m/s，且盡可能使雷諾數(shù)Re>1

0

4，[1]經(jīng)過估算，本方案選擇流速為1.2

5

m/s。冷卻劑進出 溫度

2．冷卻劑進出口溫度

由于用河水為冷卻劑，可取進口水溫度為2

5

～28℃，取進口水溫t1=26℃，冷卻水進出口溫差參考范圍為4

~

10℃[1]，選用較小的進出口溫差，耗水量就較大，運行費也較多，所以選取出口水溫為t2=34℃。

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7

～14℃[1]，所以選取tk=37℃。根據(jù)過冷溫度tu較冷凝溫度tk應(yīng)低3-5℃[1]，所以

tu=34℃。

4．冷庫溫度與蒸發(fā)溫度

在冷庫中以空氣為載冷劑，冷庫的工作溫度為0

～4℃，選取冷庫溫度2℃，根據(jù)蒸發(fā)溫度t0應(yīng)比載冷劑低8

～12℃[2]，選取取t0=-8℃。

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：

ρ=9

9

5

.

7

(kg

/

m3

）

λ=6

1

.

7

1

×1

0

-

2

(W/

m▲K)η=8

0

12

×10

-

5

(Pa

▲s

)p=4

.

7

4

7

(kPa

)H=1

2

5

.

69

(kJ

/

kg

)c

p=4

.

1

7

4

（kJ

/

kg

▲K)η=8

0

.

1

2

×1

0

-

5

(Pa

▲s

)

6．鋼管選擇

傳熱管道尺寸選取ф3

8×2.5

mm的無縫鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)λ=4

5.4

W/(m煉K)。

設(shè)計計算

1．冷凝器的熱負荷QL

=

φQ0式中：——冷凝器的熱負荷；——制冷量，由于要求取=1

5

0

0

kW；——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Q

L

=

φ

Q

0

=

1

.

2

0

*

1

5

0

0=

1

8

0

0

k

W2．冷凝器傳熱面積估算

式中：F——冷凝器的傳熱面積，m

2；——冷凝器的熱負荷，W；K——傳熱系數(shù)，；——平均傳熱溫差，℃；q——單位面積熱負荷，，由臥式管殼式(氨)冷凝器的熱力性質(zhì)q可取4

0

0

0

～5

0

0

0，選擇q=4

8

0

0；Q

L

Q

LK

Δ

t

qF

==Q 1800

*

103F

=

L

=q

4800=

375

m2

3．冷卻水用量

c

p

(t2

-

t1

)QLM

=

式中：——冷凝器的熱負荷，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。

、——冷卻水進、出冷凝器的溫度，℃。c

p

=

4.186

kJ

/(kg

×K

)QLM

==

1800

=

53.75kg

/

sc

p

(t2

-

t1

)

4.186

*

(34

-

26)V=

M

=

53.75

=0.054m3

/s

995.7

4．管數(shù)與管程數(shù)

式中：V——管內(nèi)流體的體積流量，V=0.0

5

4；

d——管子的內(nèi)直徑，

u——流體的流速，u=1.2

5

m/s；

按單程冷凝器計算，管束長度為L，則

由于冷凝器的長徑比有一定要求，一般L/D=3

～8。若按單程設(shè)計L太長，超過上述長徑比時，一般可采用多管程解決。管程數(shù)為m，則

式中：L——按單程計算的管長，m；

l——選定的每程管長，m；考慮到管材的合理利用，按管材一般出廠規(guī)格為6

m長，故取l=6

m。

采用1

2管程后，冷凝器的總管數(shù)為：

5．管心距及偏轉(zhuǎn)角管板上兩根管子中心距離a成為管心距。管心距的大小要考慮管板強度和清洗管子的外表面時所需空隙，它與管子在管板上固定的方法有關(guān)。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，當管子外徑d

0=3

8

mm時，a

＝4

8

mm，當臥式冷凝器的殼程為蒸汽冷凝，且管子按正三角形排列時，為了減少液膜在列管上的包角及液膜厚度，管板在裝置時，其軸線應(yīng)與設(shè)備的水平軸線偏轉(zhuǎn)一定角度α，查表可得α可取7°即當管子外徑d

0=3

8

mm時，a

＝4

8

mm，α=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=4

8

mm；b——最外層的六角形對角線（或同心圓直徑）上的管數(shù)，查表可得b=2

7；

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，c

m；P——操作時的之內(nèi)壓力，（表壓）；以tk為定性溫度，由壓焓圖可查得：P絕對＝1.6

0

5×1

0

6

Pa=1

6

0.5N/c

m

2，則：P表壓＝1

6

0.5-1

0.1

＝1

5

0.4

N/c

m

2。——材料的許用應(yīng)力，鋼管的=9

8

1

0

N/c

m

2；——焊縫系數(shù)，采用雙面焊縫=0.8

5C——腐蝕裕度，其值在（0.1

～0.8

）c

m之間，根據(jù)流體的腐蝕性而定；由于氨腐蝕性相對強一點，取C=0.7

c

m——外殼內(nèi)徑，殼徑的計算值應(yīng)圓整到最靠近的頒布標準尺寸，

即=1

4

0

0

mm=1

4

0

c

m即設(shè)計的外殼壁厚大于最小壁厚，符合要求。同時，冷凝器的長徑比L/D=6

0

0

0/1

4

2

0=4.2

3，符合L/D=3

～8的要求。

7．制冷循環(huán)相關(guān)參數(shù)

氨采用回熱循環(huán)的實際制冷循環(huán)壓焓圖

h3

3

5

0

KJ

/

K

h3

1

9

0

KJ

/

K

q01800

9.471620

1430

制冷系數(shù)：εh2－h(huán)1

查圖[2]可得相應(yīng)焓值：

h1

=1

4

3

0

KJ

/

Kg

h2

=1

6

2

0

KJ

/

Kgh2

，=1

4

0

0

KJ

/

Kg

h3

，=3

5

0

KJ

/

Kg

h3

=1

9

0

KJ

/

Kgh4

=1

9

0

KJ

/

Kg單位制冷量：q0

=h1

-h4

=1430-190=1240KJ/Kgq0

1240制冷循環(huán)量：G=Q0

=1800

=1.452kg/s設(shè)計核算1．冷卻劑實際流速2．雷諾數(shù)管內(nèi)冷卻劑的流動屬于完全湍流。

傳熱系數(shù)管內(nèi)冷卻水的傳熱膜系數(shù)(αi)：αi=0.0

2

3

Re

0.8

P

rn

λ/d式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/m▲K；Cp——水的比熱，kJ/kg▲K；n——加熱狀態(tài)時取0.4，P

r——普蘭特準數(shù)；d——管子內(nèi)徑，m。==×=4

9

2

7

.

2

W/

m

▲K管外制冷劑冷凝膜系數(shù)（α0

）：

式中：λ——冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m▲K；ρ——冷凝液的密度,kg/m

3；r——氨蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg；

μ——冷凝液的粘度，P

a▲s；d

0——管外徑，m；N——水平管束上下重疊的平均排數(shù)；ΔT——氨蒸汽飽和溫度與壁溫之差。查表可知氨蒸汽飽和溫度為3

8℃，ΔT=3

8-(t1+t2)/2=3

8-(2

6+3

4)/2=8℃。冷凝液的定性溫度tf＝tk-ΔT/2

＝3

7-8/2

＝3

3℃。查書[5]可知：ρ＝5

9

1

kg

/

m

-

3

，r=1

1

0

7

.

5

kJ

/

kg

,

μ=1

3

0

×1

0

-

6

P

a

▲s

，λ=0

.

4

5

W/

m

▲K，N=0.6=0.6×6

1

2

0.5=1

4.8

4取整數(shù)為1

5管外表面積為基準的：

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，0.0

0

2

5

m；——管壁導(dǎo)熱系數(shù)，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為4

5.4；——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。

5 阻力計算

4．傳熱面積計算冷凝傳熱的平均溫差（）：

理論傳熱面積：

實際傳熱面積：

傳熱面積的安全系數(shù)（ε）：

該安全系數(shù)屬于5-1

5%范圍，符合要求。

5．阻力計算

式中：λ——管道的摩擦阻力系數(shù)，在完全湍流狀態(tài)下，鋼管；

Z——冷卻水的流程數(shù)，Z=1

2；

L——每根管子的有效長度，L=6

m；

d——管子內(nèi)直徑，d=0.0

3

3

m；

u——冷卻水在管內(nèi)的流速，u=1.2

3

8

m/s；

g——重力加速度，；

——局部阻力系數(shù)，近似取為。

冷凝器類型臥式殼管式進口溫度2

6

℃

制冷劑氨出口溫度3

4

℃

換熱管型號φ3

8×2.5無縫鋼管蒸發(fā)溫度-

8

℃

管長6

m冷凝溫度3

7

℃

每層管數(shù)5

1根過熱溫度-

7

℃

管程1

2程過冷溫度3

4

℃

總管數(shù)6

1

2根平均溫差6

.

1

6

℃

管子排列方式正三角形排列冷負荷1

5

0

0

kW

管心距4

8

mm熱負荷1

8

0

0

kW

偏心角7

°流速1

.

2

3

8

m/

s

殼體內(nèi)徑1

4

0

0

mmRe5

0

7

8

0

外殼壁厚2

0

mm冷卻水用量0

.

0

5

4

m3

/

s

長徑比4

.

2

3單位制冷量1

2

4

0

kJ

/

kg

管板壁厚8

mm制冷循環(huán)量1

.

4

5

2

kg

/

s

折流板厚度8

mm制冷系數(shù)9