壳管式冷凝器设计

学号20122916096成绩课程设计说明书设计名称机械设计基础课程设计设计题目制冷系统设计任务书设计时间2015.1.6～2015.1.21学院食品工程学院专业能源与动力工程班级1202班姓名杨鑫指导教师曲航配用冷水机组的卧式壳管式冷凝器设计设计任务：设计一台配用冷水机组的卧式壳管式冷凝器设计条件:设计参数：制冷剂：R134a额定工况蒸发温度：t0=50C冷却水进口温度：tk=400C制冷量：Q0=360kw传热管：每英寸19片的滚轧低肋铜设计要求：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.确定管式冷凝器的主要结构尺寸；4.计算阻力；5.编写设计说明书一、设计方案的确定及说明。1.冷却水的进出口温度。进口水温度280C，而一般卧式壳管式冷凝器的冷却剂进出口温度之差为4—100C，本设计取60C,故出口温度为340C.2.流速的选择查得列管换热器管内水的流速，管程为0.5～3m/s，壳程0.2～1.5m/s[2]；根据本设计制冷剂和冷却剂的性质，综合考虑冷却效率和操作费用，本方案选择流速为1.5m/s.3.冷凝器的造型和计算3.1水冷式卧式冷凝器的类型本次设计是以海水为冷却剂，选择氟利昂高效卧式冷凝器为设计对象。此冷却系统的原理是将压缩机排出的高温、高压制冷制气等压冷凝成液体，在冷库中蒸发，带走待冷物料的热量，起到冷却物料的效果。本方案采用R134a为制冷剂，不燃烧，不爆炸，无色，无味。冷凝器型式的选择：本方案采用卧式壳管式冷凝器。卧式管壳式水冷凝器的优点是：1、结构紧凑，体积比立式壳管式的小；2、传热系数比立式壳管式的大；3、冷却水进、出口温差大，耗水量少；4、为增加其传热面积，R134a所用的管道采用低肋管；5、室内布置，操作较为方便。3.2冷凝器的选型计算3.3冷凝器的热负荷3.4冷凝器的传热面积计算+3.5冷凝器的阻力计算4·管数、管程数和管子的排列4．1管数及管程数4.2管子在管板上的排列方式4.3管心距5·壳体直径及壳体厚度的计算5．1壳体直径，厚度计算二、设计计算及说明（包括校核）（一）设计计算1、冷凝器的热负荷：冷凝器的热负荷是制冷剂的过热蒸汽在冷凝过程中所放出的总热量，可用制冷剂的压－焓图算出。公式如下：0QQLkw式中：LQ————冷凝器的热负荷，kw；0Q————制冷量，360kw；————系数，与蒸发温度tk、气缸冷却方式及制冷剂种类有关，由《食品工程原理设计指导书》图3查出。在蒸发温度0t为5℃，冷凝温度kt为40℃，查得为1.93。∴LQ=1.93×360=695kw2、传热平均温差：2112lntttttttkk=5.450C3、冷凝器的传热面积计算：根据选用卧式管壳式水冷冷凝器及设计指导书表4各种冷凝器的热力性能，取传热系数为800w/（㎡·k）tKQFL0式中：K————传热系数，w/㎡、℃；（由《食品工程原理设计指导书》表3中可取750）F————冷凝器得传热面积，㎡；LQ————冷凝器得热负荷，w；t————传热平均温差，℃又△t=5.45℃25.79145.5*80010003451mF4、冷凝器冷却水用量：3600)(12ttCQMpLkg/h式中：LQ————冷凝器的热负荷，kw；pC————冷却水的定压比热，KJ/kg·k；淡水可取4.186；1t————冷却水进出冷凝器得温度，K或℃；2t————冷却水进出冷凝器得温度，K或℃。hkgM9.4960703600)2632(174.434515、冷凝器冷却水体积流量：MV3/mkg式中：————取995.73/mkg；smmkghkgMV33138.03600/7.995/9.49607036006、管数和管程数和管束的分程、管子的排列的确定：1）确定单程管数n由《制冷原理及设备》一书查得，冷凝器内冷却水在管内流速可选取1.5m/s。设计中选用38×2.5mm不锈无缝钢管作为冷凝器内换热管。udVn24式中：V———管内流体的体积流量，㎡/s；d———管子内直径，m；u———流体流速，m/s。6.1075.1033.0414.3138.02n圆整为108取整后的实际流速smndVu/49.1033.010814.3138.044222）管程数：管束长度dnFL式中：F———传热面积，㎡；L———按单程计算的管长，m。m73.70033.014.31085.791L管程数lLm式中：l为选定的每程管长，m，考虑到管材的合理利用，l取6m。79.11673.70m圆整为12所以冷凝器的总管数TN为129612108mnNT根3）管心距а查错误!未找到引用源。可得管心距а=48mm错误!未找到引用源。4）管子在管板上的排列方式管子在管板上排列时，应使管子在整个冷凝器截面上均匀而紧凑地分布，还要考虑流体性质，设备结垢以及制造等方面地问题7.壳体直径及壳体厚度的计算1）壳体直径的计算壳体的内径应稍大于或等于管板的直径，所以，从管板直径的计算可以决定壳体的内径.D=a(b-1)+2e式中：D———壳体内径，mm；a———管心距，mm；b———最外层的六角形对角线(或同心圆直径)；e———六角形最外层管子中心到壳体内壁的距离。一般取e=(1～1.5)d0，这里取1.4。D=48×（39－1）＋2×1.4×33=1824＋92.4=1916.4mm圆整为2000mm2）壳体厚度(s)的计算CPPDs2式中：s———外壳壁厚，cm；P———操作时的内压力，N/cm2（表压），根据壁温查得为80.8N/cm2[σ]——材料的许用应力，N/cm2；查得不锈无缝管YB804-70的许用应力是13230N/cm2φ———焊缝系数，单面焊缝为0.65，双面焊缝为0.85；（取单面焊缝）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；取0.7D———外壳内径，cm。cms64.17.08.8065.01323022000*8.80适当考虑安全系数及开孔的强度补偿措施，决定取s=17mm（二）设计校核1.雷诺数计算及流型判断冷凝器冷却水用量：skgttCQMpL/8.137)2632(174.43451)(12实际流速：su/m49.1雷诺数：6.611061012.807.99549.1033.0Re5du104所以流型为湍流。2.阻力的计算冷凝器的阻力计算只需计算管层冷却水的阻力，壳程为制冷剂蒸汽冷凝过程，可不计算流动阻力。冷却水的阻力可按下式计算：guZgudLHf222式中：———管道摩擦阻力系数，湍流状态下，钢管λ=0.22Re-0.2；Z———冷却水流程数；L———每根管子的有效长度，m；d———管子内直径,m；u———冷却水在管内流速，m/s；g———重力加速度，m/s2；——局部阻力系数，可近似取为Σε=4Z。水柱mguZgudLHf36.58.9249.1124128.92033.049.14027.022224.传热面积安全系数%100''AAA＝式中：A———实际布置所得的传热面积，m2；'A———理论传热面积，m2管外总传热面积：1A＝NTπd0l＝1296×3.14×0.038×6＝927.82m管内总传热面积：2A＝NTπdl＝1296×3.14×0.033×6＝805.72m实际总传热面积：A＝（1A＋2A）/2＝（927.8＋2805.7）/2=866.82m理论总传热面积：'A＝25.791m安全系数ε＝（866.8－5.791）/5.791＝9.5％一般要求安全系数为3％～15％（0.03~0.15），故本设计合符要求。5.长径比L/D式中：L———每程管长，m；D———壳体内径，m。L/D=6/1.9164=3.13符合3~8范围要求五、设计结果主要参数表序号项目结果序号项目结果9冷凝换热管材料无缝钢管21管程1210换热管规格φ38×2.5mm22总管数129611单程管数10823管心距48mm12轴线偏转角度7°24冷库冷负荷360kw六、设计评论因为城市位于海边，有大量海水资源。冷却可使用海水进行，可以节省宝贵淡水资源，推进可持续发展。但是海水对管路设备腐蚀较大，应采用耐腐蚀材料，此项会增加投资成本。且海水中杂质较多，应在制冷机组中其他部位增添除杂装置，以此延长使用寿命。七、参考文献[1]李雁,宋贤良.《食品工程原理课程设计指导书》.华南农业大学印刷厂印刷,2006[2]李云飞,葛克山.《食品工程原理》.中国轻工业出版社.2002[3]高福成.《食品工程原理》.中国轻工业出版社.1999