壳管式冷凝器课程设计

壳管式冷凝器课程设计第一部分：一：设计任务：用制冷量为KW6.273的水冷螺杆式冷水机组，制冷剂选用aR134，蒸发器形式采用冷却液体载冷剂的卧式蒸发器，冷凝器采用卧式壳管式。二：工况确定1：冷凝温度kt确定：冷却水进口温度ctw321，出口温度ctw372，冷凝温度kt：由ctttmk405.523732221。2：蒸发温度0t确定:冷冻水进口温度cts121，出口温度cts72，蒸发温度0t：由ctttmss25.727122210。3：吸气温度c7，采用热力膨胀阀时，蒸发器出口温度气体过热度为c53。过冷度为c5，单级压缩机系统中，一般取过冷度为c5。三：热力计算：1：热力计算：制冷循环热力状态参数经过查制冷剂的参数可知，作表格如下：状态点符号单位参数值00tc2根据0t确定蒸发压力0p，作等压线饱和气体线交得0点0pkpa2103.20hkgkJ/39811tc70p的等压线交1t，查压焓图1vkgm/30.0661hkgkJ/40322tc52.2取指示效率为0.852pkpa21010.162hkgkJ/43244tc35kp等压线与4t过冷等温线交于4点，其中54hh4hkgkJ/2492ssh2kgkJ/427.6533hkgkJ/2552热力计算性能（1）单位质量制冷量oq154249403510hhqKgKJ（2）单位理论功ow65.2440365.4271'20hhwsKgKJ（3）制冷循环质量流量mqsKgqQqm517.11546.23300（4）实际输气量vsqsmvqqmvs/1.0066.0517.131（5）输气系数：取压缩机的输气系数为0.75（6）压缩机理论输气量vhqsmqqvsvh3133.075.01.0（7）压缩机理论功率opKwwqpm4.3765.24517.100(8)压缩机指示功率ipKwiipp4485.04.370（9）制冷系数及热力完善度理论制冷系数：25.665.24154000wq实际制冷系数：78.4449.06.2330immispQ卡诺循环制冷系数：24.715.27515.31315.27500TTTKc故热力完善度为：66.024.778.4cs（10）冷凝器热负荷由ishhhh1212kgkJ/432，则kgkJhhqQmk/268)255432(517.1)(32（11）压缩机的输入电功率由kwwqpmotmom3.4886.09.065.24517.1，取86.0,9.0motm（12）能效比pQEER0836.43.486.233循环的热力计算如下：序号项目计算公式结果备注1单位制冷量510hhq154kJ/kg2单位理论功120hhws24.65kJ/kg3制冷循环质量流量omqQq01.517skg/4实际输气量vqqmvssm/1.035输气系数75.06压缩机理论输气量vsvhqqsm3133.07压缩机理论功率omowqpkW6.378压缩机指示功率ioippkW449理论制冷系数immispQ06.2510实际制冷系数0wqpmt4.7811卡诺循环制冷系数00TTTKc7.2412热力完善度cs0.6613冷凝器热负荷kQkgkJ/26814压缩机的输入轴功率momwqpkW3.4815能效比pQEER0836.43.压缩机的选型在制冷系统中，压缩机起到非常大的作用。它是整个系统运行的心脏，带动整个系统的正常运行。压缩机的作用主要是：从蒸发器中吸出蒸汽，以保证蒸发器内一定的蒸发压力；提高压力（压缩），以创造在较高温度下冷凝的条件；输送制冷剂，使制冷剂完成制冷循环。制冷系统所需要的制冷量Q0=233.6KW,需要选配制冷压缩机。压缩机的种类很多，可分两大类—容积式和速度型。容积式压缩机是靠工作腔容积改变实现吸气、压缩、排气等过程。这类压缩机又分往复式和回转式压缩机。往复式又称活塞式。速度型压缩机是靠旋转的叶轮对蒸汽做功，使压力升高以完成蒸汽的输送，这类压缩机又分离心式和轴流式。活塞式压缩机是问世最早的一种机型，至今已发展到几乎完善的程度，由于其压力范围大，能够适合较广的能量范围，有高速，多缸能量可调，热效率高，适用多种制冷制等优点。并且我国对此机的加工制造已有数十年的经验，加工较容易，造价也较低，国内应用极为普遍，有成熟的运行管理，维护经验。本设计初步选择螺杆式冷媒压缩机。螺杆压缩机一般都是指双螺杆压缩机，它由一对阳、阴螺杆构成，是回转压缩机中应用最广泛的一种，在化工、制冷及空气动力工程中，它所占的比重越来越大。螺杆式热泵机组无论是COP值还是维护费用、振动频率、噪音等性能均优于活塞式热泵机组。该产品有以下特点：1.四段容调或连续卸载控制设计，随负荷变化调整压缩机的输出，节省能源消耗。2.转子经专用研磨加工及动力平衡校正，配合进口德国FAG及瑞典SKF高精密轴承，运行平顺，振动小，噪音低。3.采用法国进口高效率耐氟电机，效率高、可靠性好。4.采用最新的第三代非对称齿形，公称子五齿，母转子六齿，齿间压力落差及回吹孔小，容积效率高，节省能源。采用全新高效油分离器，分油效果达99.7％，有利于提高机组蒸发器效率，并适用于满液式蒸发器设计。5.半密闭设计不需要轴承，无轴封泄漏问题、可靠性佳，且马达与机体为分离式设计，易于维护与保养。6.除一般的冷水机组和空调储冰系统以外，依使用工况不同另设计高压缩比机种，效率高。可靠性佳，适用于风冷机组、热泵机。根据已知条件进行计算选型：吸气状态的比体积：kgmv/106.6321压缩机的实际输气量：smvqqmvs/1.01压缩机的理论输气量：hmsmqqvsvh/8.478133.033制冷压缩机的理论功率0p、指示功率ip：kwwqpom4.370ioipp=kW4485.04.37选用比泽尔CSH8573-110Y-40P型号螺杆式压缩机机组，制冷量为243kw。第二部分：壳管式冷凝器设计2.2结构的初步规划2.2.1：结构型式系统制冷量为233.6kw，制冷量相对较大，本次设计选用壳管式器较为合适。2.2.2污垢系数的选择参看文献，可取氟利昂侧0r=0.0862m℃/kW，冷冻水侧1r=0.0862m℃/kW。2.2.3冷冻水的流速：初步设计机组每天运行10小时，则每年运行小时数约为3000～4000。参看文献数据，取冷冻水流速u=2m/s。2.2.4管型选择：参考文献[1,70-71]中所述及文献[1]表3-4。本次设计选取表3-4中的4号管：16mm×1.5mm，因其增强系数相比较大，有利换热。其有关结构参数如下：管内径id=11mm，翅顶直径td=15.86mm，翅厚t=0.223mm，翅根管面外径bd=12.86mm，翅节距fs=1.25mm，翅高h＝1.5mm。单位管长的各换热面积计算如下：每米管长翅顶面积：da=ttfds=0.015860.0002230.00125=0.0089mm/2每米管长翅侧面积：fa=22()2tbfdds=22(0.015860.01286)20.00125=0.1083mm/2每米管长翅间管面面积：ba=d()bftfsss=0.01286(0.001250.000223)0.00125=0.0332mm/2每米管长管外总面积：ofa=da+fa+ba=0.1504mm/2每米管长管内面面积：ia=id=0.014=0.0345mm/22.2.5冷却水流量：取冷却水进出口温度的平均温度为定性温度，mt=23732℃=34.5℃。由传热学附录9中查得其有关物性参数如下：水=994.33/mkgc水=4.174)/(KkgkJ冷却水流量为：vq=）（水水21wwkttcQ=01292.03237174.43.994268＝sm/3（2.8）2.2.6估算传热管总长参看文献[1，75]，按管外面积计算热流密度0q，在设计条件下，热流密度0q可在5000～70002/mW范围内取值。本设计假定0q=50002/mW。则应布置的传热面积：ofA=0kQq=236.53500010268m＝应布置的有效总管长：L=ofofAa=m4.3561504.06.532.2.7确定每流程管数Z，有效单管长l及流程数N冷却水的流速u=1.5m/s，冷却水流量vq=01292.0sm/3，则每流程管数Z=24viqdu=5.1011.014.301292.042=90.68（根），圆整后取Z=91根。则实际水流速smZdquiv/495.191011.014.301292.0442对流程数N、总根数NZ、有效单管长l、壳体内径iD及长径比iDl/进行组合计算，组合计算结果如表3.2所示表3.2组合计算结果流程数N总根数NZ有效单管l/m壳体内径iD/m长径比iDl/21821.9560.4274.5843640.9780.6031.62参看文献[1，76]，在组合计算中，当传热管总根数较多时，壳体内径iD可按下式估算：(1.151.25iDNZ～）s式中s——相邻管中心距，0(1.251.30sd～），单位为m；0d——管外径，单位为m。系数1.151.25～的取法：当壳体内管子基本布满不留空间时取下限，当壳体内留有一定空间时取上限。（本设计取下限计算1.25iDNZs）查看文献[1]表2.3，由0d=16mm查得：换热管中心距s=22mm。参看文献[1，76]，长径比iDl/一般在6～8范围内较为适宜，长径比大则流程数少，便于端盖的加工制造。当冷凝器与半封闭式活塞式制冷压缩机组成机组时应适当考虑压缩机的尺寸而选取更为合适的冷凝器的长径比。据此，本设计选取2流程方案作为结构设计依据，管径选择400mm的无缝钢管。2.3热力计算2.3.1水侧表面传热系数从管子在壳体的实际排列来看，每个流程的平均管子数为n=92，因此在管内的水速平均值为：smndquiv/48.192011.001292.04422由mt=34℃查文献[2]附录9表得其运动粘度smv/107466.026。由文献[1]表3-12查得其物性集合系数B=2178.2。因为雷诺数Re=iud=6107466.0011.048.1=21806＞410，亦即水在管内的流动状态为湍流，则由文献[1，78]中式（3-5），水侧表面传热系数：)/(6.7345011.048.12.217822.08.02.08.0KmWduBiwi3.3.2氟利昂侧冷凝表面传热系数根据图3.2的排管布置，管排修正系数由文献[1，77]中式（3-4）计算745.0184856204424833.0833.0833.0833.0n根据所选管型，低翅片管传热增强系数由文献[1，77]中式（3-2）计算如下：环翅的当量高度2222(-d)(15.86-12.86)4415.86tbtdhdmm=4.26mm增强系数：141.1()bfbbofofaaadaah=140.03320.03320.103812.861.1()0.15040.15044.26=1.54查文献[1，76]表3-11，R134a在冷凝温度kt=40℃时，其物性集合系数B=1516.3由文献[1，76]式（3-1）计算氟利昂侧蒸发表面传热系数，25.025.0)(725.0owonbkottBd=25.0025.0745.054.101286.03.1516725.0）（ttk37450.250)/(2KmW其中wot——