壳管式冷凝器课程设计分析

壳管式冷凝器课程设计第一部分:设计任务：用制冷量为273.6KW的水冷螺杆式冷水机组，制冷剂选用R134a，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tk确定:冷却水进口温度twi =32 c，出口温度tw2 =37 c，冷凝温度tk :由tk4 40 c。22 :蒸发温度to确定:冷冻水进口温度tsi=12c，出口温度ts2=7c，蒸发温度to :由+ tsi *ts2t0127-7.5 = 2 c。23:吸气温度7c,采用热力膨胀阀时，蒸发器出口温度气体过热度为35 c。过冷度为5 c，单级压缩机系统中，一般取过冷度为5 c。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0t2根据t0确定烝发压力P0，作等压线饱和气体线交得0点P0i02kpa3.2h0kJ / kg3981ti先7P0的等压线交ti，查压焓图Vim3 / kg0.066hikJ / kg4032t2c52.2取指示效率为0.85P2102 kpa10.16h2kJ / kg4324t435Pk等压线与t4过冷等温线交于4点，其中h4 = hsh4kJ / kg2492sh2skJ / kg427.653h3kJ / kg2552热力计算性能(1 )单位质量制冷量 qq厂 hi h5=403-249 =154 KJ Kg(2 )单位理论功WoW0 = h2s 一 hi 二 427.65 一 403 二 24.65 KJ Kg(3)制冷循环质量流量 qmqmQoq。233.6154= 1.517Kg s(4)实际输气量qvs3q s = qm V1 = 1.517 汉 0.066 = 0.1m / s(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qvhqvs0.10.75=0.133m3 s(7)压缩机理论功率 p。p0 =qm W。=匸5172465 =37.4Kw(8) 压缩机指示功率PiPi 二 p. j =37.4. 0.85 =44Kw(9) 制冷系数及热力完善度理论制冷系数：；0 = $56.25w024.65实际制冷系数:mPi233.6 0.944-4.78卡诺循环制冷系数:T。Tk -T0275.15313.15-275.15= 7.24故热力完善度为：=478二0.66%7.24(10) 冷凝器热负荷由 h2 二 h 仏 二 432kJ / kg，i则 Qk = qm (h2 - h3) = 1.517(432 - 255) = 268kJ / kg(11) 压缩机的输入电功率qmW。n nm mot1.517 24.650.9 0.86二 48.3kw，取 m= 0.9, mot0.86(12) 能效比eerQ.233.6.4.836p 48.3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q0 = h - h5154kJ/kg2单位理论功w0 = h2s - h|24.65kJ/kg3制冷循环质量流量Qoqm q。1.517 kg/s4实际输气量qvs = qmv0.1m3/s5输气系数九%0.756压缩机理论输气量q vsqvh-扎0.133m3/s7压缩机理论功率P。= qmWo37.6kW8压缩机指示功率Po Pi = 叫44kW9理论制冷系数勺Q。*1 mZs= =mPi6.2510实际制冷系数Pt =qm 伽4.7811卡诺循环制冷系数T0cTk-T。7.2412热力完善度n =电轧0.6613冷凝器热负荷Qk268kJ / kg14压缩机的输入轴功率qmWoP_ nm48.3kW15能效比EERu4.836P3.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，可分两大类一容积式和速度型。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COPS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：v1 =6.6 102m3/kg压缩机的实际输气量：qvs =qm比=0.1m/s压缩机的理论输气量：qvh =空=0.133m3 s = 478.8m3/hz制冷压缩机的理论功率p0、指示功率pi:Po =qm % =37.4kwPo Pii37.4=44kW0.85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r= 0.086 m2 T/kW,冷冻水侧” =0.086 m2 T/kW。223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 30004000。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：一 16mm 104，亦即水在管内的流动状态为湍流，贝U由文献1，780.7466 10中式（3-5 ），水侧表面传热系数:wi 二=2178.20篇2 =7345.6W/(m2 K)d0.011G038门3%o o x o)00( o()OCJ (.?0(羽 o )0 Kt(GGO _ Q d%(D!OooQOQQ Or0)0ooQo41aQI o e6o oo%00Oe():1d332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= 0.7454 20.833 ：i 4 4 0.833 ： 20 60.833 58.833184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:环翅的当量高度二（a2d）4dt二(15.8&-12.862)4 15.86mm = 4.26mm增强系数：ab兔 af db 40.0332 0.0332 0.1038 12.86 4-1.1二 -(b)4=1.1()4=1.54aofaofh 0.15040.15044.26查文献1,76表3-11, R134a在冷凝温度tk=40C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，:ko =0.725Bdbn(two -to).25= 0.725 X1516 .3x0.01286 卫25 x1.54 x0.745 （ tk _to）亠25 = 3745 弘卫W/（m2 K） 其中two 管外壁面温度C；入一一蒸发温度与管外壁面温度之差，C。2.3.3实际所需热流密度计算对数平均温差窃二tw2 _tw1Inwltk - tw237一 32 = 5.1 C,40-32In4037水侧污垢系数r = 0.00086maof、aof-i)- aiai am k/W 。将有关各值代入文献1,78式（3-6）和（3-7），热流密度计算q（单位为W/m2）：q。=5 = 3745 捫qo5.10-礼（爲八000086）0.0翳0常丽寸1280 n0.042 .选取不同的 （单位为C）进行迭代计算,计算结果列于表:qo计算结果%/C2q (W/m )2q (W/m )2629840961.7557543501.6532844801.448204608当=1.4 c，两式的qo值误差已经很小了，取q0 =4714W/m2，计算实际 需要的传热面积：A。 =Q吨852，初步设计结构中实际布置冷凝传热为53.6 m2 ,较传热计算所需面积小5.7% ,满足要求，可认为原假定值及初 步结构设计合理。2 .4阻力计算 2.4.1冷却水的流动阻力计算冷却水流动时的阻力的计算，其中沿程阻力系数为0.3164Ref0.250.3164218060.25= 0.026冷却水的流动阻力AR为也R =丄Pu2牡N上+1.5( N+1 J2 di一1 22 0.07=994.3 1.480.026 21.5 (2 1)2 0.011=25800Pa式中，N管程；lt左、右两管板外侧端面间的距离，每块管板厚度为35mm (见后面结构确定)，则lt= (2+0.07 ) m。考虑到外部管路损失，冷却水泵的总压头约为 ：p =0.1：Pi =0.12580010 “ = 0.1258 MPa结构设计计算3.1筒体根据文献3表2.3可知，当换热管外径d0=16mm时，换热管中心距为s=22mm，分程隔板槽两侧相邻中心距lE=35mm。根据文献3，46可知，热交换器管束最外层换热管表面至壳体内壁的最短 距离b=0.25d且不小于8mm,故本设计取8mm。根据文献 表6-4,选用壳体经济壁厚 8mm，故经计算得出的壳体最小外径:D=400mm此时实际长径比为=5輕8）目前所采用的换热管长度与壳体直径之比，一般在4lDi根据文献3 , 54,25之间，故设计合理。3.2管板管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个主要受压元件。对于管板的设计，除满足强度要求外，同时应合理考虑其结构设计。管板选用直接焊于外壳上并延伸到壳体周围之外兼作法兰，管板与传热管的连接方式采用胀接法。（2）管板最小厚度表5-4-1胀接时的管板最小厚度换热管外径do/mm25 50最小厚度S用于易燃易爆及 有毒介质的场合 domin用于无害介质的一般场合 0.75do 0.70do 0.65do管板最小厚度除满足计算要求外，当管板和管热管采用焊接时，应满足结构式就和制造的要求，且不小于12m m。若管板采用复合管板，其复层的厚度应不 小于3mm。对有腐蚀性要求的复层，还应保证距复层表面深度不小于 2mm的复 层化学成分和金相组织复层材料的要求.本设计选择管板厚度为30mm。管孔直径dp：根据文献1表3-5得换热管外径do： 16mm允许偏差耸6管板管孔径dp： 16.25mm 允许偏差_0.053.3分程隔板根据文献5，分程隔板厚度选=12mm，焊接在端盖上3.4拉杆的直径和数量表1 拉杆直径选用表换热器管外径do10W d 1414d2525dw 57拉杆直径dn101216壳体公称直径d， mm直径 400 700 900 1300 1500 1800 2000 2300dn700900130015001800200023002600mm拉杆数量10461012161824283212448101214182024164466810121216由于换热管外径为16mm，故拉杆直径取12mm，其数量为4。拉杆与定距管固定，拉杆的一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间用定距管固定，拉杆最后一块折流板用螺纹固定，拉杆的螺纹长度根据壳管式换热器手册可知：l2 =1.5d0 = 18mm3.5垫片的选取查文献8,选取垫片材料为石棉，具有适当加固物（石棉橡胶板）；基础参数为厚度S =1.5mm垫片外径为890mm,内径为618mm,设计压力为1.569MPa垫片 系数 m=2.75，比压力 y=25.5MPa。3.6连接管的确定冷却水进出口连接管水的流量qvs=0.01292m3/s，选流速u =1.2m/s，故管内径di4qv4国0.01292.3.14 1.2=0.117m = 117 mm查文献6可取无缝钢管121 6mm。实际流速为u = 1.202 m/s制冷剂连接管由原始数据查R134的lg ph图得，冷凝器进口处? = 20.8 10 m3 / kg，冷凝器出口. 4 =3.82 10 Jm3/kg。根据：qm=1.517kg/s液体的体积流量_3 zqv1 = qm .4 =1.5173.82 10=5.79 10 - m /s_3_3 3= 31.67 10一 m / s蒸气的体积流量qv2 二 qm 2 = 1.517 20.88 10出液接管的内径（选液体流速为u 1m /s)4qv14X5.79X103.14 1=0.0859 m = 86 mm(3.34)圆整后，查文献6取无缝钢管叮89 4mm进气接管内径（选蒸汽流速为u2 =10m/s）d2i4qv24*31.67心0=0.0635m=63.5mm二 u23.14 10(3.35)圆整后，查文献6取无缝钢管：:68 4mm。实际流速为u2 =8.7m/s。3.7法兰结构设计（1）管板法兰设计：本次设计管板与壳程圆筒连为整体，其延长部分兼作法兰，与 管箱用螺柱、垫片连接。Jr根据关系可知：法兰的宽度 bt = （Df _D0），根据法兰尺寸标准，与壳体配合，根据2壳体外径DN=400mm和文献，管板的法兰选用外径 D=490mm,内径B=400mm,厚度C=26mm的法兰。法兰固定螺栓孔中心圆直径K=445mm，螺栓孔孔径L=22mm,螺栓规格为 M20，螺栓数量n=16。（2） 进出水口法兰设计：根据进出水口的管道，选择相应的法兰，根据标准选择240mm 的法兰外径，螺栓孔中心圆直径为 200mm，螺纹孔直径为18，选用型号为 M16的螺栓，螺 栓的数目为8个，法兰厚度为 20mm。（3） 制冷剂进出口法兰设计：根据进制冷剂的管道为79mm，选择相应的法兰，根据标准选择190mm的法兰外径，螺栓孔的中心圆的直径为150,螺纹孔直径为18,选用型号为M16的螺栓，螺栓的数目为4个，法兰的厚度18mm。根据出制冷剂的管道为 68mm，选择相应的法兰，根据标准选择的160mm的法兰外径。螺栓孔的中心圆的直径为130mm。螺纹的孔直径的14mm，选用的型号为 M12的螺栓，螺栓的数目为4个，法兰的厚度为16mm。3.8支座的选择支座是用来支承容器及设备重量，并使其固定在某一位置的压力容器附 件。在某些场合还受到风载荷、地震载荷等动载荷的作用。压力容器支座的结构形式很多，根据容器自身的安排形式，支座可以分 为两大类：立式容器支座和卧式容器支座。由于该冷凝器为卧式容器，公称压力为 1.6MPa，筒体直径为400mm 故选用鞍式支座，支座材料选用HT-200,根据标准零部件选型号为：JB.T4712 92鞍座BI 450 F。该支座必须设计垫板。因为：该容器圆筒 鞍座处的周向应力大于规定值；容器圆筒有热处理要求；容器重量较大，地 基可能不一定为钢筋混泥土时。公 称 直 径DN允许 载荷Q(KN)鞍 座 高 度h底板腹板筋板垫板螺 栓 间 距12鞍 座 重 量kghb1b3弧长b4e4006020038012088968480160628260133.10补强圈设计由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接关的连接处，因结构的连 接性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压 力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。开孔补强设计就是指采取适当增 加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值。压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整 锻件补强三种形式。GB150规定，当在设计压力小于或等于2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开 孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管 公称外径小于或等于89mm寸，只要接管最小厚度满足表 3.3要求，就可不 另行补强。表3.3不另行补强的接管最小厚度（mn）接管公称外径253238454857657689最小厚度3.54.05.06.03.11（1）壳程管道位置设计根据换热器手册可知：如图本次设计不设补强圈，选取第二种形式设计,即：LdH (30 -4) 34 =104.5mm,取 105mm。 2150 mm。另由换热器设计手册表1-6-6查得，接管外伸长度（也叫接管伸出长度，是指接管法兰面到壳体（管箱壳体）外壁的长度）均取为（2）管程管道位置设计根据换热器手册可知：如图本次设计带补强圈，选取第一种形式：其中Dh表示补强圈的外径，根据 JB/T4736国标选择对应的补强圈的直径为 250mm厚度为4mm C取30mm hf =20mm即丨一卫旦hf C=：i75mm,取I =175mm，接管外伸长度（也叫接管伸出长度，是 2指接管法兰面到壳体（管箱壳体）外壁的长度）均取为150 mm。第四部分：总结省略