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1、 殼管式冷凝器課程設(shè)計 第一部分： 一：設(shè)計任務(wù)：用制冷量為的水冷螺桿式冷水機組，制冷劑選用，蒸發(fā)器形式采用冷卻液體載冷劑的臥式蒸發(fā)器，冷凝器采用臥式殼管式。 二：工況確定 1：冷凝溫度確定： 冷卻水進口溫度，出口溫度，冷凝溫度：由。 2：蒸發(fā)溫度確定: 冷凍水進口溫度，出口溫度，蒸發(fā)溫度：由。 3：吸氣溫度，采用熱力膨脹閥時，蒸發(fā)器出口溫度氣體過熱度為。過冷度為，單級壓縮機系統(tǒng)中，一般取過冷度為。 三：熱力計算： 1： 熱力計算：制冷循環(huán)熱力狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過查制冷劑的參數(shù)可知，作表格如下： 狀態(tài)點 符號 單位 參數(shù)值 0

2、 2 根據(jù)確定蒸發(fā)壓力，作等壓線飽和氣體線交得點 3.2 398 1 7 的等壓線交，查壓焓圖 0.066 403 2 52.2 取指示效率為0.85 10.16 432 4 35 等壓線與過冷等溫線交于4點，其中 249 2s 427.65 3 255 2熱力計算性能 （1）單位質(zhì)量制冷量 （2）單位理論功 （3）制冷循環(huán)質(zhì)量流量 （4）實際輸氣量 （5） 輸氣系數(shù)：取壓縮

3、機的輸氣系數(shù)為0.75 （6）壓縮機理論輸氣量 （7）壓縮機理論功率 　 (8)壓縮機指示功率 （9）制冷系數(shù)及熱力完善度 理論制冷系數(shù)： 實際制冷系數(shù)： 卡諾循環(huán)制冷系數(shù)： 故熱力完善度為： （10） 冷凝器熱負荷 由， 則 （11）壓縮機的輸入電功率 由，取 （12）能效比 循環(huán)的熱力計算如下： 序號 項目 計算公式 結(jié)果 備注 1 單位制冷量 154kJ/kg 2 單位理論功 24.65kJ/kg 3 制冷循環(huán)質(zhì)量流

4、量 1.517 4 實際輸氣量 5 輸氣系數(shù) 6 壓縮機理論輸氣量 7 壓縮機理論功率 8 壓縮機指示功率 9 理論制冷系數(shù) 6.25 10 實際制冷系數(shù) 4.78 11 卡諾循環(huán)制冷系數(shù) 7.24 12 熱力完善度 0.66 13 冷凝器熱負荷 14 壓縮機的輸入軸功率 15 能效比 3. 壓縮機的選型 在制冷系統(tǒng)中，壓縮機起到非常大的作用。它是整個系統(tǒng)運行的心臟，帶動整個系統(tǒng)

5、的正常運行。壓縮機的作用主要是：從蒸發(fā)器中吸出蒸汽，以保證蒸發(fā)器內(nèi)一定的蒸發(fā)壓力；提高壓力（壓縮），以創(chuàng)造在較高溫度下冷凝的條件；輸送制冷劑，使制冷劑完成制冷循環(huán)。制冷系統(tǒng)所需要的制冷量Q0=233.6KW,需要選配制冷壓縮機。 壓縮機的種類很多，可分兩大類—容積式和速度型。容積式壓縮機是靠工作腔容積改變實現(xiàn)吸氣、壓縮、排氣等過程。這類壓縮機又分往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式壓縮機。往復(fù)式又稱活塞式。速度型壓縮機是靠旋轉(zhuǎn)的葉輪對蒸汽做功，使壓力升高以完成蒸汽的輸送，這類壓縮機又分離心式和軸流式。 活塞式壓縮機是問世最早的一種機型，至今已發(fā)展到幾乎完善的程度，由于其壓力范圍大，能夠適合較廣的

6、能量范圍，有高速，多缸能量可調(diào)，熱效率高，適用多種制冷制等優(yōu)點。并且我國對此機的加工制造已有數(shù)十年的經(jīng)驗，加工較容易，造價也較低，國內(nèi)應(yīng)用極為普遍，有成熟的運行管理，維護經(jīng)驗。 本設(shè)計初步選擇螺桿式冷媒壓縮機。螺桿壓縮機一般都是指雙螺桿壓縮機，它由一對陽、陰螺桿構(gòu)成，是回轉(zhuǎn)壓縮機中應(yīng)用最廣泛的一種，在化工、制冷及空氣動力工程中，它所占的比重越來越大。螺桿式熱泵機組無論是COP值還是維護費用、振動頻率、噪音等性能均優(yōu)于活塞式熱泵機組。該產(chǎn)品有以下特點： 1.四段容調(diào)或連續(xù)卸載控制設(shè)計，隨負荷變化調(diào)整壓縮機的輸出，節(jié)省能源消耗。 2.轉(zhuǎn)子經(jīng)專用研磨加工及動力平衡校正，配合進口德國FAG

7、及瑞典SKF高精密軸承，運行平順，振動小，噪音低。 3.采用法國進口高效率耐氟電機，效率高、可靠性好。 4.采用最新的第三代非對稱齒形，公稱子五齒，母轉(zhuǎn)子六齒，齒間壓力落差及回吹孔小，容積效率高，節(jié)省能源。采用全新高效油分離器，分油效果達99.7％，有利于提高機組蒸發(fā)器效率，并適用于滿液式蒸發(fā)器設(shè)計。 5.半密閉設(shè)計不需要軸承，無軸封泄漏問題、可靠性佳，且馬達與機體為分離式設(shè)計，易于維護與保養(yǎng)。 6.除一般的冷水機組和空調(diào)儲冰系統(tǒng)以外，依使用工況不同另設(shè)計高壓縮比機種，效率高?？煽啃约眩m用于風(fēng)冷機組、熱泵機。 根據(jù)已知條件進行計算選型： 吸氣狀態(tài)的比體積： 壓縮機的實際輸氣量：

8、 壓縮機的理論輸氣量： 制冷壓縮機的理論功率、指示功率： = 選用比澤爾CSH8573-110Y-40P型號螺桿式 壓縮機機組，制冷量為243kw。 第二部分：殼管式冷凝器設(shè)計 2.2 結(jié)構(gòu)的初步規(guī)劃 2.2.1：結(jié)構(gòu)型式 系統(tǒng)制冷量為

9、233.6kw，制冷量相對較大，本次設(shè)計選用殼管式器較為合適。 2.2.2 污垢系數(shù)的選擇 參看文獻，可取氟利昂側(cè) = 0.086 ℃/kW，冷凍水側(cè) = 0.086 ℃/kW。 2.2.3 冷凍水的流速： 初步設(shè)計機組每天運行10小時，則每年運行小時數(shù)約為3000～4000。參看文獻數(shù)據(jù)，取冷凍水流速 u = 2m/s。 2.2.4 管型選擇： 參考文獻[1,70-71]中所述及文獻[1]表3-4。本次設(shè)計選取表3-4中的4號管：16mm1.5mm，因其增強系數(shù)相比較大，有利換熱。其有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： 管內(nèi)徑=11mm ，翅頂直徑=15.86mm ，翅

10、厚=0.223mm ，翅根管面外徑=12.86mm ，翅節(jié)距=1.25mm，翅高h＝1.5mm。 單位管長的各換熱面積計算如下： 每米管長翅頂面積：=== 0.0089 每米管長翅側(cè)面積：=== 0.1083 每米管長翅間管面面積： == = 0.0332 每米管長管外總面積：=++= 0.1504 每米管長管內(nèi)面面積：= =0.014= 0.0345 2.2.5 冷卻水流量： 取冷卻水進出口溫度的平均溫度為定性溫度，= ℃=34.5 ℃。 由傳熱學(xué)附錄9中查

11、得其有關(guān)物性參數(shù)如下： = 994.3 = 4.174 冷卻水流量為： == （2.8） 2.2.6 估算傳熱管總長 參看文獻[1，75]，按管外面積計算熱流密度，在設(shè)計條件下，熱流密度可在5000～7000范圍內(nèi)取值。本設(shè)計假定 = 5000。 則應(yīng)布置的傳熱面積：= = 應(yīng)布置的有效總管長： L = = 2.2.7 確定每流程管數(shù)Z，有效單管長及流程數(shù)N 冷卻水的流速u = 1.5m/s，冷卻水流量= ，則每流程管數(shù) Z =

12、 == 90.68（根），圓整后取Z =91根。 則實際水流速 對流程數(shù)N、總根數(shù)NZ、有效單管長、殼體內(nèi)徑及長徑比進行組合計算，組合計算結(jié)果如表3.2所示 表3.2 組合計算結(jié)果 流程數(shù)N 總根數(shù)NZ 有效單管/m 殼體內(nèi)徑/m 長徑比 2 182 1.956 0.427 4.58 4 364 0.978 0.603 1.62 參看文獻[1，76]，在組合計算中，當(dāng)傳熱管總根數(shù)較多時，殼體內(nèi)徑可按下式估算： 式中 s——相鄰管中心距，，單位為 m； ——管外徑，單位為 m。 系數(shù)的取法：當(dāng)殼體

13、內(nèi)管子基本布滿不留空間時取下限，當(dāng)殼體內(nèi)留有一定空間時取上限。（本設(shè)計取下限計算） 查看文獻[1]表2.3，由=16mm查得：換熱管中心距s = 22mm 。 參看文獻[1，76]，長徑比一般在6～8范圍內(nèi)較為適宜，長徑比大則流程數(shù)少，便于端蓋的加工制造。當(dāng)冷凝器與半封閉式活塞式制冷壓縮機組成機組時應(yīng)適當(dāng)考慮壓縮機的尺寸而選取更為合適的冷凝器的長徑比。據(jù)此，本設(shè)計選取2流程方案作為結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)，管徑選擇400mm的無縫鋼管。 2.3 熱力計算

14、 2.3.1 水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 從管子在殼體的實際排列來看，每個流程的平均管子數(shù)為n=92，因此在管內(nèi)的水速平均值為： 由= 34℃查文獻[2]附錄9表得其運動粘度。 由文獻[1]表3-12查得其物性集合系數(shù) B = 2178.2。因為雷諾數(shù)Re = = = 21806＞，亦即水在管內(nèi)的流動狀態(tài)為湍流，則由文獻[1，78]中式（3-5），水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 3.3.2 氟利昂側(cè)冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 根據(jù)圖3.2的排管布置，管排修正系數(shù)由文獻[1，77]中式（3-4）計算 根據(jù)所選管型，低翅片管傳

15、熱增強系數(shù)由文獻[1，77]中式（3-2）計算如下： 環(huán)翅的當(dāng)量高度 mm = 4.26mm 增強系數(shù) ： = =1.54 查文獻[1，76]表3-11，R134a在冷凝溫度=40℃時，其物性集合系數(shù) B = 1516.3 由文獻[1，76]式（3-1）計算氟利昂側(cè)蒸發(fā)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)， = 其中——管外壁面溫度,℃； ——蒸發(fā)溫度與管外壁面溫度之差,℃。 2.3.3 實際所需熱流密度計算 對數(shù)平均溫差 ＝5.1℃ 水側(cè)污垢系數(shù)= 0.

16、00086。 將有關(guān)各值代入文獻[1，78] 式（3-6）和（3-7），熱流密度計算（單位為）： = 3745 選取不同的（單位為℃）進行迭代計算，計算結(jié)果列于表： 計算結(jié)果 /℃ （） （） 2 6298 4096 1.7 5575 4350 1.6 5328 4480 1.4 4820 4608 當(dāng)=1.4，兩式的值誤差已經(jīng)很小了，取，計算實際需要的傳熱面積：，初步設(shè)計結(jié)構(gòu)中實際布置冷凝傳熱為53.6，較傳熱計算所需面積小，滿足要求，可認(rèn)為原假定值及初步結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。 2.4 阻力計算

17、 2.4.1 冷卻水的流動阻力計算 冷卻水流動時的阻力的計算，其中沿程阻力系數(shù)為 冷卻水的流動阻力為 = ＝25800Pa 式中，N——管程； ——左、右兩管板外側(cè)端面間的距離，每塊管板厚度為35mm （見后面結(jié)構(gòu)確定），則 =（2+0.07 ）m 。 考慮到外部管路損失，冷卻水泵的總壓頭約為 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 3.1 筒體 根據(jù)文獻[3]表2.3可知，當(dāng)換熱管外徑d

18、0=16mm時，換熱管中心距為s=22mm，分程隔板槽兩側(cè)相鄰中心距IE=35mm。 根據(jù)文獻[3，46]可知，熱交換器管束最外層換熱管表面至殼體內(nèi)壁的最短距離b=0.25d且不小于8mm,故本設(shè)計取8mm。 根據(jù)文獻[5]表6-4,選用殼體經(jīng)濟壁厚8mm，故經(jīng)計算得出的殼體最小外徑： D=400mm 此時實際長徑比為 (3.28) 根據(jù)文獻[3，54]，目前所采用的換熱管長度與殼體直徑之比，一般在4～25之間，故設(shè)計合理。

19、 3.2 管板 管板是管殼式換熱器的一個重要元件，它除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個主要受壓元件。對于管板的設(shè)計，除滿足強度要求外，同時應(yīng)合理考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計。 管板選用直接焊于外殼上并延伸到殼體周圍之外兼作法蘭，管板與傳熱管的連接方式采用脹接法。 （2）管板最小厚度 表5-4-1 脹接時的管板最小厚度 換熱管外徑do/mm ≤25 >25～<

20、50 ≥50 最小厚度δmin 用于易燃易爆及 有毒介質(zhì)的場合 ≥do 用于無害介質(zhì)的一般場合 ≥0.75do ≥0.70do ≥0.65do 管板最小厚度除滿足計算要求外，當(dāng)管板和管熱管采用焊接時，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)式就和制造的要求，且不小于12mm。若管板采用復(fù)合管板，其復(fù)層的厚度應(yīng)不小于3mm。對有腐蝕性要求的復(fù)層，還應(yīng)保證距復(fù)層表面深度不小于2mm的復(fù)層化學(xué)成分和金相組織復(fù)層材料的要求.本設(shè)計選擇管板厚度為30mm。 管孔直徑dp：根據(jù)文獻[1]表3-5得 換熱管外徑d0：16mm 允許偏差 管板管孔徑dp：16.25mm 允許偏差

21、 3.3分程隔板 根據(jù)文獻[5]，分程隔板厚度選，焊接在端蓋上。 3.4拉桿的直徑和數(shù)量 表1 拉桿直徑選用表 換熱器管外徑do 10≤d≤14 14

22、4 6 10 12 16 18 24 28 32 12 4 4 8 10 12 14 18 20 24 16 4 4 6 6 8 10 12 12 16 由于換熱管外徑為16mm，故拉桿直徑取12mm，其數(shù)量為4。 拉桿與定距管固定，拉桿的一端用螺紋擰入管板，每兩塊折流板之間用定距管固定，拉桿最后一塊折流板用螺紋固定，拉桿的螺紋長度根據(jù)殼管式換熱器手冊可知： 3.5墊片的選取 查文獻[8],選取墊片材料為石棉，具有適當(dāng)加固物（石棉橡膠板）；基礎(chǔ)參數(shù)為厚度δ=1.5mm,墊片外徑為890mm,內(nèi)徑為618mm

23、, 設(shè)計壓力為1.569MPa,墊片系數(shù)m=2.75,比壓力y=25.5MPa。 3.6連接管的確定 冷卻水進出口連接管 水的流量=0.01292，選流速，故管內(nèi)徑 查文獻[6]可取無縫鋼管mm。實際流速為 制冷劑連接管 由原始數(shù)據(jù)查R134的圖得，冷凝器進口處，冷凝器出口。 根據(jù)： 液體的體積流量 = 蒸氣的體積流量 出液接管的內(nèi)徑（選液體流速為） (3.34) 圓整后，查文獻[6]取

24、無縫鋼管 進氣接管內(nèi)徑（選蒸汽流速為） (3.35) 圓整后，查文獻[6]取無縫鋼管。實際流速為。 3.7法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1） 管板法蘭設(shè)計：本次設(shè)計管板與殼程圓筒連為整體， 其延長部分兼作法蘭， 與管箱用螺柱、 墊片連接。 根據(jù)關(guān)系可知：法蘭的寬度，根據(jù)法蘭尺寸標(biāo)準(zhǔn)，與殼體配合， 根據(jù)殼體外徑DN=400mm和文獻，管板的法蘭選用外徑D=490mm,內(nèi)徑B=400mm，厚度C=26mm的法蘭。法蘭固定螺栓孔中心圓直徑K=445mm，螺栓孔孔徑L=22mm，螺栓規(guī)格為M20，螺栓數(shù)量n=16。 （2） 進出水口法蘭設(shè)計：根據(jù)進

25、出水口的管道，選擇相應(yīng)的法蘭，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇240mm的法蘭外徑，螺栓孔中心圓直徑為200mm，螺紋孔直徑為18，選用型號為M16的螺栓，螺栓的數(shù)目為8個，法蘭厚度為20mm。 （3） 制冷劑進出口法蘭設(shè)計：根據(jù)進制冷劑的管道為79mm，選擇相應(yīng)的法蘭，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇190mm的法蘭外徑，螺栓孔的中心圓的直徑為150，螺紋孔直徑為18，選用型號為M16的螺栓，螺栓的數(shù)目為4個，法蘭的厚度18mm。根據(jù)出制冷劑的管道為68mm，選擇相應(yīng)的法蘭，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇的160mm的法蘭外徑。螺栓孔的中心圓的直徑為130mm。螺紋的孔直徑的14mm，選用的型號為M12的螺栓，螺栓的數(shù)目為4個，法蘭的厚度為16m

26、m。 3.8支座的選擇 支座是用來支承容器及設(shè)備重量，并使其固定在某一位置的壓力容器附件。在某些場合還受到風(fēng)載荷、地震載荷等動載荷的作用。 壓力容器支座的結(jié)構(gòu)形式很多，根據(jù)容器自身的安排形式，支座可以分為兩大類：立式容器支座和臥式容器支座。 由于該冷凝器為臥式容器，公稱壓力為，筒體直徑為。故選用鞍式支座，支座材料選用HT-200，根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)零部件》選型號為：4712—92 鞍座BI 450—F。該支座必須設(shè)計墊板。因為：該容器圓筒鞍座處的周向應(yīng)力大于規(guī)定值；容器圓筒有熱處理要求；容器重量較大，地基可能不一定為鋼筋混泥土?xí)r。

27、 公稱直徑 允許 載荷 鞍座高度 底板 腹板 筋板 墊板 螺栓間距 鞍座重量 弧長 400 60 200 380 120 8 8 96 8 480 160 6 28 260 13 3.10補強圈設(shè)計 由于各種工藝和結(jié)構(gòu)上的要求，不可避免地要在容器上開孔并安裝接管。開孔以后，除削弱器壁的強度外，在殼體和接關(guān)的連接處，因結(jié)構(gòu)的連接性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器的安全操作帶來隱患，因此壓力容器設(shè)計必須充分考慮開孔的補強問題。開孔補

28、強設(shè)計就是指采取適當(dāng)增加殼體或接管厚度的方法將應(yīng)力集中系數(shù)減小到某一允許數(shù)值。壓力容器接管補強結(jié)構(gòu)通常采用局部補強結(jié)構(gòu)，主要有補強圈補強、厚壁接管補強和整鍛件補強三種形式。 GB150規(guī)定，當(dāng)在設(shè)計壓力小于或等于2.5MPa的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心的間距（對曲面間距以弧長計算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑小于或等于89mm時，只要接管最小厚度滿足表3.3要求，就可不另行補強。 表3.3 不另行補強的接管最小厚度（mm） 接管公稱外徑 25 32 38 45 48 57 65 76 89 最小厚度 3.5 4.0 5.0 6.0

29、 3.11 （1）殼程管道位置設(shè)計 根據(jù)換熱器手冊可知：如圖 本次設(shè)計不設(shè)補強圈，選取第二種形式設(shè)計， 即：。 另由《換熱器設(shè)計手冊》表1-6-6查得，接管外伸長度（也叫接管伸出長度，是指接管法蘭面到殼體（管箱殼體）外壁的長度）均取為150。 （2） 管程管道位置設(shè)計 根據(jù)換熱器手冊可知：如圖 本次設(shè)計帶補強圈，選取第一種形式：其中表示補強圈的外徑，根據(jù)JB/T4736國標(biāo)選擇對應(yīng)的補強圈的直徑為250mm，厚度為4mm，C取30mm， 即175mm，取，接管外伸長度（也叫接管伸出長度，是指接管法蘭面到殼體（管箱殼體）外壁的長度）均取為150。 第四部分：總結(jié)省略