管壳式换热器设计Word下载.docx
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⑦主体设备结构图;
⑧设计结果概要表;
⑨对设计的评价及问题讨论;
⑩参考文献。
)
6.绘制工艺流程图,管壳式冷凝器的结构图(3号图纸)、及花板布置图(3号或者4号图纸)。
二、流程示意图
流程图说明:
本制冷循环选用卧式管壳式冷凝器,选用氨作制冷剂,采用回热循环,共分为4个阶段,分别是压缩、冷凝、膨胀、蒸发。
12由蒸发器内所产生的低压低温蒸汽被压缩机吸入压缩机气缸,经压缩后温度升高;
23高温高压的氨蒸汽进入冷凝器;
F—22蒸汽在冷凝器中受冷却水的冷却,放出热量后由气体变成液态氨。
44’液态氨不断贮存在贮氨器中;
4’5使用时氨液经膨胀阀作用后其压力、温度降低,并进入蒸发器;
51低压的氨蒸汽在蒸发器中不断的吸收周围的热量而汽化,然后又被压缩机吸入,从而形成一个循环。
5’1是一个回热循环。
本实验采用卧式壳管式冷凝器,其具有结构紧凑,传热效果好等特点。
所设计的卧式管壳式冷凝器采用管内多程式结构,冷却水走管程,氨蒸汽走壳程。
采用多管程排列,加大传热膜系数,增大进,出口水的温差,减少冷却水的用量。
三、设计方案的确定及说明。
1·
流体流入空间的选择
本设计采用河水为冷却剂,河水比较脏和硬度较高,受热后容易结垢。
同时,氨走壳程也便于散热,从而减少冷却水的用量。
因此,为方便清洗和提高热交换率,冷却水应走管程,氨制冷剂应走壳程。
2·
流速的选择
查得列管式换热器常用流速范围
流体种类
一般流体
易结垢液体
气体
流速
管程
0.5~3m/s
>1m/s
5~30m/s
壳程
0.2~1.5m/s
>0.5m/s
3~15m/s
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·
冷却剂适宜温度的确定及制冷剂蒸发温度,冷凝温度,过热温度和过冷温度。
本设计冷却剂的进口温度=15℃。
而一般卧式管壳式冷凝器冷却剂的进出口的温度之差为
5~10℃,本方案取为6℃,所以出口温度为21℃。
高温库工作温度为0~4℃,本设计取0℃;
氨的标准沸点为-33.3℃,凝固点为-77.7℃。
制冷剂蒸发温度一般比库内空气低8~12℃,本设计取=-10℃;
本设计取冷凝温度=25℃;
过冷温度比冷凝温度低3~5℃,取=21℃;
过热温度比蒸发温度高3~5℃,取=-6℃。
4·
冷凝器的造型和计算
4.1水冷式冷凝器的类型
本次设计是以河水为冷却剂,氨做制冷剂,选择氨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、高压氨气等压冷凝成液体,在冷库中蒸发,带走待冷物料的热量,起到冷却物料的效果。
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、室内布置,操作较为方便。
4.2冷凝器的选型计算
4.2.1冷凝器的热负荷
4.2.2冷凝器的传热面积计算
4.2.3冷凝器冷却水用量
4.2.4冷凝器的阻力计算
5·
管数、管程数和管子的排列
5.1管数及管程数
5.2管子在管板上的排列方式
5.3管心距
6·
壳体直径及壳体厚度的计算
6.1壳体直径,厚度计算
四、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:
kw
式中:
————冷凝器的热负荷,kw;
————制冷量(冷负荷),800kw;
————制冷系数,与蒸发温度tk、气缸冷却方式及制冷剂种类有关,在蒸发温度为-10℃,冷凝温度为25℃,查得为1.15。
∴=1.15×
800=920kw
2、传热平均温差:
℃
3、冷凝器的传热面积计算:
式中:
—传热系数,w/(㎡℃)(由参考书《化工工艺设计手册》查得K可取950w/(㎡℃));
————冷凝器得传热面积,㎡;
————冷凝器得热负荷,w;
————传热平均温差,℃
4、冷凝器冷却水用量:
kg/h
式中:
————冷凝器的热负荷,kw;
————冷却水的定压比热,KJ/kg·
k;
河水可取4.183;
————冷却水进出冷凝器得温度,K或℃;
————冷却水进出冷凝器得温度,K或℃。
5、冷凝器冷却水体积流量:
————取998.2;
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
冷凝器内冷却水在管内流速可选取1.5m/s,设计中选用×
2.5mm不锈无缝钢管作为冷凝器内换热管。
单程管数
———管内流体的体积流量,㎡/s;
———管子内直径,m;
———流体流速,m/s。
圆整为80
取整后的实际流速
2)管程数:
管束长度
———传热面积,㎡;
———按单程计算的管长,m。
管程数
考虑到管材的合理利用,为选定的每程管长6m。
圆整为5
所以冷凝器的总管数为
根
3)管心距t和偏转角α
由于采用焊接法,故,
取
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。
由于河水易结垢,正方形排列易于机械清洗,所以选择正方形排列。
管子的排列和挡板、隔板的安排如花板布置图所示(如附图)。
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———壳体内径,mm;
t———管心距,mm;
`
———横过管束中心线的管数
(管子按正方形排列时,n为总管数,故);
———管束中心线上最外层管的中心支壳体内壁的距离,
(一般取,这里取);
圆整为1000mm
2)壳体厚度(s)
根据壳体标准尺寸
壳体外径,mm
325
400500600700
8009001000
11001200
最小壁厚,mm
8
10
12
14
所以壳体厚度取14mm.
(二)设计校核
1.雷诺数计算及流型判断
冷凝器冷却水用量:
实际流速:
雷诺数:
>
104
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:
———管道摩擦阻力系数,湍流状态下,光滑管λ=0.024;
l———每根管子的有效长度,m;
u———冷却水在管内流速,m/s;
——局部阻力系数,可近似取为。
3.热量衡算
下图为氨在实际制冷循环中的压焓图
本设计确定:
1)蒸发温度为:
—10℃
2)冷凝温度为:
25℃
3)冷却水出口温度为:
21℃
4)过冷温度为:
5)冷冻冷负荷=800kw
制冷循环简易流程为:
液体过冷的制冷循环和
基本循环。
根据氨的压焓图查得:
,,,
单位制冷量:
q0=h1-h5=402-235=167kj/kg
制冷循环量:
G=Q0/q0=2900×
3600/167=62515kg/h
单位循环量:
G=Qo/qo=2900/167=17.37kg/s
冷却放热量:
G×
(h2’-h3)=17.37×
(430-415)=260.55
冷凝放热量:
(h3-h4)=17.37×
(415-245)=2952.9
过冷放热量:
(h4-h4’)=17.37×
(245-235)=173.7
过热吸热量:
(h1’-h1)=17.37×
(412-402)=173.7
压缩功:
wt=h2’=h1’=430-412=18
理论的制冷系数:
εt=qo/wt=167/18=9.28
由此可见,本设计热量基本平衡,符合实际要求。
4.传热面积安全系数
———实际布置所得的传热面积,m2;
———理论传热面积,m2
管外总传热面积:
管内总传热面积:
实际总传热面积:
理论总传热面积:
传热面积安全系数ε=(169.56-)/=14.6%
满足传热面积安全系数为5%~15%(,故本设计合符要求。
5.长径比L/D
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
1
蒸发温度
-6℃
13
管子排列方式
正六边形
2
冷凝温度
32℃
壳体内径
2000mm
3
冷却水进口温度
26℃
15
壳体壁厚
12mm
4
冷却水出口温度
16
长径比
3.13
5
冷却水流速
1.49m/s
17
壳体材料
不锈钢管
6
冷却水阻力
5.45m水柱
18
管长
6m
7
冷却水用量
19
内传热面积
805.7m2
雷诺数
61106.6
20
安全系数
9.5%
9
冷凝换热管材料
无缝钢管
21
换热管规格
φ38×
2.5mm
22
总管数
1296
11
单程管数
108
23
管心距
48mm
轴线偏转角度
7°
24
冷库冷负荷
2900kw
六、主要符号表
名称
符号
单位
焓
i
kj/kg
壳体厚度
s
mm
压力
P
Pa
单位制冷量
q0
温度
t
℃
制冷循环量
G
kg/s
流速
u
m/s
热负荷
QL
粘度
μ
Pa·
M
kg/h
密度
p
kg/m3
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- 管壳 换热器 设计