壳管式冷凝器设计讲解.docx
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壳管式冷凝器设计讲解
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=5C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：
QLQ0kw
式中：
QL————冷凝器的热负荷，kw；
Q0————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t0为5℃，冷凝温度tk为40℃，查得为1.93。
QL=1.93×360=695kw
2、传热平均温差：
tt2t1=5.450C
tkt1
ln
tkt2
3、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）
FQL0
Kt
式中：
K————传热系数，w/㎡、℃；
F————冷凝器得传热面积，㎡；t————传热平均温差，℃
由《食品工程原理设计指导书》表3中可取750）
QL————冷凝器得热负荷，w；
又△t=5.45℃
F34511000791.5m2
800*5.45
3600496070.9kgh
4.174（3226）
5、冷凝器冷却水体积流量：
kg/m3
式中：
————取995.7kg/m3；
0.138m3s
M496070.9kg/h
3
3600995.7kg/m33600
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。
式中：
V———管内流体的体积流量，㎡/s；
n0.138107.6圆整为1083.142
0.03321.5
2）管程数：
管束长度LF
nd
式中：
F—
——传热面积，㎡；
L———按单程计算的管长，m
管程数mL
l取6m。
l
式中：
l为选定的每程管长，m，考虑到管材的合理利用，
m70.7311.79圆整为12
6
所以冷凝器的总管数NT为
NTnm108121296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2000mm
2）壳体厚度（s）的计算
PD
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/cm2
φ———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0.7
D———外壳内径，cm。
0.71.64cm
80.8*2000
2132300.6580.8
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：
MQL3451137.8kg/s
Cp（t2t1）4.174（3226）
实际流速：
u1.49m/s
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：
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
Hf
Lu2
d2g
u
2g
0.027
2
41.492
0.03329.8
12412
1.49
29.8
5.36m水柱
4.传热面积安全系数
AA
＝'100%
A'
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：
2
A1＝NTπd0l＝1296×3.14×0.038×6＝927.8m2
管内总传热面积：
2
A2＝NTπdl＝1296×3.14×0.033×6＝805.7m2
实际总传热面积：
A＝（A1＋A2）/2＝（927.8＋2805.7）/2=866.8m2
理论总传热面积：
A'＝791.5m2
安全系数ε＝（866.8－791.5）/791.5＝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
无缝钢管
2
管程
12
材料
1
10
换热管规格
φ38×2.5
2
总管数
1296
mm
2
11
单程管数
108
2
管心距
48mm
3
12
轴线偏转角
7°
2
冷库冷负
360kw
度
4
荷
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
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