天然氣水合物反應(yīng)釜的部件設(shè)計(jì)與選型案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u13455天然氣水合物反應(yīng)釜的部件設(shè)計(jì)與選型案例分析 1110781.1前言 1132631.2天然氣水合物反應(yīng)釜設(shè)計(jì) 1144901.3壓縮機(jī)型號(hào)選擇 4250181.4蒸發(fā)器設(shè)計(jì)和選擇 6183741.5冷凝器設(shè)計(jì)與選擇 865401.6其他部件設(shè)計(jì)與選型 15245531.6.1膨脹閥的選型 15172701.6.2經(jīng)濟(jì)器設(shè)計(jì)選型 16306751.7系統(tǒng)總制冷性能系數(shù)計(jì)算 161.1前言通過(guò)前文的對(duì)比和計(jì)算，確定了準(zhǔn)二級(jí)制冷壓縮循環(huán)在相對(duì)補(bǔ)氣量0.25時(shí)取得最優(yōu)系統(tǒng)COP與部分熱力循環(huán)基本參數(shù)后，需要對(duì)整個(gè)制冷循環(huán)進(jìn)行選型，選擇合適的部件。1.2天然氣水合物反應(yīng)釜設(shè)計(jì)設(shè)置反應(yīng)釜內(nèi)溫度為273.95K，壓強(qiáng)為3.79MPa[10]，在這組條件下，甲烷水合物生成效率較高，儲(chǔ)氣密度可達(dá)理想儲(chǔ)氣量的81%、。本次設(shè)計(jì)中甲烷水合物反應(yīng)釜內(nèi)甲烷氣體持續(xù)以273.95K，3.79MPa的狀態(tài)通入反應(yīng)釜，一部分甲烷氣體與水分子結(jié)合，形成天然氣水合物并放熱，其中，天然氣水合熱為23.8kJ/mol，未參與反應(yīng)的水和反應(yīng)生成的水合物漿，從反應(yīng)釜下口離開(kāi)后進(jìn)行分離，未參與反應(yīng)的甲烷氣體則從排氣口進(jìn)入蒸發(fā)器與制冷劑R410a進(jìn)行換熱，降溫至273.95K后再次進(jìn)入反應(yīng)釜反應(yīng)。200Nm3/d甲烷氣體完全反應(yīng)生成水合物，放出的熱量計(jì)算為：參與反應(yīng)的甲烷質(zhì)量流量：qΔm=200×0.7174參與反應(yīng)的甲烷摩爾量：n=mM=200×0.7174水合物反應(yīng)放出的熱量：Qc=8.97×103×23.8=2.13×1參與反應(yīng)的甲烷氣體體積流量：qvc=nRTp=6.25×反應(yīng)釜內(nèi)所需水的質(zhì)量流量為：qmw=qvc反應(yīng)釜內(nèi)所需水的體積流量為：qvw=0.908999.9又因甲烷水合物的生成過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，故假設(shè)本次設(shè)計(jì)中水合物完全反應(yīng)時(shí)間為25min，故產(chǎn)生水合物所需的反應(yīng)水體積約為：V1=qvw同時(shí)，參與反應(yīng)的甲烷氣體也有一定體積，考慮安全因素等，V1占據(jù)的體積應(yīng)為總反應(yīng)釜的2/3左右，則：Vall=v反應(yīng)釜主要由密封座和氣體出入口，進(jìn)水口，水合物和水出口孔板和釜體組成，釜體為空心的細(xì)長(zhǎng)圓柱體，采用304不銹鋼制作，釜體與密封座通過(guò)墊圈和螺絲連接。其設(shè)計(jì)體積為225L，則閥體內(nèi)部尺寸為φ480×1000mm，反應(yīng)釜壁厚d=25mm，故反應(yīng)釜總尺寸為h=1250mm，φ=650mm。同時(shí)，在密封座上設(shè)置壓力傳感器和溫度傳感器對(duì)水合物反應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)控，并在反應(yīng)釜上對(duì)面設(shè)置觀察孔便于觀察水合物生成反應(yīng)情況。反應(yīng)釜設(shè)計(jì)圖如下：圖1.1反應(yīng)釜模型反應(yīng)開(kāi)始時(shí)需先將反應(yīng)釜內(nèi)抽成真空后注入0.8℃蒸餾水后，然后反應(yīng)釜內(nèi)充入甲烷并加壓，為避免水在此溫度下結(jié)冰，可提前將純水調(diào)配成濃度較低的氯化鈉水溶液來(lái)降低凝固點(diǎn)。溶液和甲烷在反應(yīng)釜內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，生成的水合物漿與未反應(yīng)的溶液從反應(yīng)釜下部出水口以及出漿口流出，反應(yīng)放出的熱則被未參與反應(yīng)的甲烷氣體帶出進(jìn)入蒸發(fā)器交換熱量，降溫后重新進(jìn)入反應(yīng)釜，以此保持反應(yīng)釜內(nèi)溫度恒定。1.3壓縮機(jī)型號(hào)選擇二次進(jìn)氣壓縮機(jī)是準(zhǔn)二級(jí)壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)的核心設(shè)備，可以將溫度高于壓縮機(jī)吸氣口吸入的制冷劑從壓縮機(jī)補(bǔ)氣口向壓縮機(jī)內(nèi)腔補(bǔ)入進(jìn)行二次進(jìn)氣。在高溫條件下，該系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行。但隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的溫度升高，制冷劑溫度升高導(dǎo)致壓縮機(jī)壓比增加且容積效率降低，會(huì)減少流經(jīng)系統(tǒng)的制冷劑質(zhì)量流量、增加所需的壓縮機(jī)功率、同時(shí)還會(huì)增大排氣溫度，這些都會(huì)使系統(tǒng)的制冷效果大幅降低，甚至影響壓縮機(jī)的使用時(shí)間甚至系統(tǒng)的正常運(yùn)行。故使用時(shí)需要注意環(huán)境溫度并及時(shí)調(diào)整。由理論循環(huán)計(jì)算制冷劑流量：qm=Qc又因?yàn)棣?m2m2+m1=0.25主路流量m1=0.0125kg/s補(bǔ)路流量m2=0.0042kg/s壓縮機(jī)理論功率：W==0.0125440?420=0.2755kW（1.10）壓縮機(jī)理論排氣量：Vc=q壓縮機(jī)進(jìn)口流量：Vi=m1通過(guò)壓縮機(jī)進(jìn)口流量和設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行種類(lèi)選擇，選擇合適的壓縮機(jī)形式可避免選擇不當(dāng)帶來(lái)的負(fù)面影響，從而延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命?？紤]到經(jīng)濟(jì)和效率等因素，本設(shè)計(jì)擬選用型號(hào)為ZP57K3E-PFJ的華安達(dá)谷輪R410A渦輪壓縮機(jī)。表1.1ZP57K3E-PFJ的華安達(dá)谷輪R410A渦輪壓縮機(jī)具體參數(shù)型號(hào)電壓（V）相數(shù)排量（m3/hr）額定功率（HP）ZP57K3E-PFJ220-24019.441.8制冷量（W）輸入功率（W）COP電流（A）重量（kg）13950465032441圖1.2不同過(guò)熱度下壓縮機(jī)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度范圍上圖顯示了型號(hào)為ZP57K3E-PFJ的壓縮機(jī)額定功率為1.8HP即3.58kW，符合本次設(shè)計(jì)要求。而由下圖可知，設(shè)計(jì)工況在所該壓縮機(jī)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，合適。表1.2壓縮機(jī)進(jìn)口管道尺寸（單位mm）型號(hào)ΦA(chǔ)型號(hào)ΦA(chǔ)ZP57K3E-PFJ13.46ZP67KCE-PFZ13.46ZP57K3E-TFD17.46ZP67KCE-TFD17.45ZP61KCE-PFZ13.46ZP72KCE-TFD17.45ZP61KCE-TFD17.45ZP83KCE-TFD17.45由上圖可知該型號(hào)壓縮機(jī)進(jìn)口管道直徑為13.46mm。圖1.3ZP57K3E-PFJ的華安達(dá)谷輪R410A渦輪壓縮機(jī)1.4蒸發(fā)器設(shè)計(jì)和選擇殼管式蒸發(fā)器根據(jù)制冷劑流動(dòng)位置分為滿(mǎn)液式和干式蒸發(fā)器。滿(mǎn)液式蒸發(fā)器制冷劑走殼程，從殼體下部進(jìn)入，在傳熱管外流動(dòng)并沸騰，蒸汽從殼體上部排出，其中制冷劑的充注量一般為殼體的55%-65%。而干式制冷劑走管程，從端蓋下部流入傳熱管束，在關(guān)內(nèi)流動(dòng)并蒸發(fā)，蒸汽從端蓋上部出氣口排出，載冷劑走殼程。為保證本設(shè)計(jì)中制冷劑能完全將制冷量傳遞給甲烷氣體進(jìn)行降溫，故選擇干式蒸發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。蒸發(fā)器采用內(nèi)外螺紋式增強(qiáng)管,銅管內(nèi)表面有螺紋,銅管外表面光滑,冷卻效果好。本設(shè)計(jì)擬采用內(nèi)微肋管，外徑為d0=16mm，內(nèi)徑為di=11.6mm，翅高f=0.17mm，翅數(shù)Nn=68。其中：蒸發(fā)器換熱量：????Qc=8.97×103管側(cè)制冷劑流量：qm=Qc設(shè)內(nèi)微肋管的面積熱流量qf0=1000W/m2，則其所需外面便傳熱面積為：A擬采用四流程的直管結(jié)構(gòu)，每根蒸發(fā)管直管段全長(zhǎng)為L(zhǎng)=540mm，減去N塊折流板厚度，內(nèi)微肋管實(shí)際傳熱長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=480mm，故所訴管數(shù)為n1=A0經(jīng)規(guī)劃得到的有效傳熱面積為：AO=πd0設(shè)管子中心距s=1.3d0=20.8mm。且制冷劑進(jìn)口溫度為0.8℃，在蒸發(fā)器中等壓等溫蒸發(fā)至飽和氣體后離開(kāi)蒸發(fā)器。蒸發(fā)器設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)如下：表1.3蒸發(fā)器設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)換熱量（kW）管側(cè)介質(zhì)殼側(cè)介質(zhì)管側(cè)進(jìn)/出口溫度（℃）殼體外徑及壁厚（mm）管側(cè)流量（kg/s）管側(cè)流程數(shù)管子總數(shù)2.47R410aCH0.8360×60.01254103圖1.3殼管式干式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)1.5冷凝器設(shè)計(jì)與選擇根據(jù)冷凝器的介質(zhì)和冷凝方式的不同，冷凝器的種類(lèi)主要有空冷冷凝器，水冷冷凝器和蒸發(fā)冷凝器。由于本系統(tǒng)中冷凝器技術(shù)需求較低，擬采用強(qiáng)制對(duì)流換熱的空冷型翅片管冷凝器。其中，空冷冷凝器是一種以空氣為介質(zhì)，通過(guò)對(duì)流換熱來(lái)冷卻制冷劑的的冷凝器，其換熱系數(shù)比水冷冷凝器小，但不需要冷卻水，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，安裝更為方便。（1）冷凝器溫度參數(shù)及負(fù)荷：已知制冷劑R410A質(zhì)量流量為0.0167kg/s，則冷凝器的冷凝負(fù)荷為Qk=qk則R410A側(cè)的冷凝器冷凝負(fù)荷為3.01kW，取10%的富裕度，則冷凝器設(shè)計(jì)負(fù)荷為3.31kW，故冷凝器具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下。表1.4冷凝器設(shè)計(jì)參數(shù)冷凝器負(fù)荷Q進(jìn)口空氣溫度t出口空氣溫度t冷凝溫度t進(jìn)出口空氣溫差3.31kW20℃30℃40℃10℃因?yàn)槟媪鲹Q熱效率高于順流，故選擇逆流作為冷凝器換熱方式。則冷凝器對(duì)數(shù)平均溫差為：tm1=tmax（2）冷凝器翅片管設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況，擬采用Φ10mm×0.5mm的紫銅管為傳熱管，散熱翅片為波紋型鋁制套片，厚度為0.15mm。相鄰翅片的中間距離為Sf=2mm，迎風(fēng)面上相鄰管之間的距離為S1=25mm，管簇采用正三角形叉排，排間距為s2af=2s翅片間管面面積：ab=πd總外表面積：aof=af內(nèi)表面積：ai=πdi（3）冷凝器風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算：首先確定冷凝器定性溫度：tm2=t查表得，一個(gè)大氣壓下干空氣熱物理性質(zhì)，得表1.5一個(gè)大氣壓下干空氣物性參數(shù)t(℃)T(K)ρ(kg/m3Cp(kJ/kg·℃)λ(×10?2μ(×10?6Pr20293.151.2051.0052.5918.100.70325298.151.1851.0052.6318.350.70230303.151.1651.0052.6718.600.701則冷凝器空氣體積流量：qv=Qk另假設(shè)冷凝器迎面風(fēng)速wy=2m/s，則冷凝器的迎風(fēng)面積為：Ay=q設(shè)冷凝器迎風(fēng)面寬度（有效單管長(zhǎng)）為l=0.40m，則迎風(fēng)面高度：H=Ayl則迎風(fēng)面換熱管管排數(shù)為：n=HS1取12排。（4）冷凝器的空氣側(cè)傳熱計(jì)算：翅片類(lèi)型和管排布置會(huì)影響空氣流過(guò)翅片時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，計(jì)算式會(huì)隨不同情況改變，在本次設(shè)計(jì)中，空冷式冷凝器采用平片整套片順排管簇，則空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算公式為：αof=Cψλ式中，λadeRef—雷諾數(shù)；B—翅片寬度（m）C、、n、m為系數(shù)指數(shù)，當(dāng)采用順排管簇，平翅片時(shí),數(shù)據(jù)如下表所示；表1.6b/de與指數(shù)ψ與nb/d2024283236ψ0.2010.1660.1370.1140.095n0.5820.6080.6350.6610.688表1.7雷諾數(shù)與指數(shù)c與mRe11001200130014001500c1.0961.0721.0481.0241.000m-0.192-0.184-0.176-0.168-0.160冷凝器管排數(shù)在氣流方向擬采用3排，即n1=3。則冷凝器翅片寬度為：b=則最窄截面的當(dāng)量直徑dede=2最窄截面最大風(fēng)速為：wmax=s1則翅片寬度與當(dāng)量直徑的比為：bde=冷凝器中空氣流動(dòng)的雷諾數(shù)為：Ref=w查詢(xún)表1.6和表1.7，得：=0.152n=0.622C=1.284m=-0.254代入空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵊?jì)算公式得：αof'=Cψ本次設(shè)計(jì)中，將采用叉排管簇和波紋翅片，會(huì)分別使傳熱系數(shù)增大百分之十和百分之二十，所以冷凝器空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：αof=33.52（5）冷凝器的制冷劑側(cè)傳熱計(jì)算制冷劑在冷凝器管內(nèi)側(cè)冷凝成液體，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，冷凝換熱系數(shù)計(jì)算公式為：αki=0.555Bd式中：B—R410A物性集合參數(shù)，取1132.3；twi—傳熱管道內(nèi)壁溫度；整理得，αki=2040×40?翅片相對(duì)高度為，h＇=d若取熱導(dǎo)率λ=203W/(m·K)，則翅片參數(shù)為：m=2α0f則翅片效率為：ηf=th(m則表面效率為：η0=a忽略熱阻影響，則twi=two=tw，將各值代入傳熱方程，得到熱平衡關(guān)系式：αkiai2040解得tw=34.9℃αki=2040×40?取管壁與翅片間接觸熱阻rb=0.004m2·K/W，空氣側(cè)塵垢層熱阻r0=0.0001m2·K/W。紫銅管熱導(dǎo)率λ=400W/(m·K)，則冷凝器的總傳熱系數(shù)為:k0=11αki（6）冷凝器具體尺寸設(shè)計(jì)冷凝器所需傳熱面積：Aof=Q需要的翅片管有效總長(zhǎng)：L=Aofa空氣流通方向的管排數(shù)：n=LlN=取n=3排。符合設(shè)計(jì)初假設(shè)的空氣流通方向上的管排數(shù)，故冷凝器實(shí)際有效總管長(zhǎng)15m，實(shí)際傳熱面積約為17.6m2。故冷凝器結(jié)構(gòu)尺寸為：寬：A=LNn=高：B=ns1+深：C=Ns2迎風(fēng)面積：Aof=AB=0.49×0.538=0.153m實(shí)際風(fēng)速：wf=q表1.8冷凝器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)空氣流動(dòng)方向管排數(shù)迎風(fēng)面管排數(shù)高單根管長(zhǎng)風(fēng)量冷凝溫度進(jìn)出口空氣溫度換熱系數(shù)換熱面積對(duì)數(shù)傳熱溫差有效管長(zhǎng)3排12排0.313m0.4m0.248m3/s40℃20/30℃23.9W/M2·K17.6m222.87℃15m圖1.4強(qiáng)制對(duì)流換熱的空冷型翅片管冷凝器1.6其他部件設(shè)計(jì)與選型1.6.1膨脹閥的選型從冷凝器和經(jīng)濟(jì)器流出的氣體需要經(jīng)過(guò)節(jié)流裝置進(jìn)一步降溫降壓形成低溫低壓的氣體，并控制制冷劑流速來(lái)調(diào)節(jié)管路效率。目前常見(jiàn)的節(jié)流裝置有：毛細(xì)管，熱力膨脹閥，手動(dòng)膨脹閥，電子膨脹閥等。本設(shè)計(jì)通過(guò)流速、溫度和系統(tǒng)工況等擬選擇電子膨脹閥。電子膨脹閥可以采集過(guò)熱度信號(hào)，分析從溫度傳感器和壓力傳感器傳來(lái)的電信號(hào)，電子膨脹閥開(kāi)度采用反饋調(diào)節(jié)；也可以采用前饋加反饋復(fù)合調(diào)節(jié)，消除過(guò)熱度控制滯后，改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，在很寬的蒸發(fā)溫度區(qū)域使過(guò)熱度控制在目標(biāo)范圍內(nèi)。（1）膨脹閥1兩端壓力差：ΔP1=p膨脹閥1兩端飽和溫降：Δt1=t膨脹閥1管路質(zhì)量流量：qmh1=0.0042kg/s=15.12kg/h