换热器原理与设计课程设计-40KW壳管式干式蒸发器.doc

设计总说明全套图纸加扣 3012250582本次课程设计是设计一个热负荷为40KW的壳管式干式蒸发器。本次设计是在给定制冷剂为R22，制冷剂蒸发温度，冷凝温度，过热度，换热介质的进出口温度分别为、的条件下进行的。本次课程设计的整个设计过程先对蒸发器进行了热力计算，确定制冷剂和冷媒水的流量；然后进行了传热计算，其中包括对蒸发器结构的初步规划（例如壳体直径、换热管直径及数量、管板厚度和折流板的数量等其它尺寸的确定）、换热面积的计算、换热管内外换热系数的计算、制冷剂流动阻力及传热温差的计算、热流密度的计算和所需传热面积的确定等，在传热温差的计算中采用了对数平均温差法；接下来对制冷剂和冷媒水的进出口面积进行了计算；最后根据换热器的尺寸以及参照一些相关文献标准等，对换热器的其它零部件进行了选择，包括垫片、螺栓、法兰和支座的选择等。 最终完成了一个节省材料，结构简单合理的壳管式干式蒸发器。【关键词】：课程设计 换热器 干式蒸发器 制冷剂目 录1 设计题目及设计参数11.1 设计题目11.2 设计参数12 设计计算12.1 热力计算12.2 传热计算22.3 计算R22及冷媒水进出口面积72.4 选垫片92.5 选螺栓与法兰92.6 支座113 心得体会124 参考文献13131 设计题目及设计参数 1.1 设计题目 40KW壳管式干式蒸发器 1.2 设计参数 蒸发器的换热量： 制冷剂：R22 蒸发温度：=2 冷凝温度：=40 过热度： =5 冷媒水的进出口温度：进口=12，出口=7。2 设计计算 2.1 热力计算 2.1.1 制冷剂流量图2-1 R22的lgP-h图 根据R22的压-焓图，查得各状态点参数如下：（参考文献1第373页）状态点温度()压力(kpa)焓(KJ/Kg)比容(/Kg)12530.834060.04517530.834110.0482621533.54383401533.525042530.832500.013制冷剂流量：2.1.2 冷媒水流量根据水的定性温度，查得：=999.71 ，=4.192 （参考文献5附录9），由此，冷媒水的流量为： 2.2 传热计算2.2.1 选管取制冷剂质量流速=120选用管子外径=12.7，平均内径=11.4的微肋铜管（参考文献2表4-3）由单位面积质量流量公式，得每根管内制冷剂流量：每流程的平均管数根2.2.2 布管及其它尺寸确定选取流程数N=4，则总管数=20.264=81.04根，取=81根。三个均分点的比容为：，根据四均分点比容：，R22从下端进入管子，在管中蒸发，从上端出蒸发器。从上往下，各流程管数依次为12，18，23，28。选拉杆数为4，拉杆直径=10（参考文献3表2.7）换热管按正三角形排列，管子中心距=16，分程隔板槽两侧相邻管中心距=30（参考文献2表2.3），壳体直径附近铜管数=12根，由此得布管图：图2-2 布管图由布管图可得布管限定圆的直径，由（且不小于8，取）（参考文献3式2.3），得，圆整到标准尺寸后取，厚度为6.0的无缝钢管（参考GB/T 17395-2008）根据换热管长度与壳体直径之比通常为610（参考文献3第54页），取长径比，则换热管长度，由推荐长度，取（参考文献3第54页），此时长径比。分程隔板厚度取8（参考文献6表6），管板厚度选（参考文献3表2.4），折流板选择弓形折流板，其厚度（参考文献3表2.6）。根据折流板间距且不小于50（参考文献3第49页），取，由管长，可求得折流板数，调整后取，。由折流板上下缺口高度一般为壳体内径的20%45%（参考文献3第48页），经布管调整后取上缺口高度，管子数根，下缺口高度，管子数根。2.2.3 换热面积 蒸发器外表面积 有效传热面积 2.2.4 管外换热系数的计算 折流板的平均间距 横向流通截面积（参考文献1式9-78） 横向流速 折流板上、下缺口面积（参考文献1式9-77、表9-7）由折流板上、下缺口高度、，从表9-7查得， 上、下缺口面积的平均值 纵向流速 与的几何平均值 管外换热系数冷媒水平均温度根据查得水的物性参数为：，运动粘性系数，导热率，则管外换热系数（参考文献1式9-57）2.2.5 管内换热系数的计算假定蒸发器按内表面计算的热流密度（此假定将在后面检验），则按公式（参考文献1式9-48），管内换热系数为：式中：，（参考文献1表9-3）2.2.6 制冷剂流动阻力及传热温差的计算（1） 制冷剂的流动阻力计算 R22饱和蒸气的流速为： 确定雷诺数蒸发器出口处的蒸发温度，据此从物性表中查得R22的参数为：密度，普朗特数，运动粘性系数，将上述数据代入雷诺数的计算式中，得： 沿程阻力系数 饱和蒸气的沿程阻力（参考文献1式9-83） 两相流动时R22的沿程阻力 （参考文献1表9-8） 总阻力（2） 对数平均温差在2附近，压力每变化0.1MPa，饱和温度约变化5.5，因此蒸发器进口处R22的温度为：对数平均温差2.2.7 传热系数及按内表面计算的热流密度 传热系数管内侧与管外侧的污垢系数分别为和（参考文献1表9-1），则传热系数为：（参考文献1式9-13）其中：为管壁厚度0.6，为管材的导热系数380，为管子平均直径。 按内表面计算的热流密度用迭代法解得：说明前面假定是正确的。 传热系数的数值2.2.8 所需的传热面积此值比初步规划的有效传热面积5.91约小12.35%，因而初步规划中所定的尺寸有足够的余量。 2.3 计算R22及冷媒水进出口面积2.3.1 R22进口面积取R22进口流速，查得R22在2时，（参考文献1附表3）由，得：根据无缝钢管尺寸规格，选用的无缝钢管（参考GB/T 17395-2008），实际流速为1.04。2.3.2 R22出口面积取R22出口流速，查得（参考文献1附表4）由，得：根据无缝钢管尺寸规格，选用的无缝钢管（参考GB/T 17395-2008），实际流速为14，符合要求（参考文献1表10-3）。2.3.3 冷媒水进出口面积取冷媒水进出口流速，由，得：根据无缝钢管尺寸规格，选用的无缝钢管（参考GB/T 8162-1987），实际流速为1.99。 2.4 选垫片2.4.1 垫片选取石棉垫片，具有适当加固物（石棉橡胶板），其参数如下：厚度为1.5，垫片系数，比压力（参考文献7表7-2）确定以下参数：（参考文献7表7-1）垫片接触宽度N=12，垫片基本密封宽度因为，所以垫片有效密封宽度2.4.2 垫片压紧力作用中心圆直径取垫片内径，外径，垫片压紧力中心圆直径2.4.3 垫片压紧力 预紧状态下需要的最小垫片压紧力按下面公式计算：（参考文献7式7-1） 操作状态下需要的最小垫片压紧力按下面公式计算：（参考文献7式7-2）2.4.4 垫片宽度校核垫片在预紧状态下受到最大螺栓载荷的作用，可能因压紧过度而失去密封性能，为此垫片须有足够的宽度，其值按下式校核：（参考文献7式7-3）， 其中：，满足要求。 2.5 选螺栓与法兰2.5.1 螺栓与法兰螺栓公称压力，规格选择M20，材料选用35号钢，GB699，正火处理，数量，螺栓孔径，螺栓孔中心圆直径。取法兰厚度，法兰内径，外径（参考GB/T 9119-2000）。螺栓最小间距，法兰的径向尺寸，（参考文献7表7-3）。推荐的螺栓最大间距按下面公式计算：（参考文献7式7-4）按此最大间距下的螺栓数目枚，螺栓数取12枚符合要求。2.5.2 螺栓载荷 预紧状态下需要的最小螺栓载荷按下面公式计算：（参考文献7式7-5） 操作状态下需要的最小螺栓载荷按下面公式计算：（参考文献7式7-6） 2.5.3 螺栓面积常温下35号钢的，安全系数，即常温下许用应力， 预紧状态下需要的最小螺栓面积按下面公式计算：（参考文献7式7-7） 操作状态下需要的最小螺栓面积按下面公式计算：（参考文献7式7-8） 需要的螺栓面积 实际螺栓面积 ， 满足要求。2.5.4 螺栓设计载荷 预紧状态螺栓设计载荷按下面公式计算：（参考文献7式7-9） 操作状态螺栓设计载荷按下面公式计算：（参考文献7式7-10） 2.6 支座根据相关规定，支座选择重型（BI型）、焊制的鞍式支座，包角为120，有垫板，筋板数为1，其具体结构如下图所示：（参考JB/T 4712.1-2007 表1、图3）其中F型为固定型，S型为滑动型。具体尺寸如下：（参考JB/T 4712.1-2007表4）公称直径，允许载荷，鞍座高度，底板，腹板，筋板，垫板弧长为270，螺栓间距。鞍式支座在换热器上的布置应按下列原则确定：（参考GB 151-1999第89页） 当时，取 当时，取 尽量使和相近（其中L为左右两管板外侧距离，为两支座中心距，和分别为左右支座中心线到左右管板外侧距离）3 心得体会 本次课程设计，我的设计题目是：40壳管式干式蒸发器。经过两个星期的努力奋斗，一个节省材料、结构简单合理的蒸发器设计图终于展现在我面前了。看到自己的设计成果，回想起这两个星期的辛苦努力，心里真是有说不出的兴奋与自豪。这次课程设计虽然时间比较短，但是我却在这个设计过程中学到了很多实实在在的东西，这些东西主要体现在以下的几个方面： 第一，提高了分析问题、解决问题和团队合作的能力。一个课题摆在面前，如果不能正确地找到问题的切入点和关键所在，必然会走许多弯路，这样势必很难在预定的时间内完成设计。本次课程设计就是一个很好的例子，满足题目要求的方案非常多，但不可能每一个方案都采用，如何才能找到一个比较合理的方案，是设计的关键。同时，充分利用团队的力量，多与同学讨论、研究，了解壳管式干式蒸发器的主要架构，明白干式蒸发器的换热机理。课程设计跟平时作业的最大区别就是它需要大量的资料作为设计的准则，这就要求我们具备一定的资料筛选能力。此外，团队合作很重要。有时候单凭个人的知识是很难解决问题的，各人对同一个问题会有不同的看法。参考别人对问题的看法，与自己的观点进行综合比较，最后得出一个合理的解决方案，可以达到事半功倍的效果。 第二，做事要认真，科学无儿戏。计算时要仔细、认真，最主要是保持心态的平稳，切忌浮躁，因为不可能一次就能把所有的数据都算对，要经过多次计算、对比才能得到比较合理的设计方案。另外，在画正式图之前，先熟悉一下画图工具AutoCAD，多画画一些比较简单的图形，线形，学习一些画图技巧，如画图中比较实用的矩阵工具，可以方便的画出多个同样的图形。画图时要细心，尽可能搞清楚每条线，每个零件的尺寸，布图要合理。布图的合理性直接影响了图纸出来的效果。画图时还要注意尺寸标注，零件的编号要与零件框图里的说明相对应等。第三，对这门课的知识进行了巩固。课程设计是巩固新学知识的一个有效的方法，在设计过程中，总会遇到这样那样的问题，这时就需要重复多次地去翻阅课本、资料，去查找相关方面的知识，这样有助于对知识进行有效记忆。另外，在团队的讨论当中也会学到一些自己没学过的知识，取长补短。总之，这次课程设计是比较成功的。同时也让我们学到了很多东西，感谢学校为我提供了这样好的机会，感谢黄金老师的耐心指导！最后，再一次感谢黄金老师！4 参考文献 1 吴业正.制冷原理及设备（第2版）M.