热交换器原理与设计课程设计-65KW壳管式干式蒸发器.doc

课 程 设 计 课程名称_ 热交换器设计 题目名称 65KW干式蒸发器设计 学生学院_ 材料与能源学院 专业班级_07级制冷与空调01班 学 号_ 学生姓名_ _指导教师_ 20 10 年 7 月 8 日广东工业大学课程设计任务书题目名称65KW壳管式干式蒸发器学生学院材料与能源学院专业班级热能与动力工程 制冷0701班姓 名学 号全套图纸加扣 3012250582一、课程设计的内容设计一台卧式壳管式干式蒸发器。蒸发器制冷量=65KW，制冷剂温度：蒸发温度2，冷凝温度40，制冷剂为R22。冷媒水进口温度12，冷媒水出口温度7。二、课程设计的要求与数据1）学生在教师指导下独立完成设计。2）换热器设计要结构合理，设计计算正确。3）图纸要求：图面整洁、布局合理，线条粗细分明，符号国家标准，尺寸标注规范，用计算机绘图。4）说明书要求：文字要求：文字通顺，语言流畅，书写工整，层次分明，用计算机打印。格式要求：（1）课程设计封面；（2）任务书；（3）摘要；（4）目录；（5）正文，包括设计的主要参数、热力计算、传热计算、换热器结构尺寸计算布置及阻力计算等设计过程；对所设计的换热器总体结构的讨论分析；心得体会等；（6）参考文献三、课程设计应完成的工作1）按照设计计算结果，编写详细设计说明书1份；2）绘制换热器的装配图1张，拆画零件图12张。四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1学生分组；布置任务；根据设计任务收集有关的原始资料，并选定热交换器的型式等。指定教室6.28-6.282进行换热器设计计算（包括传热计算、结构计算、流动阻力计算和强度计算等）宿舍6.29-6.303编写设计说明书（严格按照广东工业大学课程设计说明书撰写规范编写）宿舍7.1-7.44绘制换热器装配图1张；拆画零件图12张宿舍7.4-7.75设计答辩及成绩评定指定教室7.8-7.9五、应收集的资料及主要参考文献1 吴业正. 制冷原理及设备（第2版）M. 西安：西安交通大学出版社,1998.2 吴业正.小型制冷装置设计指导M.北京：机械工业出版社,1999.3 史美中,王中铮.热交换器原理与设计M.南京：东南大学出版社，2003.4 余建祖.换热器原理与设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2006.5 杨世铭，陶文铨.传热学（第四版）M. 北京：高等教育出版社，2006.6 中华人民共和国国家标准管壳式换热器（GB1511999）.7 其它设计资料：包括各种换热器设计标准、制冷工程设计手册、制冷设备手册、制冷机工艺等相关资料.发出任务书日期：2010年 6 月 28日 指导教师签名：计划完成日期： 2010年 7月 9 日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章：设计总说明本次课程设计是设计一个热负荷为65KW的管壳式干式蒸发器，在给定换热器的换热量=65kW，制冷剂是R22，制冷剂蒸发温度 冷凝温度冷媒水进出口温度 、的条件下进行的。本次设计首先要大概确定蒸发器的结构，例如壳体直径、换热管直径及数量，还有管板厚度和折流板的数量等等，其中每个流程的管子数量采用四分点比容来确定，其它参数很多是根据换热量的大小，然后根据国标的有关规定大概确定，然后通过校核修改，最终确定符合设计要求的主要参数。本次课程设计主要分为四个步骤：（1）通过对已知参数流量计算，由经验取制冷剂管内单位面积质量流速为：初步规划蒸发器结构，为后来的理论设计计算提供依据（2）根据结构参数确定有效传热面积，通过计算管内管外换热系数，传热温差，进行传热面积校核，校验理论计算是否合理，若不合理通过改变换热管数改变换热面积，如果后者比前者少10%至20%，即符合要求。（3）根据需求的制冷量流量，冷媒水流量确定制冷剂和冷媒水的进出口面积，并进行选管。（4）结构机械性能计算及附件的选择，强度计算，螺栓、垫片的选择要严格按照国标，校核时按照国家压力容器安全技术标准来进行计算。最终完成了一个材料节省，满足要求，结构合理的壳管式干式蒸发器。关键词：换热器 管壳式 干式 蒸发器 目录1设计课题：65KW管壳式干式蒸发器设计62主要参数：63设计过程63.1流量计算73.1.1单位质量计算73.1.2质量流量73.1.3冷媒水流量73.1.4选管73.2蒸发器结构初步规划83.2.1布管83.2.2换热面积93.3热力计算93.3.1管外换热系数的计算93.3.2 管内换热系数的计算103.3.3 制冷剂流动阻力及传热温度的计算113.3.4传热系数及按内表面计算的热流密度123.4计算R22及冷媒水进出口面积143.4.1R22进口面积143.4.2 R22出口面积143.4.3 冷媒水进出口面积143.5筒体153.6管板163.7端盖163.8法兰173.9支座183.10垫片的选取183.10.1材料的选取183.10.2垫片压紧力作用中心圆直径193.10.3预紧状态下所需要的最小压紧力：193.10.4操作状态下所需要的最小压紧力：193.11螺栓193.11.1螺栓的选择193.11.2螺栓布置193.11.3螺栓载荷203.11.4螺栓面积203.11.5螺栓的设计载荷213.11.6垫片宽度校核213.12接管法兰214心得体会215参考文献221 设计课题：65KW管壳式干式蒸发器设计2 主要参数： 1、换热器制冷量=65KW 2、给定制冷剂：R22 3、制冷剂温度：蒸发温度2，冷凝温度40 4、冷媒水进口温度12，冷媒水出口温度7。3 设计过程图 1各点参数：状态点温度t()压力p(kpa)焓h(KJ/Kg)比容v(/Kg) 1 2 5304060.044 2 57 440 3 40 1533.5250 4 2 530.82500.0133.1流量计算3.1.1单位质量计算3.1.2质量流量3.1.3冷媒水流量3.1.4选管取制冷剂质量流速：=120kg/s选用管子外径12.7，平均内径11.4的微肋铜管（见参考文献2表43）单位面积质量流速为： 可得每根管内制冷剂流量： 每流程的平均管数：根3.2蒸发器结构初步规划3.2.1布管分四个流程，则总管数为=33.94136根，三个均分点的比容为： =0.0192,=0.0276, =0.036根据四均分点比容： 相应选择各管程管数为 21：30：38：47 选拉杆数为4，（见热交换器原理与设计表2.7） 换热管按正三角形排列，管子中心距16mm（见热交换器原理与设计表2.3），壳体直径附近铜管数=16根，布管限定圆的直径：=1516+12.7=252.7mm由（且不小于8mm，取8mm）（见热交换器原理与设计2.3式）得最终取壳体内径 ，厚度为9.5mm的无缝钢管（摘自GB/T 17395-2008） 由弓形折流板间距且不小于50mm，及对应最大无支撑跨距850mm(见热交换器原理与设计表2.5）取 ，折流板厚度=5 (见热交换器原理与设计表2.6 P51) 换热管长度与壳体直径之比通常为610(见热交换器原理与设计P55) 取则 管板厚度=25 (见热交换器原理与设计表2.4 P48) 管长：L=2+（-1）+2+5得折流板数则L=2245mm 折流板上下缺口高度一般为壳体内径的2045（见热交换器原理与设计P49） 上缺口管子数根，下缺口管子数根。3.2.2换热面积 蒸发器外表面积：=0.0127136(2.245-20.025)=11.91 有效传热面积：=0.0127136(2.245-20.025-270.005)=11.183.3热力计算3.3.1管外换热系数的计算 折流板的平均间距s S= 横向流通截面积（见制冷原理与设备式（9-78） =()s=（0.280160.0127）0.07365.64 横向流速 =折流板上下缺口面积 （见制冷原理与设备式（9-77） 表9-7）由折流板上、下缺口高度、 从表9-7查得=0.1288，=0.1288=0.128824=7.05=0.128811=7.56上下缺口面积的平均值=（+）=（7.067.56）7.31纵向流速 =（）0.4241m/s 与的几何平均值uu=0.4771m/s管外换热系数冷却水平均温度 =()=(12+7)=9.5 据此温度查得水的物性数据为：=9.73,运动粘性系数=1.282，导热率=0.575W/(), 则=4726.34管外换热系数：（见制冷原理与设备式（9-57）=0.22=0.22=3381.26W/()3.3.2 管内换热系数的计算先求光管换热系数，再通过增强因子EF求微肋管换热系数。（见小型制冷装置设计指导书3.4P117）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（见制冷原理与设备式（9-48），管内换热系数为 式中（查制冷原理与设备表9-3求得）。求得的为光管的换热系数，由得，微肋管的增强因子EF 的值2.0（见小型制冷装置设计指导书图416）所以微肋管的换热系数3.3.3 制冷剂流动阻力及传热温度的计算通过计算光管的总阻力，再乘以倍数12得微肋管的总阻力，取倍数1.5，（见小型制冷装置设计指导书P117118）（1） 制冷剂的流动阻力计算 R22饱和蒸汽的流速u（2）确定雷诺数 蒸发器出口处的蒸发温=2,据此从物性表中查得R22的数为：密度=22.57kg/ 普朗特数Pr=0.726 运动粘性系数=0.5352将上述数据代入雷诺数的计算式中，得=（3）在4000范围，且大于，故沿程阻力系数选用公式（见流体力学式（5.34）P117）（4）饱和蒸汽的沿程阻力，按制冷原理与设备式9-83计算（5）两相流动时R22的沿程阻力=0.710（查制冷原理与设备表9-8 P236,采用线性插入法求得） （6）光管总阻力微肋管的总阻力（7）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= 3.3.4传热系数及按内表面计算的热流密度（1）传热系数根据热交换器原理与设计附录C、附录E，管内侧与管外侧的污垢系数均取为，根据热交换器原理与设计式（2.25） P58，则传热系数为其中管壁厚度0.6mm,为管材的导热系数380，为管子平均直径（2）按内表面计算的热流密度 用迭代法解得：=7143说明前面假定qi4000是正确的（3）传热系数的数值（4） 所需之传热面积F此值比初步规划的有效传热面积11.18约小10.3，因而初步规划中所定的尺寸有足够的裕量。3.4计算R22及冷媒水进出口面积3.4.1R22进口面积取R22进口流速，查制冷原理与设备附表3得R22在时，由 得：根据无缝钢管尺寸规格(摘自GB/T17395-2008)选用的无缝钢管,实际流速为5.47m/s. 3.4.2 R22出口面积取R22出口流速为, (见制冷原理与设备附表4)由 得：根据无缝钢管尺寸规格(摘自GB/T17395-2008)，选用的无缝钢管,实际流速为12.76m/s.符合制冷原理与设备表103的压缩机吸气进口速度要求，即在815m/s内。3.4.3 冷媒水进出口面积取冷媒水进出口流速为由 得根据无缝钢管尺寸规格(摘自GB/T81621987)选用的无缝钢管,实际流速为1.35m/s.3.5筒体由已知工况，蒸发压力，冷凝压力考虑到节流阀失效的极端情况，为确保蒸发器运行的安全性，壳程采用。根据国家标准钢制压力容器GB150-1998表43壳体采用10号钢的钢管，查该标准表4.1，Q235-C钢板允许压力。查该标准表3.7，取焊接头系数。由该标准5.2，式(5-1)筒体计算厚度取钢材厚度负偏差C1=1.0mm，钢材腐蚀裕量C2=2.0mm则厚度附加量C=C1+C2=3.0mm，,查GB17395-2008表1，配合端盖，取名义厚度有效厚度据钢制压力容器GB150-1998，5.2，式(5-2)计算应力，故选中钢管作为壳体是合适的。3.6管板根据GB151-1999，5.7，选用e型管板。换热管较小，且钢管塑性较差，管子与管板连接采用焊接法。根据制冷机工艺P111表6-6，查得与管子连接方式有关的系数=1.00，与管板兼做法兰有关的系数=1.30。根据制冷机工艺P111公式(6-4)得：管板厚度实际可取管板厚度t=25mm3.7端盖选用椭圆封头盖，根据制冷机工艺P113选用端盖厚度S=9.5mm，根据制冷机工艺P112球面半径280mm，取圆筒，取L280mm。3.8法兰根据 GB9119-2000表2，可选法兰DN250PN16RF系列II法兰外径D=405mm，螺栓中心圆直径K=355mm法兰内径B=276mm，法兰厚度C=28mm,f=2mm,d=319,螺栓选用M24，螺栓孔径L=28mm,螺栓n=12个，与封头整体铸造。周长3.9支座由JB/T 4712.1-20074.2.1 表5得：支座尺寸，支座底线离壳体外壁面高度为200mm，选用固定类型。两支座间距参照GB151-1999，5.20.1，取3.10垫片的选取3.10.1材料的选取根据GB150-1998P95表9-2，垫片的材料可选具有适当加固物的石棉(石棉橡胶板)，厚度，垫片系数，比压力。本设计壳体内径Di=280mm700mm，根据热交换器原理与设计P47，可取垫片宽度N=20m。根据GB150-1998P96得：垫片基本密封宽度垫片的有效密封宽度 3.10.2垫片压紧力作用中心圆直径因为，取垫片接触面外径，根据钢制压力容器GB150-1998P96，垫片压紧力作用中心圆直径即垫片接触面外径减去2b，即3.10.3预紧状态下所需要的最小压紧力：3.10.4操作状态下所需要的最小压紧力： 其中3.11螺栓3.11.1螺栓的选择根据法兰及端盖的厚度，选用M24螺栓。参考画法几何与机械制图P338附表2-1，初选螺栓GB/T5782 M24x90，螺纹长度。根据P334附表1-1，螺纹小径。3.11.2螺栓布置根据钢制压力容器GB150-1998P97得：螺栓的最大间距 由钢制压力容器GB150-1998P97表9-3可知螺栓的最小间距由前面可知螺栓所在圆的周长，取得法兰螺栓数12个，螺栓间距mm，满足设计要求，故取n=12。螺栓总面积3.11.3螺栓载荷根据钢制压力容器GB150-1998P97可知：预紧状态下需要的最小载荷操作状态下需要的最小载荷 3.11.4螺栓面积根据钢制压力容器GB150-1998表4-7，螺栓材料选用35号钢，常温下螺栓材料的许用应力，设计温度下螺栓的许用应力。据工程力学材料力学部分P30，取安全系数，。预紧状态下需要的最小面积操作状态下需要的最小面积因为，则需要的螺栓面积螺栓的实际面积，故螺栓个数符合要求。3.11.5螺栓的设计载荷根据钢制压力容器GB150-1998P97得，预紧状态下螺栓设计载荷W：操作状态下螺栓设计载荷3.11.6垫片宽度校核常温下螺栓材料的许用应力，实际螺栓面积，则所需的垫片的最小宽：故初选的垫片厚度是符合要求的。3.12接管法兰由前面选取的进出口接管，可查GB9119-2000平面、突面板式平焊钢制管法兰 蒸发器进口接管法兰DN32PN40FF D=140mm,K=100mm,B=43.5mm,C=18mm,L=18mm,n=4,螺栓M16。 蒸发器出口接管法兰DN40PN40FF D=150mm,K=110mm,B=49.5mm,C=18mm,L=18mm,n=4,螺栓M16。 冷却水进出口接管法兰DN56PN40FF D=165mm,K=125mm,B=61.5mm,C=2