热交换器原理与设计课程设计-105KW壳管式满液式蒸发器.doc

课 程 设 计 课程名称 换热器原理与设计 题目名称 105KW壳管式满液式蒸发器 学生学院 材料与能源学院 专业班级 热能与动力工程 07制冷01 学 号 学生姓名 指导教师 2010年 07 月 09 日广东工业大学课程设计任务书题目名称105KW满液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制冷机用满液式蒸发器。蒸发器制冷量=105KW，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：设计总说明本课程设计是设计一台105KW的满液式蒸发器。此设计是在给定的条件（蒸发器制冷量=105KW，制冷剂温度：蒸发温度2，冷凝温度40，过热度=5，制冷剂为R22；冷媒水进口温度12，冷媒水出口温度7）下进行计算设计出来的。整个设计过程首先进行热力计算，然后进行传热计算，再进行结构计算。计算过程中首先选定换热管径，并根据冷媒水的体积流量及选定速度计算出换热管的根数，再用换热热流密度及换热系数进行校核。通过用校核的方式，来确定根据设计参数所算出的各部分的尺寸是否适合给定的工质工作温度以及压力下的应力要求和换热要求。通过这个设计计算，可以得出一个传统但经济合理的小型满液式制冷蒸发器，减少了因设计不合理而导致材料以及能源的浪费，为制冷行业提供一个节约能源的可行的设计方案。【关键词】：课程设计 满液式 蒸发器 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流动阻力计算53.结构计算53.1换热管布置设计53.2壳体设计计算63.3校验换热管管与管板结构合理性63.4零部件结构尺寸设计64.设计心得体会115.参考文献121.设计题目及设计参数1.1设计题目：105KW满液式蒸发器1.2设计参数：蒸发器的换热量Q0=105KW给定制冷剂：R22蒸发温度：t0=2，冷凝温度tk=40，过热度冷却水的进出口温度： 进口,出口。2.设计计算2.1热力计算2.1.1制冷剂的流量根据资料【1】，制冷剂的lgp-h图如图2-1所示，相关参数如下： 图2-1 R22的lgP-h图 制冷剂流量：122.1.2冷媒水流量水的定性温度=（12+7）/2=9.5,根据资料【2】附录9查得水的物性参数，=999.71kg/m3,=4.192KJ/(KgK)，水的体积流量为： 2.2传热计算2.2.1选管 为提高冷媒侧的对流换热系数，采用外螺纹管，且采用小管径可使传热得到增强也可使管子长度缩短，根据资料【3】p71换热管可选用低翅片管序号1，规格为161.5，如图所示： ，每米管长管外表面积，螺纹管增强系数，紫铜管导热系数图2-2 外螺纹管结构图2.2.2污垢热阻确定根据资料【1】P198表9-1查得，管内污垢系数管外污垢系数2.2.3管内换热系数的计算冷媒水的定性温度,查物性表得：， ，由于冷媒水走管程，根据资料【4】P76有关流体流动速度的选择，可暂取水的流速，由管束分程的原则，可选用管程为2程，每流程管子数为： 。当Z=32时，冷媒水的实际流速为：,因此所选择的流速可使冷媒水呈湍流状态。根据资料【2】P246迪氏公式： 管内换热系数为：2.2.4管外换热系数的计算选用逆流方式，管外换热系数为,其中平均传热积分温差（流体温度分布图2-3所示）：对于过热段，由热平衡方程式有：得因此，蒸发段的平均温差为：过热段的平均温差为：图2-3温度分布 2.2.5传热系数计算 传热过程分成两部分：第一部分是热量经过制冷剂的传热过程，其传热温差为；第二部分是热量经过管外污垢层、管壁、管内污垢层以及冷媒水的传热过程。第一部分热流密度为：第二部分热流密度为（参考资料【1】P199）：用迭代法估算的值（部分值见表2-1），确定热流密度4.04.094.09134.145714497449644884145449044964530表2-1由此取得：传热系数为：2.2.6传热面积和管长确定传热面积管子有效长度，取管长为2.7m2.3流动阻力计算根据资料【1】p232(9-71)，以及水的沿程阻力系数为，冷媒水的总流动阻力： 符合资料【4】p68表2.10允许压降，设计合理。3结构计算3.1换热管布置设计 选用型固定管板式结构，Z=32，采用等边三角形与正方形的组合排列方式，查资料【4】P45表2.3，换热管中心距s=22mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距，换热管在管板上的分布如图3-1所示：其中外层换热管中心所在圆直径图3-1 管板布管图图3-1 布管图3.2壳体设计计算由上图得，查资料【5】确定壳体外径为：，根据资料【6】P21表8壳体壁厚可选为：，所以壳体内径为：壳体材料：碳素钢管3.3校验换热管管与管板结构合理性热交换器管束外缘直径受壳体内径的限制，在设计时要将管束外缘置于布管限定圆内，根据资料【6】P25，对于固定管板式其布管限定圆直径为：（其中且不小于8mm）可取，当时，符合要求。换热管长度与壳体直径之比：，选用两个流程是合理的。3.4零部件结构尺寸设计零部件结构尺寸设计包括：管板、端盖、分程隔板、支撑板、拉杆、连接管、支座、垫片和螺栓。3.4.1管板尺寸设计管板选用直接焊于外壳上并延伸到壳体周围之外兼作法兰，管板与传热管的连接方式采用胀接法。图3-3管板与圆筒的连接图3-2管板 根据资料【3】P73表3-8查得管板最小厚度不小于13mm，根据资料【6】P111表（6-6），查得与管子连接方式有关的系数=1.15,与管板兼做法兰有关的系数=1.0，由经验公式（6-4）得管板厚度：实际管板厚度可取。取法兰外径： （其中5.196为焊料高度，取壳体伸入管板端离管板端面距离为，则焊料高度）法兰厚度：螺栓所在圆的直径：周长：3.4.2端盖根据资料【6】P112选端盖厚度6mm，选用椭圆型封盖，其尺寸计算如下：，取，取；椭圆长轴，短轴。 图3-5 分层隔板槽r=130.5mmR=261mm图3-4 端盖3.4.3分程隔板按资料【6】p20表6，分程隔板厚度选，分程隔板槽深4mm，如图3-5所示。 3.4.4支座根据资料【3】p75表3-9，确定支座尺寸L=240mm，K=160mm。3.4.5支撑板与拉杆根据资料【4】P50、表2.7，换热管外径拉杆直径数量取4根，查资料【5】取其螺纹螺距为，外螺纹小径。由管长，根据表2.5可知，最大无支撑跨距为1100mm,由表2.6可取支撑板厚度为10mm，直接焊接在拉杆上固定。根据表2.5，本设计取支撑板数量为2。图3-5 支撑板与拉杆 3.4.6垫片的选取 材料：石棉，具有适当加固物（石棉橡胶板）；厚度为1.5mm ，；参数为：垫片系数，比压力，宽度：根据资料【4】P46，本设计筒体内径，可选，故可取垫片宽度,垫片基本密封宽度，垫片的有效密封宽度，所以垫片压紧力作用中心圆直径即为垫片接触面的平均直径，即预紧状态所需的最小压紧力：操作状态下所需的最小压紧力：垫片宽度的校核：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所需的垫片的最小厚度： 其中，常温下的强度指标，安全系数，故许用应力，一定温度下的许用应力，实际螺栓面积（见螺栓实际面积的计算），所以初选的垫片厚度符合要求。3.4.7螺栓螺栓的布置a.根据法兰及端盖的厚度，参考资料【5】P368，选螺栓GB/T5782 M1680，其小径=13.835mm. 螺栓的最小间距应满足扳手操作空间的要求，由螺栓的直径，查【6】表7-3得，螺栓最小间距b.螺栓的最大间距，其中为法兰有效厚度，为螺栓公称直径，由于螺栓所在圆的周长，取螺栓间距为66mm，故所需要的螺栓数，取整16个。螺栓的载荷预紧状态下需要的最小载荷：操作状态下需要的最小载荷：螺栓的面积预紧状态下需要的最小面积： 操作状态下需要的最小面积： 需要的螺栓面积：螺栓的实际面积：，符合要求。螺栓的设计载荷预紧状态下：操作状态下：3.4.8连接管制冷剂连接管制冷剂质量流量进口体积流量： 出口体积流量：进口接管内径（选氟里昂液体流速为），查资料【8】表8-1以及资料【9】表1，经圆整后，取无缝钢管出口接管内径（选蒸汽流速为），查资料【8】表8-1以及资料【9】表1，经圆整后，取无缝钢管冷媒水连接管 冷媒水流量，水的流速，冷媒水管内径:，查资料【8】表8-1以及资料【9】表1，经圆整后，无缝钢管4设计心得体会 本次换热器的课程设计，是对制冷原理、热交换器原理与设计等课程的更深一层的学习，同时对换热器有了感官认识。 这次课程设计让我再一次体会到团队的重要作用，由于所学知识有限以及供参考资料的限制，因此计算部分花费了大家较多精力在搜索资料，同时由于资料共享、小组讨论，使得进度大大加快。在这一次的课程设计中，需要涉及以前学过的一些课程，把这些独立的课程联系在了一起，了解了换热器设计计算的大体步骤。通过查找资料，也了解了制冷机制作的一些国家标准和工艺标准。同时也对AutoCAD软件有了更深一层的学习。由于时间的关系，设计有一些仓促，还有很多待改进的地方，我会在以后的学习中慢慢的完善所