热交换器原理与设计课程设计-100KW壳管式干式蒸发器.doc

课 程 设 计 课程名称 热交换器课程设计 题目名称 100KW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 学 号 学生姓名 指导教师 2010 年 6 月 28 日广东工业大学课程设计任务书题目名称100KW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=100KW，制冷剂温度：最低蒸发温度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35KW的壳管式干式蒸发器。本设计是在蒸发器制冷量=35KW，制冷剂温度：最低蒸发温度2，冷凝温度40，过热度为3，制冷剂为R22，冷媒水进口温度12，冷媒水出口温度7的条件下进行的。本次课程设计主要分为以下四个步骤：（1）初步规划蒸发器结构，为后来的理论设计计算提供依据；（2）传热计算，根据需求的制冷量确定制冷剂和冷媒水的换热的面积；（3）传热面积校核，根据设计好的传热面积，校验理论计算是否合理；（4）结构机械性能计算及附件的选择。其中第四步骤又分为计算R22及冷媒水进出口面积、垫片的选择、螺栓法兰的选择以及支座的选择。最终完成了一个材料节省，结构合理的壳管式干式蒸发器。关键词：管壳式干式蒸发器 目录1.设计题目12.设计参数13.流量计算13.1单位质量制冷量23.2质量流量23.3冷媒水流量24.蒸发器结构初步规划24.1选管24.2布管24.3换热面积35.热力计算45.1管外换热系数的计算45.2管内换热系数的计算553制冷剂流动阻力及传热温度的计算55.4传热系数及按内表面计算的热流密度66.计算R22及冷媒水进出口面积76.1 R22进口面积76.2 R22出口面积86.3冷媒水进出口面积87.选取配件97.1垫片97.2螺栓与法兰97.3支座108.心得体会11参考文献设计说明书正文1. 设计题目100KW管壳式干式蒸发器设计2. 设计参数换热器制冷量=100KW给定制冷剂：R22制冷剂温度：蒸发温度2冷凝温度40过热度：=3冷媒水温度：进口温度12出口温度7。3. 流量计算lgp-h图 各点参数：状态点温度t()压力p(kpa)焓h(KJ/Kg)比容v(/Kg)12530.83406.0840.04435410.20.04624393401533.5249.68642530.83249.6860.01093.1单位质量制冷量3.2质量流量 3.3冷媒水流量4. 蒸发器结构初步规划4.1选管取制冷剂质量流速：vm=100kgm3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43）每根管制冷剂的： 每流程的平均管数： 根4.2布管分2个流程，则总管数为=624124根4点的比容： x4=h4-hfohgo-hfo=249.686-202.351406.084-202.351=0.2323 V4=1-x4vfo+x4vgo=1-0.23230.000782+0.23230.0443=0.0109m3kg 中间分点的比容： va=v1-v42=0.046-0.01092=0.0285m3kg根据两分点比容： n1:n2=va：v1=1：1.55 相应选择各管程管数为： n1:n2=49:76换热管按正三角形排列，管子中心距取19mm（见参考文献3表2.3），壳体直径附近铜管数=14根，布管限定圆的直径：Di=DL+2b3=275+28mm=291mm取壳体内径Di=309mm，厚度为8.0mm的无缝钢管（摘自GB/T 17395-2008）选拉杆数为4，（见参考文献3表2.7）弓形折流板间距且不小于50mm(见参考文献3P50)取 ， 换热管长度与壳体直径之比通常为610(见参考文献3P55) 取则取管板厚度=25 (见参考文献3表2.4 P48)，折流板厚度=5 (见参考文献3表2.6 P51) 管长 得折流板数Nb=34则L=2920mm 折流板上下缺口高度一般为壳体内径的2045（见参考文献3P49） H1=67mm H2=67mm 上缺口管子数Nb1=28根，下缺口管子数Nb2=9根。4.3换热面积蒸发器外表面积：=0.0127125(2.92-20.025)=14.31 有效传热面积：= =0.0127125(2.92-20.025-340.005)=13.455. 热力计算5.1管外换热系数的计算 折流板的平均间距s 横向流通截面积（见参考文献1式（9-78） 横向流速 折流板上下缺口面积 （见参考文献1式（9-77） 表9-7）由折流板上、下缺口高度、 从表9-7查得=0.0.1288，=0.1288=0.12880.3092-2840.01272m2=8.7510-3m2=0.12880.3092-940.01272m2=11.1510-3m2 上下缺口面积的平均值=（+）=（8.7511.15）9.95 纵向流速 与的几何平均值u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=4854管外换热系数：（见参考文献1式（9-57）5.2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（见参考文献1式（9-48），管内换热系数为 式中（查参考文献1表9-3求得）。 53制冷剂流动阻力及传热温度的计算（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的参数为：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）沿程阻力系数（4）饱和蒸汽的沿程阻力，按（1 式9-83）计算（5）两相流动时R22的沿程阻力（查参考文献1表9-8 P236,采用线性插入法求得） （6）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= 5.4传热系数及按内表面计算的热流密度（1）传热系数管内侧与管外侧的污垢系数均取为，采用内微肋管，与光管相比，它可以使管内蒸发表面传热系数增加23倍，这里取其2.5倍，则传热系数为（见参考文献3式2.25 p59）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：=9256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13.45约小12，因而初步规划中所定的尺寸有足够的裕量。6. 计算R22及冷媒水进出口面积6.1 R22进口面积取R22进口流速，查1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0.92m/s.6.2 R22出口面积取R22出口流速为, (见1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13.5m/s.符合文献1表103的要求6.3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1.87m/s.7. 选取配件7.1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 1.5mm,垫片系数比压力， 按7表7-1，确定以下参数：，因为所以垫片有效密封宽度 垫片压紧力作用中心圆直径取垫片内径为，外径，垫片压紧力中心圆直径垫片压紧力a.预紧状态下需要的最小垫片压紧力按7式（7-1）计算： b.操作状态下需要的最小垫片压紧力按7式（7-2）计算： 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7（7-3）校核 ，满足 选螺栓7.2螺栓与法兰根据国标GB/T 9119，螺栓外径选，材料选用35号钢，GB699,正火处理，数量n=12，螺栓孔径L=22,螺栓孔中心圆直径K=395。取法兰厚度，法兰内径B=327.5mm，法兰外径D=440mm。螺栓载荷a. 预紧状态下需要的最小螺栓载荷按7式（7-5）计算：b. 操作状态下需要的最小螺栓载荷按7式（7-6）计算：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7式（7-7）计算：操作状态下需要的最小螺栓面积按7式（7-8）计算：需要的螺栓面积 因为实际螺栓面积，故满足要求螺栓设计载荷 a. 预紧状态螺栓设计载荷按7式（7-9）计算： b. 操作状态螺栓设计载荷按7式（7-10）计算： 7.3支座按2表3-9查得支座的,支座在蒸发器中的位置可按下列要求确定：若蒸发器主体部分的长度（两管板外侧端面间的距离）为，壳体平均直径，支座厚钢板度中心处与管板外侧的距离为，则支座的位置应保证 =580mm，且=78mm。取。8. 心得体会这次换热器课程设计让我受益匪浅。整个设计过程虽然遇到了不少麻烦，但在老师和同学的带领和帮助下，我也如期地完成了任务。本次课程设计使我对换热器的原理和结构有了更深的了解，同时对自己所学专业的认识有进一步的提高，也让我对自己的专业更加感兴趣，让我在以后的学习中更有动力。管壳式干式蒸发器，我所设计的是本次课程设计里最难做的一种。虽然一开始的时候真的不知所措，不知道从哪里开始做起，通过看书，查资料，与同学讨论，我慢慢地开始了设计，设计过程中不断出现问题，我们也不断地去克服，老师第一个星期四的时候上了节课，帮我们解决了我们不会的问题。这节课真可谓是及时雨，它让收获了很多知识，解决了我们的麻烦，同时保障了我们后面的设计。第一个星期周末的时候，我就开始画图了，虽然找到了一些师兄的样品，但是每个人的设计都不相同，每个的图纸也就不一样。在模仿中创新自己的设计，慢慢地我开始喜欢上了设计这类工作了，同时在画图的过程中加深了自己对Auto CAD的使用能力。老师在第二个星期三又上了节课，帮我们把多数同学作图时的问题跟我们提了一下，总结了一些作图的经验，改正了我们的错误，提高了我们的效率，在这里不能不赞一下我们的指导老师黄金教授。他总是能及时地提醒我们，帮我们纠正错误，提供了一些经验给我们，让我们真正地从课程设计中学到知识。最后，特别地感谢一下我的老师和同学，你们的帮助让我能顺利地完成课程设计这项工作，并让我喜欢上了这项工作。