热交换器原理与设计-45KW壳管式干式蒸发器.doc

课 程 设 计 课程名称 热交换器原理与设计题目名称 干式蒸发器 学生学院 材料与能源学院 专业班级 07制冷（1）班 学 号 学生姓名 指导教师 2010 年 7 月 9 日广东工业大学课程设计任务书题目名称45KW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=45KW，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我所设计的课题是管壳式干式蒸发器，其中换热器的换热量=45kW，制冷剂是22，制冷剂蒸发温度t0=2冷凝温度 过热度换热介质的进出口温度12，7,设计过程中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，然后凭借经验公式大概确定，然后严格按照国家标准校核修改，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 蒸发器 管壳式 干式目录1 设计题目：45KW管壳式干式蒸发器22 原始数据：23 设计过程23.1流量计算33.11单位质量制冷量：33.12质量流量 ：33.13冷媒水流量：33.2蒸发器结构初步规划33.21 选管33.22布管43.23蒸发器换热面积53.3 热力计算53.31管外换热系数的计算53.32管内换热系数的计算63.33制冷剂流动阻力及传热温差73.34传热系数及按内表面计算的热流密度83.4 计算R22及冷媒水进出口面积93.41 R22进出口面积93.42 R22出口面积93.43 冷媒水进出口面积103.5 选垫片103.51 垫片103.52垫片压紧力作用中心圆直径113.53垫片压紧力113.6选螺栓与法兰113.61 螺栓与法兰113.62螺栓载荷123.63螺栓面积123.64螺栓设计载荷133.7支座133.8管箱143.9分程隔板14参考文献15心得体会15致谢：161 设计题目：45KW管壳式干式蒸发器2 原始数据：换热器换热量：=45KW给定制冷剂：R22制冷剂温度：2，40，tr=3换热介质进出口温度：12，73 设计过程 压焓 图查表得个状态点参数：状态点温度（）压力P（MPa）焓h(KJ/Kg)比容v(m3/Kg) 120.53406154080.04524173401.5250422500.0133.1流量计算3.11单位质量制冷量：=h1-h4=408 -250=158KJ/Kg3.12质量流量 ： 3.13冷媒水流量：冷媒水的平均温度： （查参考文献4附录9）得：=999.7kg/ ,C=4.192 kJ/kg，由公式得：冷媒水容积流量：3.2蒸发器结构初步规划3.21 选管管子外径d0=16.0mm，内径di=13mm的铜管光管，（见参考文献9P158）则管内单位面积的流速： ，取制冷剂质量流速：，则：每根管制冷剂质量流量：每流程平均管数：根3.22布管假定流程N=4，则总管数：根，比容均增量：，则三个均分点比容为：，同理：均分点比容比：则相应管程管数：， 选拉杆数n=4，直径d=12mm，（见参考文献3表2.7）换热管按正三角形排列，换热管中心距：s=22mm，（见参考文献3表2.3），壳体直径附近铜管数： 根，布管限定圆直径： （见参考文献3式（2.6）（且不小于8mm，取）壳体内径：壳体选换热管长度与壳体直径之比通常为610，则：（见参考文献 3P54）故换热管长度：L=2.0m（见参考文献 3P54）根据参考文献3P48-P49：弓形折流板排列方式为缺口上下方向交替排列，缺口弦高一般为壳体内径的20%-45%，则： ，上缺口高度折流板间距 ，则取，折流板厚度=3，（见参考文献3表2.6）管板厚度：（见参考文献3表2.4）管长，解得折流板数： 3.23蒸发器换热面积外表面换热面积：有效传热面积：3.3 热力计算3.31管外换热系数的计算（1）折流板间距s，由于折流板间距不全相等，故取平均值S=（2）横向流通面积根据=（见参考文献1式9-78）（3）横向流速(4)折流板上,下缺口面积（见参考文献1式9-77）Kb=0.198（见参考文献1表9-7）（5）上、下缺口面积的平均值(6)纵向流速(7) 与的几何平均值（8）管外换热系数冷媒水平均温度，据此温度查得水的物性数据为：（见参考文献5附录9），则管外换热系数（见参考文献1式9-57）3.32管内换热系数的计算假定蒸发器按内表面计算的热密流度，（此假定将在后面检查），则：（见参考文献1式（9-48）， 其中0.013m，c=0.02332（见参考文献1表9-3）3.33制冷剂流动阻力及传热温差（1）制冷剂的流动阻力计算R22饱和蒸汽的流速（蒸发温度，据此从物性表查得R22的参数为：）（见参考文献1附表3）沿程阻力系数饱和蒸汽的沿程阻力（见参考文献1式9-83）两相流动时R22的沿程阻力，（：见参考文献1表9-8，采用插值法求得）总阻力对书平均温差在2附近，压力每变化0.1MPa，饱和温度变化5.5，因此蒸发器进口处R22的温度：对流平均温差：3.34传热系数及按内表面计算的热流密度(1)传热系数管内测与管外侧的污垢系数均取为，则传热系数：（见参考文献3式2.25） 其中，管子平均直径：（2）按内表面计算的热密流度，迭代，解得：，说明前面假定的成立（3）传热系数的计算（3）所需传热面积校核：此值比初步规划的有效传热面积小 ，约小16.07% ，因此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3.41 R22进出口面积取R22的进口流速，（见参考文献1附表3）由得：根据无缝钢管尺寸规格(参考文献8 GB/T17395-2008)选用：3.42 R22出口面积R22出口流速（见参考文献8 P72），（见参考文献1附表4）由得：根据无缝钢管尺寸规格(参考文献8 GB/T17395-2008)选用3.43 冷媒水进出口面积取冷媒水的进出口流速由得：根据无缝钢管尺寸规格(参考文献8 GB/T81621987)选用3.5 选垫片3.51 垫片选取选取石棉垫片，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（参考文献7 表9-2），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，其值可按经验确定，由经验值取（参考文献7 P96）垫片接触宽度 和基本密封宽度，（参考文献7表9-1）因为所以垫片有效密封宽度（参考文献7P96）3.52垫片压紧力作用中心圆直径取垫片内径为垫片压紧力中心圆直径3.53垫片压紧力a.预紧状态下需要的最小垫片压紧力按参考文献7式（9-1）计算： b.操作状态下需要的最小垫片压紧力按参考文献7 式（9-2）计算： 其中m为垫片系数，操作压力为3.6选螺栓与法兰3.61 螺栓与法兰壳体法兰：钢管内径，由参考文献8表6-3可知经济壁厚为9.5mm，钢管外径系列化后，选择外径为299mm，根据参考文献8GB/T 9119，公称压力PN=1.6Mpa，得螺栓选M24，材料选用35号钢，GB699,正火处理，螺栓数取n=12，螺栓孔径L=26,螺栓孔中心圆直径K=355。取法兰厚度，法兰内径B=276mm，法兰外径D=405mm，法兰兼作管板。法兰螺栓最大间距（参考文献7式9-3）由此，按照此条件的螺栓数目枚，螺栓数取12枚符合要求。R22液体制冷剂进口法兰：管采用，可选法兰R22气体制冷剂出口法兰：采用，可选法兰：冷媒水进出口法兰：采用，可选法兰：3.62螺栓载荷a. 预紧状态下需要的最小螺栓载荷按参考文献7 式9-4计算：b. 操作状态下需要的最小螺栓载荷按参考文献7 式9-5 计算：3.63螺栓面积常温下35号钢的，安全系数参考文献7表9-2，即常温下许用应力，预紧状态下需要的最小螺栓面积按参考文献7式（9-6）计算： 操作状态下需要的最小螺栓面积按参考文献7 式（9-7）计算： 需要的螺栓面积参考文献7 Am取两者较大者 因为实际螺栓面积，故满足要求3.64螺栓设计载荷 预紧状态螺栓设计载荷按参考文献7（9-8）计算： 操作状态螺栓设计载荷按参考文献7式（9-9）计算： 3.7支座冷凝器两端主体长度为（见参考文献1P80）3.8管箱蒸发器采用椭圆形封头作为管箱，如图椭圆封头圆筒部分长度：3.9分程隔板管程为4程，采用3块分程隔板，分程隔板与采用椭圆封头焊接方式连接，隔板厚度参考文献 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，2003.5 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钢制压力容器标准GB150-19988 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.9余建祖. 热交换器原理与设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2006.心得体会通过这次课程设计，我受益匪浅，在课程设计中，我的的专业知识得到了进一步的巩固，包括机械设计基础、工程制图、工程热力学、传热学、流体力学、制冷原理、换热器原理与设计等，课程设计真正地是把理论知识付诸于实践中，而过程中却是要不断地运用理论知识去检验设计出来的作品，仅仅是排列管子我就设计了三个方案，才最终确定下来，虽然达不到最佳的方案，但是效率还是有明显的提高。不断地推翻前面的方案是很常见的，不足为奇。本次课程设计的题目是换热器设计，可是真正要用到的东西却不仅仅局限