热交换器原理与设计课程设计-80KW满液式蒸发器.doc

目录1设计题目及设计参数11.1设计题目：80KW满液式蒸发器11.2设计参数：12设计计算12.1热力计算12.1.1制冷剂的流量12.1.2冷媒水流量23传热计算23.1初步选管23.2换热系数计算33.2.1污垢热阻确定33.2.2管内换热系数的计算33.2.3管外换热系数的计算43.2.4传热系数计算53.3传热面积和管长确定63.4流动阻力计算74结构计算与设计74.1换热管布置设计74.2壳体设计计算84.3校验换热管管长与管板结构合理性84.4零部件结构尺寸设计84.4.1管板84.4.2法兰94.4.3分程隔板94.4.4支持板与拉杆104.4.5端盖104.4.6支座104.4.7连接管114.4.8垫片114.4.9螺栓125换热器阻力计算135.1管程阻力135.2壳程阻力146结构设计讨论分析157换热器总体结构讨论分析168设计心得体会17参考文献181设计题目及设计参数1.1设计题目：80KW满液式蒸发器 全套图纸加扣 30122505821.2设计参数：蒸发器的换热量Q0=80KW；制冷剂：R22；制冷剂温度：蒸发温度t02，冷凝温度tk40；冷却水的进出口温度： 进口t1=12，出口t1=7。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lg p-h图：取蒸发温度t0 =2，过热度tr=5，吸入温度t1=7，冷凝器出口过冷度tk=5, 由tk=40,冷凝器出口温度t4=35 图2-1 R22 lg p-h图 表2-1 各状态点参数0 7.000 5.308 406.084 (表2-1中温度T的单位是：)单位质量制冷量： 制冷剂流量:2.1.2冷媒水流量冷媒水进出口平均温度，根据资料【2】附录9算得水的物性参数为：=999.71kg/m3 ,Cp=4.192kJ/(kg.k),=57.210-2 W/(m.K) ,=1330.110-6 Pa.s ，=1.33010-6 m2/s ,Pr=9.73 ,P=11.962 kPa，取热损失系数，冷媒水流量：3传热计算3.1初步选管采用外螺纹管，根据资料【3】P71表3-4选用序号2的低翅片管，规格为：16mm1.5mm，如图所示： 铜管导热系数 图2-2 外螺纹管结构图3.2换热系数计算3.2.1污垢热阻确定冷媒水平均温度,制冷剂,水的流速取，根据资料【1】P198表9-1，选取：管外污垢系数管内污垢系数3.2.2管内换热系数的计算暂取水的流速，管程设计为2程，则每流程管子数：，圆整取Z=28时，冷媒水的实际流速为:对于管内流体:，管内换热系数按资料【2】管内强制对流传热关联式（6-15）计算:3.2.3管外换热系数的计算由热平衡方程式可得：各段平均温差：段：段：整个过程平均温差（算术平均温差）：管外换热系数：,其中。3.2.4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：第二部分热流密度： 其中，管壁温度与管内壁温之对数平均温差管内污垢热阻管外污垢热阻管壁厚度铜管导热系数代入数据得： 用试算法估算 的值，确定热流密度：表3-1/44.054.0954.0964.1q/425844544633.7984637.7784653/472146784639.4854638.6274635由表格中数据可知：当0.849，误差0.018%，可以认为此时估算的q值4638.627 即为所求的热流密度。由此取，传热系数：。3.3传热面积和管长确定传热面积：，管子有效长度：，由GB 151-1999，取管长,管子长度L等于管程数N与管子的有效长度l的乘积，即：，采用管子按等边三角形排列的布置方案，由热交换器原理与设计表2.3，可取换热管中心距S=22mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距。对于不同的管程数N，就有不同的管长l和估算的壳体内径Di，见表3-2：表3-2：不同管程数N对应的管长l及壳体内径Di管程数N有效单管长l(m)总根数NZ壳内径Di(m)长径比l/Di22.30560.207 11.114 1.151120.282 4.08 60.771680.340 2.26考虑到满液式蒸发器壳体内的上部不装管束，实际的壳体直径大于估算的壳体直径，换热管长度与壳体直径之比一般在610之间，故选管程数为2程是可取的。3.4流动阻力计算根据资料【1】P232(9-71)，对于水，沿程阻力系数:，冷媒水的总流动阻力： 符合资料【4】P69表2.10允许压降，设计合理。4结构计算与设计4.1换热管布置设计 选用1-2型结构，Z=28，采用等边三角形的排列方式，查资料【4】P46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： 图4-1 管板布管图4.2壳体设计计算由所作的管板布管图可知，布管限定圆的直径，按国标可取，根据制冷机工艺P110表6-4，壳体壁厚选用经济型，所以壳体内径：。4.3校验换热管管长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，对于满液式蒸发器，根据资料【1】P205“最外部孔的边缘与外壳内表面的距离不应小于5mm”，布管限定圆直径。根据资料【4】P46，对于上述换热管布置设计由几何关系得出管束外缘直径，符合要求。换热管长度与壳体内径之比：，故选用两个管程是合理的。4.4零部件结构尺寸设计零部件结构尺寸设计包括：管板、法兰、分程隔板、支持板、拉杆、端盖、支座、连接管、垫片和螺栓等。4.4.1管板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，管板与换热管的连接方式采用胀管法。 图4-2 e型管板E型管板是管板与壳程圆筒连为整体其延长部分兼作法兰，与管箱用螺栓、垫片连接。根据资料【4】P49表2.4管板最小厚度，根据资料【3】表3-8管板最小厚度，又由资料【6】制冷机工艺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=1.00，由经验公式（6-4）得管板厚度：,合理。实际可取t=24mm。4.4.2法兰取S=24mm，Se=18mm，则：法兰外径：法兰厚度：，螺栓所在圆的直径：，螺栓所在圆周长：。S是法兰中心轴线到圆筒外径的距离Se是法兰中心轴线到法兰外径的距离4.4.3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。根据资料【7】P28 5.6.6.2 a）分程隔板槽槽深宜不小于4mm。 图4-3 分层隔板槽4.4.4支持板与拉杆根据管壳式换热器GB151-1999 P77表43，因为换热管外径14d025,所以拉杆直径取=12mm，数量取4根。根据资料【7】P76 5.10.1，采用拉杆点焊结构（与支持板），拉杆在管板上的拧入孔深8mm。由前面选管长，根据资料【4】P50表2.5，本设计取支持板数量为2。根据表2.6可知，可取支持板厚度为10mm。4.4.5端盖 图4-4 封头根据制冷机工艺P112球面半径R=261mm，根据P113选用端盖厚度S=6mm，内球面高度：，外球面高度：，圆筒高度：。4.4.6支座 图4-5 支座选用重型（B型）鞍式支座，由资料JB-T 4712.1-2007容器支座 第1部分：鞍式支座P11表4得：支座尺寸L=260mm，K=180mm，支座底线离壳体外壁面高度为200mm。4.4.7连接管（1）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R22液体流速为）：，圆整后，取无缝钢管外径出口接管内径（选R22蒸汽流速为）：，圆整后，取无缝钢管 根据资料【3】P75,“通常，氟利昂蒸汽在进气接管内流速为10-18m/s,液体在出液接管内流速在0.5m/s左右”，初取蒸汽在进气接管内流速为u5=15m/s,液体在出液接管内流速u1=0.5m/s（2）冷媒水连接管:冷媒水流量，水的流速，冷媒水连接管内径：，圆整后，取无缝钢管。（圆整后钢管外径及壁厚根据GB150-1988P77表8-1选取）4.4.8垫片根据资料【6】，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。根据资料【4】P47，本设计中壳体内径，垫片宽度，故可取垫片宽度。根据资料【6】得：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DG即为垫片接触面的平均直径，即：。A.预紧状态下需要的最小垫片压紧力：。B.操作状态下需要的最小垫片压紧力：。4.4.9螺栓(1) 螺栓的布置：A.根据法兰及端盖的厚度，参考资料【5】P369附表2-1，选螺栓GB/T5782 M1670，其小径。螺栓的最小间距应满足扳手操作空间的要求，根据资料【6】，由螺栓的直径，可以查得，螺栓最小间距。B.螺栓的最大间距，其中，为法兰厚度，为螺栓公称直径。因为螺栓所在圆的周长，取螺栓间距为65mm，故所需要的螺栓数，取整16个。（2）螺栓的最小载荷：A.预紧状态下需要的最小螺栓载荷：B.操作状态下需要的最小螺栓载荷：（3）螺栓的面积：A.预紧状态下需要的最小螺栓面积：，B.操作状态下需要的最小螺栓面积：。C.需要的螺栓面积：，D.螺栓的实际面积：，符合要求。（4）螺栓的设计载荷： A.预紧状态螺栓设计载荷： ， B.操作状态螺栓设计载荷：。C.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。所需的垫片最小厚度：，垫片宽度设计合理。其中，常温下的强度指标=530MPa,安全系数=2.7，故许用应力，一定温度下的许用应力。5换热器阻力计算5.1管程阻力根据资料【4】查图2.35可得：对于管内流动的冷媒水：Re=12116，当时，时，（1）沿程阻力：（2）回弯阻力：（其中，为管程数，前面记N）（3）进出口连接管阻力：（4）管程阻力：符合资料【4】P68表2.10管壳式热交换器允许的压降范围要求，设计合理。5.2壳程阻力根据资料【4】P70，“一般认为，对于无折流板时，可用管程阻力公式计算壳程阻力”，所以壳程阻力：6结构设计讨论分析由前面设计可知道采用型设计时接近10.现在采用4管程设计检验此时长径比的值的范围。当N=4时，取管子根数Z=14计算得流体流速：对于管内流体：管内换热系数:管外换热系数：第一部分热流密度：第二部分热流密度： 根据设计要求估算的值，来确定热流密度。具体估算数值如下表：表6-1/4.54.5114.5124.52q/63926443.1746447.1566485/64606445.7366441.8606434由表中数据可知：当时，与q的值相差2.562，即0.04%，可以认为此时估算的q值6444.455W/m2,即为所求的热流密度。所以，取，。传热系数为：传热面积和管长确定：根据q求传热面积：管子有效长度：长径比：换热管长度与壳体直径之比不在6-9范围内，不合理。由此分析可知：采用型是很合理的。7换热器总体结构讨论分析本次课程设计是设计满液式蒸发器，下面对设计做总体的分析：在初步确定蒸发器结构之后，进行了热力计算、结构计算以及流动阻力计算。对如换热管、进出水管、制冷剂进出管以及管板的厚度，筒体、支座、垫片、螺栓等都按国标进行选取，对螺栓和垫片进行了强度校核，满足安全要求。在满足设计要求的前提下尽量使得蒸发器结构紧凑，减少占据空间，节省原材料。8设计心得体会在这次设计过程中，通过反复的的计算和选取零部件，并且不断地查阅各种资料的国家标准，巩固和加深了我对所学知识的理解，翻阅资料的过程也使我对设计有了初步的了解，对我以后从事设计生产工作非常有用。在本次课程设计前，对于所学的换热器知识仅处在能解题的入门阶段，对实际的设计生产还一无所知。在这次课程设计中，通过查表，查图，对管的直径、厚度、布置，和一些零部件标准的选取，使我认识到在设计中不仅仅只是依靠课本的理论知识，还要与实际生产结合，譬如螺栓的布局位置，各部件之间的配合都是要在实际中考虑的。这次是课程设计，使我对AutoCAD有了更深的了解，对其功能基本上都使用过；而在写设计说明书的过程中，学会用word文档自动导出目录这个实用的功能。通过这次课程设计，使我对换热器设计的步骤有了一个基本的了解。由于时间和知识面等各方面的局限，这次课程设计还存在一些的错误，还望老师多做指点。在设计中对热交换器的结构紧凑性和经济性方面还有待改进，但这次课程设计还是学到了很多有用的知识和实际经验，感谢学校安排这次课程设计，也衷心地感谢黄金老师的指导和耐心地解答我们问题。