热交换器原理与设计课程设计-35KW壳管式干式蒸发器.doc

设计总说明全套图纸加扣 3012250582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，制冷剂是R22，制冷剂蒸发温度 ,冷凝温度。取过热度 ，冷媒水的进口温度, 出口温度。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两分点比容来确定，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。关键词： 管壳式 干式 蒸发器 制冷剂R22目录1.设计题目及原始数据31.2设计的主要参数32.设计过程32.1总体概括32.2流量计算42.2.1制冷剂流量计算42.2.1冷媒水质量流量M及体积流量qv的计算52.3 蒸发器结构布局52.3.1管路布置52.3.2折流板的选择及布置62.4相关面积计算72.4.1蒸发器外侧总面积72.4.2有效传热面积72.5热力计算72.5.1管外水的表面传热系数72.5.2管内沸腾表面传热系数的计算82.6制冷剂流动阻力及传热温差的计算92.6.1制冷剂R22的流动阻力计算92.6.2传热系数及热流密度计算92.7传热面积计算102.8制冷剂R22及冷媒水进出口接管选择102.8.1制冷剂R22进口接管102.8.2制冷剂R22进口法兰112.8.3制冷剂R22出口接管选择112.8.4制冷剂R22出口法兰112.8.5冷媒水进出口管选择112.8.6冷媒水进出口管法兰123.其他器件选择123.1垫片选择及相关计算123.2垫片压紧力作用中心圆直径123.3垫片的压紧力133.4箱体及封头133.5螺栓选择133.6螺栓面积计算143.7螺栓强度校核143.8螺栓设计载荷143.9支座153.10分程隔板153.11挡管154.心得体会165.致谢166.资料及主要参考文献161.设计题目及原始数据1.1设计题目：干式管壳式换热器1.2设计的主要参数蒸发器制冷量 Q0=35KW制冷剂 R22制冷剂相关温度 ， 冷媒水进出口温度 ， 2.设计过程2.1总体概括设计的主要有流量计算、结构布局、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。流量计算的数据图形准备R22压焓图 查R22压焓图可得出以下数据 (参考文献2附图5）状态点温度t()压力p(Mpa)焓h(KJ/Kg)比容v(/Kg) 120.53407174100.045021.504403401.5025040.532500.01142.2流量计算2.2.1制冷剂流量计算单位制冷量：质量流量：2.2.1冷媒水质量流量M及体积流量qv的计算冷媒水的定性温度 质量流量体积流量：查参考文献5附录9: , 2.3 蒸发器结构布局2.3.1管路布置分管程数N=4， va=0.020 ,vb=0.028 ,vc=0.038 ,vd=0.045按4均分点比容：选定换热管为（铜管）(参考文献3 表2.3和表2.4)，则管的内径为di=10mm 。管板厚度（参考文献3表2.4），取取R22在管内的质量流速则总流通面积每根管子的有效流通截面为蒸发器的分路数，即每流程的平均管数取Zm=23，则每根中R22的质量流量为每一分路中R22在管内实际质量流速确定总管数Z=4Zm=92制冷剂液体从下端进入管子，在管中蒸发，上端流出蒸发器。从下往上初选相应选择各管程管数为 选拉杆数为4，直径d=10mm（参考文献3P50及表2.7）。换热管按正三角形排列，管距16mm（参考文献3表2.3），壳管直径附近上布置管数为布管圆直径：对于固定管板式，布管直径的限定圆为（参考文献3式2.3 )，其中为管束最外层换热管表面至壳体内壁的最短距离，且不小于8mm。（取）目前所采用的换热管唱的与壳体直径之比通常为610，即，取L=1500mm。（参考GBT/17395-2008)选外经壳体D=245mm，厚度。2.3.2折流板的选择及布置选用弓形折流板，其间距不得小于内径的。即，且不小于50mm。两块管板与端部两块折流板的距离通常大于（参考文献3P49）。初选取， 。取换热板厚度（参考文献3表2.6），管板厚（参考文献3表2.6），可得到如下关系： 得到折流板数。 对s1和s2进行修正调整，最终选定s1=99mm， s2=70mm。折流板缺口弦高一般为壳体内径的20%45%，考虑到布管等因素，取上缺口H1=48mm，上缺口包含管数nb1=13。下缺口高度H2=48，下缺口包含管数nb2=14。2.4相关面积计算2.4.1蒸发器外侧总面积2.4.2有效传热面积2.5热力计算2.5.1管外水的表面传热系数用下标“1”表示管外冷水的参数，首先计算平均水流速度u1。折流板的平均间距s为横向流动面积Ac计算（参考文献4 式（4-16）横向流速uc为折流板上下缺口面积计算（参考文献4 式（4-25）折流板上缺口流道面积Ab1，其中Kb1=0.125（参考文献4 表4-9）折流板下缺口流道面积Ab2同理则上、下缺口的平均面积Ab为纵向流速ub为横向截面上的流速uc与折流板缺口处的纵向流速ub的几何平均值u1为冷媒水的平均温度为定性温度下的各个数值Pr1=9.73， ， （参考文献5 附表9）在定性温度下的雷诺数Re1为管外冷水侧表面传热系数为2.5.2管内沸腾表面传热系数的计算用下标“2”表示管内制冷剂参数。根据公式知管内换热系数为（参考文献1 公式9-48）qi为热流密度且设qi4000W/m2，c=0.02332（参考文献2 表9-3），di=0.01m2.6制冷剂流动阻力及传热温差的计算2.6.1制冷剂R22的流动阻力计算蒸发温度t0=2oC时，密度，普朗特数Pr=0.726；运动粘性系数R22饱和蒸气的流速u为：饱和蒸气的雷诺数：沿称阻力系数：饱和蒸气的沿称阻力（参考文献2 公式9-83）两相流体流动时R22的沿称阻力为两相流动时的阻力系数，查（参考文献4 表4-10）得到=0.704总阻力： （参考文献4 式4-35）对数平均温差 在附近，压力每变化0.1MPa，饱和温度约变化，因此蒸发器进口处R22的温度t0为对数平均温差2.6.2传热系数及热流密度计算（参考文献1 P253）管内侧与管外侧的污垢系数均取，则传热系数为其中管壁厚度,为管材的导热系数400 W/mk，为管子平均直径mm内表面热流密度迭代，解得 说明前面假设是正确的。按外表面计算的热流密度q02.7传热面积计算根据q0得所需传热面积F为此值与初步规划的有效传热面积小，小约7.0% 。因此，在初步规划中所确定的尺寸有裕量。2.8制冷剂R22及冷媒水进出口接管选择2.8.1制冷剂R22进口接管参考文献4知：制冷剂的流速一般为1.0m/s3.0m/s。取制冷剂的流速为u=3.0m/s，比体积按节流后气液两相状态，查文献1附图5得到在节流到时， 得：（参考文献1公式10-1）根据无缝钢管尺寸规格(参考文献8 GB/T17395-2008)选用的无缝钢管，实际进口流速为2.8.2制冷剂R22进口法兰根据（参考文献8 法兰GB/T9119表2），管径选接管法兰外径120mm，法兰厚度16mm。螺栓用M16，数量为42.8.3制冷剂R22出口接管选择取R22出口流速为u=12m/s，查文献1附表13得根据无缝钢管尺寸规格(参考文献8 GB/T17395-2008)选用的无缝钢管，实际进口流速为2.8.4制冷剂R22出口法兰根据（参考文献8 法兰GB/T9119 表2），管径选接管法兰外径120mm，法兰厚度16mm。螺栓用M16，数量为42.8.5冷媒水进出口管选择冷媒水进出口取冷媒水进出口流速为v=2.0m/s，水在进口t=12oC时，。 在出口t=7oC，（参考文献5 附录9）进口管有出口管有因此，进出口管均选用，流体的实际流速2.8.6冷媒水进出口管法兰根据（参考文献8 法兰GB/T9119 表2），进出口管径选接管法兰外径均为120mm，法兰厚度16mm。螺栓用M16，数量各为43.其他器件选择3.1垫片选择及相关计算（参考文献7 表9-2），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y=2.55MPa，设计压力P=1.56MPa，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 和基本密封宽度因为，所以垫片有效密封宽度3.2垫片压紧力作用中心圆直径垫片取内径为D=232mm垫片的压紧力中心圆直径：3.3垫片的压紧力a. 预紧状态下需要的最小垫片压紧力 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 参考文献7 式（9-2）计算：3.4箱体及封头设计箱体为封头上带法兰连接和接进出口管，其有关数据 参考制冷机工艺P112、P123 及按法兰相关数据设计。大概形式图： 3.5螺栓选择具管的内径Di=232mm，参考文献7GB/T9119 。钢管内径，根据参考文献8GB/T 9119，公称压力PN=1.6Mpa，选择螺栓为M20，数量为n=12。材料选用35号钢，GB699,正火处理，螺栓孔径L=22，螺栓孔中心圆直径K=295。 参考画法几何表2-1得到M20的相关参数：c=0.20.8mm，da=19.67mm，s=29.67mm，K=12.285mm。螺栓最大间距由此得到螺栓数，故按对称性分布选n=12合理螺栓载荷：a. 预紧状态下需要的最小螺栓载荷 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 参考文献7 式9-5 计算：3.6螺栓面积计算（参考文献9）常温下35号钢的，安全系数。因此即常温下许用应力为，预紧状态下需要的最小螺栓面积 参考文献7式（9-6）计算：3.7螺栓强度校核操作状态下需要的最小螺栓面积 参考文献7 式（9-7）计算：需要的螺栓面积 参考文献7 Am取两者较大者实际螺栓面积故校核满足要求3.8螺栓设计载荷a） 预紧状态螺栓设计载荷 参考文献7式（9-8)计算：b）操作状态螺栓设计载荷按式（9-9)计算：3.9支座（如图3-9） 参考文献2表3-9 查得支座的L=210mm，K=140mm。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Dm，支座厚钢板度中心处与管板外侧的距离为s，则支座的位置应保证:，且。取s=60mm。 3.10分程隔板（根据管壳式管壳式热交换器设计手册5.2.3.1规定P20）取材料为碳素钢，分程隔板的厚度取为=8mm。分程隔板槽深度取5mm， 槽宽度取0=8+2=10mm 。3.11挡管参考文献3 P51，挡管安置在相应的分程隔板槽后面的位置上，每根挡管占据一根换热管的位置，但不穿过管板，用电焊的方法固定于折流板上。通常每隔3-4排管子安排一根挡管，但不应设置在折流板缺口处。此设计每隔3排管子安排一根挡管。4.心得体会这次课程设计是设计一个35KW的干式壳管式蒸发器，在课程设计开始前，我们学习了课本热交换器原理与设计、传热学、制冷原理、制冷压缩机等专业基础课，开始真正掌握制冷行业的专业知识，但课本知识终究是理论知识，通过书面知识我们能达到一定的理论水平，但这种程度并非是真正意义上的掌握牢固，理论联系实际才能达到边做边学边巩固。但由于我自己的生产实践经验甚少，所以本次设计的壳管式蒸发器从技术、经济以及生产等实际情况来讲可能是一个不够合理的产品。在设计中遇到了不少的问题主要在传热设计计算过程中，例如换热管长应该如何选择，长径比l/D应该什么范围内比较合适，以及管板兼作法兰的话法兰直径如何选取等。但最终均通过自己的努力和老师同学的帮助得以解决。总的来说，经过这次为期两周的课程设计，我深刻认识到做事要认真要细心。通过这次设计，我也收获了很多东西，就是在反复查漏补缺的过程中磨练了一种精益求精、耐心的品质。经过这次课程设计使我具备了一定的课程设计能力，加强了自己的动手和思考的能力，学会自己去解决问题与同学们之间讨论。加强了同学们之间的互助，班里形成了一种互相学习与帮助的氛围，同时，在一定程度上提高了自己用电脑画图的能力。总之，这次课程设计负出了不少，收获也不少。5.致谢此次课程设计，自己在设计过程中确实存在不少难以解决的问题。甚至一度陷入困境。但通过自己的努力，尤其是黄金老师及同学们的帮助，才使得此次设计所有的困境都“化险为夷”。特此致谢！6.资料及主要参考文献1 吴业正. 制冷原理及设备（第2