热交换器原理与设计课程设计-80KW壳管式干式蒸发器.doc

课 程 设 计 课程名称 换热器原理与设计 题目名称80KW管壳式干式蒸发器 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 7 月 8 日广东工业大学课程设计任务书题目名称80KW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=80KW，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，制冷剂是，制冷剂蒸发温度 ,冷凝温度,过热度,冷媒水的进出口温度。本次设计首先根据工况计算冷媒水以及制冷剂流量，选换热管直径，选择一个合理的制冷剂质量流速，确定管子数目和程数，采用4分点比容确定每管程管子数目，其它参数很多是根据换热量的大小，根据各种标准确定，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。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： 管壳式 干式 蒸发器 R22目录1.设计题目：80KW管壳式干式蒸发器设计12.主要参数13.设计过程13.1流量计算23.1.1单位质量制冷量23.1.2质量流量23.1.3冷媒水流量23.2蒸发器结构初步规划23.2.1布管23.2.2估计换热面积43.3热力计算43.3.1管外换热系数的计算43.3.2管内换热系数的计算53.3.3制冷剂流动阻力及传热温度的计算53.3.4传热系数及按内表面计算的热流密度73.4计算R22、冷媒水进出口面积83.4.1R22入口面积83.4.2R22出口面积83.4.3冷媒水进出口面积83.5选垫片93.5.1垫片93.5.2垫片压紧力作用中心圆直径93.5.3垫片压紧力93.6选螺栓与法兰103.6.1螺栓与法兰103.6.2螺栓载荷103.6.3螺栓面积103.6.4螺栓设计载荷113.7支座114.心得体会135.参考文献14管壳式换热器干式蒸发器1. 设计题目：80KW管壳式干式蒸发器设计2. 主要参数1. 换热器的换热量 ；2. 制冷剂 R22 ；3. 制冷剂温度 ，4. 冷媒水的进出口温度 设计内容和要求：传热计算，换热面积的计算，换热器结构尺寸计算布置及阻力计算等设计过程3. 设计过程图1 压焓图查表得：各点参数：状态点温度t()焓h(KJ/Kg)比容v(/Kg)124030.047174130.0482441340250422500.0123.1 流量计算3.1.1 单位质量制冷量3.1.2 质量流量 3.1.3 冷媒水流量由冷媒水的平均温度=()=(12+7)=9.5 ，查（传热学附录9）得=999.71kg/ ,Cp=4.192 kJ/kg 3.2 蒸发器结构初步规划3.2.1 布管选管子材料：紫铜光管，外径，壁厚，内径初选制冷剂质量流速：平均每个流程管子数目：将管程分为4程，则总管子数目：制冷剂从下端进入管子，在管中蒸发，从上端出蒸发器，其中制冷剂由液态蒸发到气态，每个流程的气体比容不同，所以每个流程的管子数目不相同，由下到上逐渐增加。通过计算，得出4均分点的比容分别为：=+（-）=0.021/Kg =+（-）=0.030/Kg=+（-）=0.039/Kg 根据4均分点比容：所以各流程管子数分别为：布管情况参照附图，相关数据确定如下： 拉杆：选拉杆数为4，（见参考文献3 P51 表2.7） 换热管排列方式：换热管按正三角形排列，管子中心距19mm,分程隔板槽两侧相邻管中心距为32mm（见参考文献3 P45 表2.3） 布管限定圆：由画图结果得布管限定圆直径 壳体内径：由（且不小于8mm，取12mm）（见参考文献3 P46 2.3式） 得壳体内径，厚度为16mm的无缝钢管，外径为356mm（见参考文献7 GB/T 17395-2008） 换热管长度：换热管长度与壳体直径之比通常为610且由推荐采用长度，取(见参考文献3 P54) 管板：厚度=20(见参考文献3 P47 表2.4) 弓形折流板：弓形折流板间距且不小于50mm(见参考文献3 P49)初取，厚度=3(见参考文献3 P50 表2.6)管长：L=2+（-1）+2+3 (为折流板数，为管板厚度)得折流板数并调整得，折流板上下缺口高度一般为壳体内径的20%45%（见参考文献3 P48）经布管调整后得上缺口高度，管子数根，下缺口高度，管子数根。3.2.2 估计换热面积蒸发器外表面积：有效传热面积： 3.3 热力计算3.3.1 管外换热系数的计算 折流板的平均间距SS= 横向流通截面积（见参考文献1 式 P235（9-78） 为直径处管子数， 横向流速 折流板上下缺口面积 （见参考文献1 P235 式（9-77） 表9-7）由折流板下缺口高度、上缺口高度 , ,可从表9-7查得= 上下缺口面积的平均值= 纵向流速 = 与的几何平均值uu= 管外换热系数由冷媒水的定性温度，查（查参考文献4 P563 附录9）得水的物性数据为：,运动粘性系数，导热率, 则= 管外换热系数：（见参考文献1 P226 式（9-57）=3.3.2 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（见参考文献1 P225 式（9-48）管内换热系数为 式中，（见参考文献1 P225 表9-3），所以，3.3.3 制冷剂流动阻力及传热温度的计算 制冷剂的流动阻力计算R22饱和蒸汽的流速由制冷剂蒸发温度，由物性表查得，普朗特数，运动粘性系数所以 确定雷诺数 沿程阻力系数 饱和蒸汽的沿程阻力，按（参考文献1 P236 式9-83）计算 两相流动时R134a的沿程阻力因为故 （查参考文献1 P236 表9-8） 总阻力 （参考文献1 P237） 对数平均温差可以认为在附近，压力每变化0.1MPa，饱和温度约变化5.5，因此蒸发器冷媒水进口处，R22的温度为：对数平均温差3.3.4 传热系数及按内表面计算的热流密度 传热系数管内侧与管外侧的污垢系数分别取取为、（见参考文献1 P181 表9-1），则传热系数为（见参考文献3 P58 式2.25）其中管壁厚度,管材的导热系数，管子平均直径, 按内表面计算的热流密度 用迭代法解得： 传热系数的数值 所需之传热面积此值比初步规划的有效传热面积15.6约小17，因而初步规划中所定的尺寸基本有足够的裕量。3.4 计算R22、冷媒水进出口面积3.4.1 R22入口面积取制冷剂进口流速，比体积按饱和液态计算，查得在时，（参考文献1 P341 附表13）根据无缝钢管尺寸规格(参考文献7 GB/T17395-2008)选用的无缝钢管，实际进口流速为，基本符合要求 。根据（参考文献7 GB/T9119-2000）管径选接管法兰外径115mm，厚度16mm。3.4.2 R22出口面积取出口流速为,比体积按饱和气态计算 (见参考文献1 P341 附表13)根据无缝钢管尺寸规格(参考文献7 GB/T17395-2008)，选用的无缝钢管，实际出口流速为 基本符合要求。 根据（参考文献7 GB/T9119-2000）管径选接管法兰外径150mm，厚度18mm。3.4.3 冷媒水进出口面积取冷媒水进出口流速为，水在附近，可近似认为由 得根据无缝钢管尺寸规格(参考文献7 GB/T17395-2008)选用的无缝钢管，实际冷媒水进出口流速，符合要求。根据（参考文献7 GB/T9119-2000）管径选接管法兰外径165mm，厚度20mm。3.5 选垫片3.5.1 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，设计压力P=1.5MPa，（参考文献7 GB/T150-1998 P95 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 GB/T150-1998 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 3.5.2 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3.5.3 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 GB/T150-1998 P96 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 GB/T150-1998 P96 式（9-2）计算： 3.6 选螺栓与法兰3.6.1 螺栓与法兰壳体内径，钢管外径系列化后，选择外径为356mm，壁厚为16mm。根据参考文献7GB/T 9119-2000，公称压力PN=1.6Mpa，螺栓选M24，材料选用35号钢，螺栓数取n=16，螺栓孔径L=26mm，螺栓孔中心圆直径K=470mm。取法兰厚度C=35mm，法兰内径B=359.5mm，法兰外径D=520mm。螺栓最大间距（参考文献6GB/T150-1998 P97 式9-3）由此，按照此条件的螺栓数目枚，螺栓数取16枚符合要求。3.6.2 螺栓载荷 预紧状态下需要的最小螺栓载荷按参考文献6 P97 式9-4计算： 操作状态下需要的最小螺栓载荷按参考文献6 P97 式9-5 计算：3.6.3 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参考文献6 P97 式（9-6）计算： 操作状态下需要的最小螺栓面积按参考文献6 P97 式（9-7）计算： 需要的螺栓面积参考文献6 取两者较大者 实际螺栓面积，故满足要求3.6.4 螺栓设计载荷 预紧状态螺栓设计载荷按参考文献6式（9-8）计算： 操作状态螺栓设计载荷按参考文献6式（9-9）计算： 3.7 支座按参考文献7 JB-T 4712.1-2007选用弯制的重型B型鞍式支座，如图具体规格如下：根据参考文献5 P89 ,鞍式支座在换热器上的布置应按下列原则确定：（1）、当，取（2）、当，取所以，取4. 心得体会为期两周的课程设计接近尾声，今年的课程设计我选的课题是管壳式干式蒸发器。通过这次课程设计，我对管壳式干式蒸发器的结构了解深入了很多，以往从书本的结构图大致了解到了这种换热器的结构，这次的设计则是从设计者的角度，由老师给的数据逐步深入计算、推敲，合理选出各种部件，最后画出装配图和管板零件图，编写说明书。这次的课程设计，相对来说，知识综合性比较强，主要用到了制冷原理及设备，换热器原理与设计，制冷机工艺，传热学，流体力学，画法几何与机械制图等课程的理论知识，还大量查阅了各种国家标准