换热器课程设计-40KW水冷式冷凝器.doc

课 程 设 计全套图纸加扣 3012250582 课程名称_ 换热原理与设计 _ _题目名称 热能与动力工程 （制冷与空调方向） 学生学院 材料与能源学院 专业班级 2007级(1)班 学 号 3 学生姓名 指导教师 2010 年 7 月 9 日课 程 设 计 课程名称_ 换热原理与设计 _ _题目名称 热能与动力工程 （制冷与空调方向） 学生学院 材料与能源学院 专业班级 2007级(1)班 学 号 3 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40KW水冷式冷凝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 号一、课程设计的内容设计一台冷库用冷凝器。冷凝器热负荷=40KW，冷凝温度40，制冷剂为R22。冷却水进出口温度分别为：进口温度32，出口温度36。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：摘要卧式壳管式冷凝器大多与制冷压缩机组成压缩冷凝机组，利用较为洁净的冷却水进行对制冷剂的冷却。本次课程设计是设计一个40KW的卧式壳管式冷凝器，用于小型冷库。给定冷凝器的热负荷= 40 kw，制冷剂R22，制冷剂温度= 40 以及冷却水的进口温度= 32 出口温度= 36 。采用16mm1.5mm的低翅片管，经热力计算，换热面积为8.34，富裕量达10.2 %，管长1310 mm，用两快厚5mm的支撑板。经结构计算，壳体采用壳体的内径207mm法兰外径303mm端盖厚25 mm管板厚度30mm支座位置尺寸L210mm，K140mm支撑板厚度5mm与拉杆直径10mm垫片厚度25mm螺栓GB/T5782 M1680冷却水进出口连接管取无缝钢管制冷剂进口管取无缝钢管出口管无缝钢管。水泵所需功率为：621.8W.根据这些数据作出两图。本课程设计还包括了用AutoCAD画零件图和装配图。关键词：管壳式，换热量，热力计算，结构计算，阻力计算，强度计算，冷凝器。目录1.设计题目及原始数据71.1设计题目：40KW水冷式冷凝器71.2设计参数72传热设计计算72.1污垢热阻确定72.2冷媒水流量和平均传热温差72.3管型选择82.4 管程和有效管长82.5热力计算92.5.1水侧表面传热系数：92.5.2水平管的平均管排数92.5.3 管外换热系数的计算102.5.4 实际所需热流密度计算及传热面积和管长的确定102.6 冷却水的流动阻力计算113. 设计结构确定123.1筒体123.2法兰123.3端盖123.4 管板123.5 支座133.6 支撑板与拉杆133.7 垫片143.7.1 垫片的选取143.7.2 垫片压紧力作用中心圆直径143.7.3 垫片压紧力143.8 螺栓153.8.1螺栓的选取153.8.2螺栓的布置153.8.3螺栓载荷153.8.4螺栓面积153.8.5螺栓的设计载荷163.9 连接管164.心得体会175.参 考 文 献181.设计题目及原始数据1.1设计题目：40KW水冷式冷凝器1.2设计参数冷凝器的换热量Q0=40KW；给定制冷剂：R22；制冷剂温度：tk=40，冷却水的进出口温度： 进口t1=32; 出口t1=36。2传热设计计算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， 管内污垢系数 管外污垢系数2.2冷媒水流量和平均传热温差取冷却水进出口温度的平均温度为定性温度，= = 34。由传热学附录9中查得其有关物性参数如下：= 994.3 = 4.174 冷却水流量：= = = 对数平均温差计算2.3管型选择 参考小型制冷装置P70、P71中所述及表3-4。本次设计选取表3-4中的3号管16mm1.5mm，因其增强系数相比较大，有利换热。其有关结构参数如下：=10.4mm ，=15.1mm ，=0.4mm ，=12.4mm ，=1.2 。单位管长的各换热面积计算如下：每米管长翅顶面积：= 0.0158 每米管长翅侧面积：= 0.0972 每米管长翅间管面面积：= 0.026 每米管长管外总面积：=+= 0.139 每米管长管内面面积：= =0.0104= 0.0327 2.4 管程和有效管长 参看小型制冷装置P75，按管外面积计算热流密度，在设计条件下，假定 = 5000 。则应布置的传热面积：= = = 7.69 应布置的有效总管长： L = = = 55.32 m冷却水的流速u = 2.5 ，冷却水流量= ，则每流程管数Z = = = 11.35 （根）圆整后取Z = 12 根。则实际水流速 = 2.36 管数与单管有效长度乘积采用正三角形排列布置方案，查看热交换器原理与设计P46 表2.3，由=16 mm查得：换热管中心距s = 22 mm，内径由小型制冷装置设计指导p76 估算，假定程数为2、4、6，得各项数据：流程数N总根数NZ有效单管长/m壳体内径/m长径比2242.310.12917.94481.150.1836.36720.770.2243.4参看小型制冷装置P76，长径比一般在68范围内较为适宜，据此，本设计选取4流程方案作为结构设计依据。2.5热力计算2.5.1水侧表面传热系数： 由= 34查传热学附录9表得其运动粘度 。由小型制冷装置P78表3-12查得其物性集合系数 B = 2178.2 。因为雷诺数Re = = = 28277.5 ，亦即水在管内的流动状态为湍流，则由小型制冷装置P78中式（3-5），水侧表面传热系数：2.5.2水平管的平均管排数 根据排管布置，管排修正系数由小型制冷装置P77中式（3-4）计算= 0.809 根据所选管型，低翅片管传热增强系数由小型制冷装置P77中式（3-2）计算mm = 3.86 mm增强系数 ：= =1.3842.5.3 管外换热系数的计算查小型制冷装置P76 表3-11，R22在冷凝温度= 40 时，其物性集合系数 B = 1447.1由小型制冷装置P76 式（3-1）计算氟利昂侧冷凝表面传热系数，= = 3520.19 其中管外壁面温度； 冷凝温度与管外壁面温度之差。2.5.4 实际所需热流密度计算及传热面积和管长的确定水侧污垢系数 = 0.00009 。将有关各值代入小型制冷装置P78 式（3-6）和（3-7）热流密度计算（单位为）： = 3520.19 （第一式） = = 1195.0（5.77-） （第二式）选取不同的（单位为）进行迭代计算，计算结果列于下表：/（第一式）/（第二式）/1.655369.95239.01.65247.45302.61.625296.55277.1当=1.62 时，两式 误差已很小（据小型制冷装置P79所述，误差不大于3%，可认为符合要求），取= 5286.8 ，与假定的5200相差5.51 %，据小型制冷装置P79所述 误差不大于15%且计算值稍大于假定值，可认为原假定值及初步结构设计合理，因此传热系数实际所需传热面积初步结构设计中实际布置冷凝传热面积为7.69，较传热计算所需传热面积大1.6，可作为冷凝传热面积的富裕量，初步结构设计所布置的冷凝传热面积能满足负荷传热要求。参看小型制冷装置P79，在满足以上要求前提下，所布置的传热面积较计算所需的传热面积大10%左右，据此，可加长换热管长，当换热管取有效单管长=1.25 m 时，实际换热面积为8.34，富裕量达10.2 %。 2.6 冷却水的流动阻力计算 冷却水流动时的阻力按制冷原理及设备P232 式（9-71）计算，其中沿程阻力系数为 冷却水的流动阻力为： = = 54807.7 Pa式中，表示左、右两管板外侧端面间的距离，按照制冷机工艺第111页表6-5的要求。取每块管板厚度为30mm，则=1.25+0.06=1.31m考虑到外部管路损失，冷却水泵总压头约为：取离心水泵的效率，则水泵所需功率为：= 621.8 W则选取的离心水泵的功率至少不小于 621.8 W。3. 设计结构确定 3.1筒体 从上面计算得到的筒径为164mm,且根据系列数实际取规格为的无缝钢管作为壳体材料，所以壳体的内径207mm。3.2法兰取法兰外径219（2418）2303mm，法兰厚度，螺栓所在圆的直径，周长。3.3端盖 由制冷机工艺P113，选端盖厚度为S6mm，连接螺栓处厚度25 mm。3.4 管板 参看制冷机工艺P111 所述，壳管式换热器中的管板厚度一般为20 mm50 mm，可近似的按以下的经验公式计算：式中：t管板厚度（mm）； 筒体内径（mm）； 与管子连接方式有关的系数： 与管板是否兼作法兰有关的系数。及值可有制冷机工艺P111 表6-6 查取。本设计管子连接方式为胀接，管板不兼作法兰，故：=1.15 ； =1.00则管板厚度 = 21.75 mm 。考虑到管板与端盖的连接须在管板加工螺纹孔，为保证其有做够的强度，本设计管板厚度取t = 30 mm 。3.5 支座 参看小型制冷装置P75 所述，小型制冷装置用卧式壳管式冷凝器的支座一般采用如右图的结构形式（具体看零件图），查表（3-9），查得支座尺寸：总长L = 210 mm ，两螺栓孔中心距 K = 140 mm 。 支座在冷凝器的安装位置可按下列要求确定：若冷凝器主体长度（两管板外侧端面间的距离）为，壳体平均直径为，支座钢板厚度中线处与管板外侧的距离为s，则支座的位置应保证 且 。本设计中 = 1310 mm ，= 238 。 则 本设计取 s = 160 mm 。3.6 支撑板与拉杆 由热交换器原理与设计P50 表2-5和表2-6，换热管管径16mm，其最大跨距为1100mm，而换热管有效长度为1250mm，故需要支撑板和拉杆。本设计拉杆直径取10mm，数量取4根。取一块支撑板，其厚度为5mm，直接焊在拉杆上固定。3.7 垫片3.7.1 垫片的选取垫片的材料可选石棉，具有适当加固（石棉橡胶板）；厚度为1.5mm；参数为：垫片系数m2.75，比压力y25.5MPa，本设计筒体内径207mm700mm，故可取垫片宽度N25mm，垫片基本密封宽度，垫片的有效密封宽度。3.7.2 垫片压紧力作用中心圆直径因，所以垫片压紧力作用中心圆直径即为垫片接触面的平均直径，即。3.7.3 垫片压紧力a) 预紧状态所需的最小压紧力为b) 操作状态下所需的最小压紧力为 常温下作用应力530MPa，一定温度下的许用应力117MPa，实际螺栓面积（见后面螺栓的计算）所需的垫片的最小厚度为所以最初选的垫片厚度是符合要求的。3.8 螺栓3.8.1螺栓的选取根据法兰及端盖的厚度，参考画法几何与机械制图P338，选螺栓GB/T5782 M1680，其最小径13.835mm。3.8.2螺栓的布置螺栓的最大间距mm，因为螺栓所在圆的周长，故所需的螺栓数个。3.8.3螺栓载荷预紧状态下需要的最小载荷为：操作状态下需要的最小载荷为： 3.8.4螺栓面积预紧状态下需要的最小面积为:操作状态下需要的最小面积为:螺栓的实际面积为:，符合要求。3.8.5螺栓的设计载荷预紧状态下:操作状态下:3.9 连接管 参看小型制冷装置P75 所述，卧式壳管式冷凝器的连接管包括进气管、出液管以及冷却水进出口接管。各连接管内径（单位 m）按下式计算： 式中： 过热蒸气、冷凝液体或冷却水的体积流量，单位 ： u 流速，单位为 。通常，氟利昂蒸气在进气接管内的流速为1018 ，且进气管管径与压缩机的排气管管径相同。氟利昂液体在出液接管内的流速一般为0.5 左右。在进出水接管中，冷却水的流速约为1 。查R22的压焓图得：h1=416.561KJ/Kg,h4=249.686KJ/Kg，, 图2-1 R22的lgP-h图 制冷剂流量则氟利昂过热蒸气体积流量： 氟利昂冷凝液体体积流量： 取 ， 。则进气接管的内径： 圆整后，取无缝钢管出液接管的内径：圆整后，取无缝钢管取冷却水在连接管的流速，则冷却水进出口管内径: 圆整后，取无缝钢管4.心得体会本次课程设计虽然只有短短的两周，时间紧的同时任务也很重，但经过两周的时间，最终还是顺利地完成本次设计，现在回想起来，可谓受益匪浅： 加深了对理论知识的理解与运用。自己以前所学的知识大多仅仅停留在表面，缺乏必要应用，因此，对于这些抽象性的知识，理解上往往并不深入，有时甚至是肤浅的。通过这次设计，自己可以很好地加深理解从课堂上学到的理论