换热器课程设计-70KW水冷式冷凝器.doc

课课 程程 设设 计计 全套图纸加扣 3012250582 课程名称 换热器课程设计 题目名称 水冷式管壳冷凝器 学生学院 材料与能源 专业班级 制冷 1 班 学 号 学生姓名 指导教师 2 2010 年 7 月 9 日 广东工业大学课程设计任务书广东工业大学课程设计任务书 题目名称 70KW 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=70KW，冷凝温度40，制 k Q k t 冷剂为 R22。冷却水进出口温度分别为：进口温度32，出口温度 2 t 36。 2 t 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， 3 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 6.28-6.28 2 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 6.29-6.30 3 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 7.1-7.4 4 绘制换热器装配图 1 张；拆画零件图 12 张宿舍 7.4-7.7 5 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. 4 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： 课程设计总摘要：课程设计总摘要： 本课程设计是设计一个水冷式冷凝器。本次课程设计是在冷凝器换热量 =70KW、制冷剂 R22，制冷剂冷凝温度40、假定蒸发温度、冷 k Q k t5 0 t 却水进口温度、冷却水出口温度的条件下进行设计的。本次 1 32T 2 36T 设计计算主要包括传热设计计算，水的流动阻力计算，结构设计计算，强度计 算以及强度校核计算等，同时结合整体设备运行原理，对该管壳式水冷冷凝器 各性能参数进行校正。本次设计先从传热设计计算着手，传热设计计算与结构 设计计算相互交叉进行，接着计算水的流动阻力以及零部件的选取，最后进行 强度计算与强大校核。本次设计设计内容包括了换热管和流程数的选取，换热 管的布置排列，管长的选取，筒体、端盖、法兰、螺栓和垫片的选取等。本次 管壳式冷凝器的设计涉及了传热学 制冷原理与设备 热交换器原理与设 计 流体力学以及材料力学等学科的基础知识和工艺参数的选择。 关键词：关键词：换热量，热力计算，结构计算，阻力计算，强度计算。 5 目录目录 课程设计摘要.5 一、设计题目及设计参数.6 1.1 设计题目：70KW 水冷式冷凝器.6 1.2 设计参数：.6 二、冷凝器的传热设计计算.6 2.1 换热管管型的选择.6 2.2 冷却水流量和平均传热温差的确定.6 vs q m T 2.3 确定每流程管数 Z，有效单管长L及流程数 N.6 2.3.1 确定管程管数和实际冷却水流速度.6 2.3.2 管程与有效管长.7 6 2.4 传热水平管的布置排列及平均管排数.7 m n 2.5 传热系数的计算.7 2.5.1 管内水侧表面换热系数 .7 2.5.2 管外 R22 冷凝表面换热系数.8 2.5.3 管内、管外污垢热阻的确定.8 2.5.4 传热系数 .8 2.6 传热面积与有效管长确定 .9 2.7 冷却水的流动阻力 .10 三、结构设计计算.10 3.1 筒体 .10 3.2 管板 .10 3.3 法兰 .10 3.4 端盖 .11 3.5 支撑板.11 3.6 分程隔板.11 3.7 支座 .11 3.8 垫片的选取.11 3.8.1 材料的选取.11 3.8.2 垫片压紧力作用中心圆直径.12 3.8.3 预紧状态下所需要的最小压紧力：.12 7 3.8.4 垫片宽度校核.12 3.9 螺栓 .12 3.9.1 螺栓的选择.12 3.9.2 螺栓布置.12 3.9.3 螺栓载荷.13 3.9.4 螺栓面积.13 3.9.5 螺栓的设计载荷.13 4.0 连接管的确定.13 4.0.1 冷却水进出口连接管.13 4.0.2 制冷剂连接管.14 参考文献.15 8 一、设计题目及设计参数一、设计题目及设计参数 1.11.1 设计题目：设计题目：70KW70KW 水冷式冷凝器水冷式冷凝器 1.21.2 设计参数：设计参数： 蒸发器的换热量 Q0=70KW； 给定制冷剂：R22； 制冷剂温度：tk=40， 冷却水的进出口温度： 进口32; 出口36。 2 t 2 t 二、冷凝器的传热设计计算二、冷凝器的传热设计计算 2.12.1 换热管管型的选择换热管管型的选择 根据热交换器原理与设计表 2.3，选用规格为的光铜管，其内12 1.0 径10 i dmm 2.22.2 冷却水流量冷却水流量和平均传热温差和平均传热温差的确定的确定 vs q m T 冷却水进出口平均温度，根据传热学附录 9 查得：4 . 3 2 2 2 tt tm 水的物性参数密度，。由热交换器原理 3 994.3/kg m4.174/() p ckJkg K 与设计P8 公式（1.5）得： 冷却水流量: s m s m tt Q P 3 3 3 22 0 vs 10203 . 4 )3236(174 . 4 3 . 994 70 )(c q 9 平均传热温差: 8 . 5 3640 3240 ln 3236 m t 2.32.3 确定每流程管数确定每流程管数 Z Z，有效单管长，有效单管长 l l 及流程数及流程数 N N 2.3.1 根据小型制冷装置设计指导P67，初选冷却水流速度，smu/5 . 1 则每管程的管子数:根69.35 5 . 1101014 . 3 10203 . 4 44 62 3 2 udi q Z vs 取管子数 Z=36 根,实际水流速度:sm Zdi q u vs /49. 1 36101014 . 3 10203. 444 62 3 2 2.3.2 假定热流密度 q=5600w/，则所需要的传热面积为： 0 F 5 . 12 5600 1070 3 0 q Q F k 管程数 N 与管子的有效长度 l 的乘积为 N，即： lc m22 . 9 36101214 . 3 5 . 12 3 Z N d F l o o c 采用管子成正三角形排列的布置方案，由热交换器原理与设计表 2.3 可取管中心距 S=16mm。对于不同的流程数 N，就有不同的管长 l 和壳体内径 Di 流程数 N 有效单管长lc 总根数 NZ壳体内径 Di 长径比/Di lc 2 4.61 72 0.170 27.16 4 2.305 144 0.240 9.6 6 1.54 216 0.294 5.24 从 Di 及/Di 的值看来，选择 4 流程是比较合理的。因为/Di 在 6-10 之间。 lclc 2.42.4 传热水平管的布置排列及平均管排数传热水平管的布置排列及平均管排数 m n 根据上面管子安排和流程数 N 的情况可知：N=4，总管子数 N=144，则 lc 传热管布置在 25 纵列内，每列管子数分别为： 4、2、4、4、6、6、8、6、8、6、8、6、8、6、8、6、8、6、8、6、6、4、4、 2、4。根据制冷原理与设备P222（9-37）得： 10 平管在垂直方向的平均管排数: nm 根01. 6 )876104622( 144 475 . 0 75 . 0 75 . 0 75 . 0 4 nm 2.52.5 传热系数的计算传热系数的计算 2.5.1 管内水侧表面换热系数 i a 根据冷却水的进出口平均温度查传热学附录 9 得：水的物性参数， m T 导热率，密度， ，运动粘度 )m( 1048.62 2 K W 3 3 . 994 m kg 976 . 4 r p 。 s m 107466 . 0 2 6 雷诺数: ，即冷却水在管内的流动19957 107446 . 0 101049 . 1 Re 6 3 i ud 4 10 状态为湍流流动。根据制冷原理与设备P225 公式(9-49)得: )m( 37.7521976. 419957 1010 1048.62 023 . 0 d re023 . 0 o2 4 . 08 . 0 3 2 i 4 . 08 . 0 C W PRai 2.5.2 管外 R22 冷凝表面换热系数 根据查制冷原理与设备附表 3 得 R22 物性参数:C o 40tk 密度，导热率，比潜热， 3 32.1131 m kg )m( 079 . 0 K W kg 88.166r kJ 动力粘度 。 3 3 1022 . 2 m sN 根据制冷原理与设备P221 公式 9-34 及 9-37 得: ， 0.25- m 0.25 00 0 n dt c）（ 取 c=0.725，根据公式 9-36 得:。查表 9-2 可知：当时，b 25 . 0 C o 40tk b=1465.9，即。 9 . 1465 gr0.25 23 25 . 0 ）（ 最后求得： ) m/(t2052 225 . 0 00 CW o ）（ 2.5.3 管内、管外污垢热阻的确定 11 冷媒水平均温度,制冷剂,水的流速，Ct o s 34Ct o 40 0 s m s m u149 . 1 根据制冷原理与设备表 9-1 查得： 管内污垢系数: W C o2 i m 00009 . 0 管外污垢系数: W C o2 o m 00009 . 0 2.5.4 传热系数 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 ；第二部分是热量经过管外污垢层,壁面,管内污垢层以及冷却水 w ttt 00 的传热过程，其传热温差 。 00 ttttt mki 第一部分热流密度: 2 75 . 0 0001 m/t2052tWq 第二部分热流密度: 2i 0 m 00 1 2 t2741 00009 . 0 11 12 398 001 . 0 10 12 )00009 . 0 37.7521 1 ( t8 . 5 d d d d ) 1 ( m W t q o ii i ( )397.8/()Wm k 铜 0.001m0.011 m dm 因为传热是串联，则有。取不同的进行试凑，计算结果如下： 12 qq o T 0 t 1 q 2 q 3.6 5735.38 6098.62 3.7 5854.46 5821.41 3.8 5972.73 5544.20 由上表可知：=3.7时，。则 0 t 12 qq 9 . 37t0 热流密度，与前面假定的只偏大 4%。 2 m 94.5837q W 2 m 5600q W 传热系数 Km W t q K m 54.1006 20 12 2.62.6 传热面积传热面积与有效管长与有效管长 l l 确定确定 of K 实际所需的换热面积 22 3 0 0 m99.11m 94.5837 1070 q Q F 初步结果设计中所需要的冷凝传热面积较传热计算传热面积大 4.3%，可 2 12.5m 作为冷凝传热面积富裕量。初步结构设计所布置的冷凝传热面积能够满足负荷 的供热要求，表明假设是可取的。 管子的有效长度mlc21 . 2 144012 . 0 14 . 3 99.11 适当增加长度，根据热交换器原理与设计P54 GB151-1999 推荐的换热管长 度，选取=2.5m lc l 2.72.7 冷却水的流动阻力冷却水的流动阻力 根据制冷原理与设备P232 公式(9-71)得： 水的沿程阻力系数:0266 . 0 19957 3164 . 0 e 3164 . 0 25 . 0 25 . 0 R 冷却水的流动阻力: PaPa PaN d l NP i 4 2 2 10594.37636 )14(5 . 1 01 . 0 5 . 2 40266 . 0 49 . 1 3 . 994 2 1 )1(5 . 1u 2 1 考虑到外部管路损失，冷却水泵总压头约为： MPaPP13763694 . 0 03763694 . 0 1 . 01 . 0 取离心水泵的效率，则水泵所需的功率为：6 . 0 水泵所需的功率:W Pq Pe vs 964 6 . 0 1013763694 . 0 10203 . 4 63 三、结构设计计算三、结构设计计算 3.13.1 筒体筒体 根据先前设计布管情况，查冷库制冷设计手册P604 无缝纲管(GB8163- 87)直径系列，可选取内径为 Di=309mm，外径为 Do=325mm，厚度 S=8mm 布管限定圆：mmbDD il 273303092 3 13 换热管长度与壳体直径之比，选用 4 个流程是合理的。809 . 8 309 . 0 5 . 2 i D lc 3.23.2 管板管板 根据制冷机工艺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=1.30。根据制冷机工艺P111 公式 1 f 2 f (6-4)得：管板厚度 12 (170.0083)1.15 1.30 (170.0083 309)29.25 i tffDmm 实际可取管板厚度 t=30mm 3.33.3 法兰法兰 根据钢制压力容器 GB150-1998P97 表 9-3 可知：取，mmLA20 18 e Lmm 则法兰外径: 4172)81820(3252)( 0 nAf LLDD 法兰厚度：mmtQf273 螺栓所在圆的直径: mmLDD nAa 381)820(23252) 0 （ 周长：mmDC aa 34.119638114 . 3 3.43.4 端盖端盖 P113 选用端盖厚度 S=8mm，连接螺栓处厚度，球面半径mm f 27 R=309mm，内球面高度0.25 30977.25 4 i i D hmmmm 外球面高度77.25885.25 oi hhSmm 圆筒高度 L 取 28mmmmDL i 9 . 308625 . 3 )%1025. 1 ( 3.53.5 支撑板支撑板 根据热交换器原理与设计P51 表 2.6 查得：支撑板厚度为 4mm，缺口高 度为 h=（20-45）%=61.8-139.05mm，取 h=共 5 块，两块板间隔 400mm，直接焊 i D 接在拉杆上。 根据热交换器原理与设计P52 表 2.7 查得：拉杆直径为 10mm 14 3.63.6 分程隔板分程隔板 管壳式换热器 GB1511999 P20-28 可得，分程隔板厚度选，分程mm8 隔板槽深 4mm 3.73.7 支座支座 由JB-T 4712.1-2007 容器支座选择鞍式支座， =300mm,=210mm,h=200mm 1 l 2 l 。mm8 3.83.8 垫片的选取垫片的选取 3.8.1 材料的选取 根据钢制压力容器 GB150-1998P95 表 9-2，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1.5mm2.75m 本次设计壳体内径 Di=309mm700mm，根据热交换器原理与设计25.5yMPa P47，可取垫片宽度 N=24mm。根据钢制压力容器 GB150-1998P96 得：垫片 基本密封宽度,垫片的有效密封宽度mmmm N b4 . 612 2 0 。 mmbb764 . 8 53 . 2 0 3.8.2 垫片压紧力作用中心圆直径 G D 因为，根据钢制压力容器 GB150-1998 ，垫片压mmmm N b4 . 612 2 0 紧力作用中心圆直径即垫片接触面外径减去 2b，即： mmbNDD iG 339764 . 8 224230922 3.8.3 预紧状态下所需要的最小压紧力： 据公式（9-1）：NbyDF GG 65.237887 5 . 25764 . 8 33914 . 3 14 . 3 操作状态下所需要的最小压紧力：(其中)1.6PMPa为冷凝设计压力 据公式（9-2）：NbmPDF Gp 56.820946 . 175 . 2 764 . 8 33928 . 6 28 . 6 3.8.4 垫片宽度校核 常温下螺栓材料的许用应力，一定温度下许用应力=105 530 b MPa t b Mpa，实际螺栓面积，则所需的垫片的最小厚度： 2 2323.1 b Amm min N 15 mmNmm yD A N G bb 24 4 . 23 5 . 2533928 . 6 530 1 . 2404 28 . 6 min 故初选的垫片厚度是符合要求的。 3.93.9 螺栓螺栓 3.9.1 螺栓的选择 根据管板的法兰以及壳体的法兰两者的厚度，并参考画法几何与机械制 图附表 11 和附表 21，选取螺栓 GB/T5782 M1690,其小径 。mm di 835.13 3.9.2 螺栓布置 根据钢制压力容器 GB150-1998得：螺栓的最大间距 max L max 6 6 27 22 1682 0.52.750.5 f Ldmm m 由钢制压力容器 GB150-1998P97 表 9-3 可知螺栓的最小间距。 min 38Lmm 由此可取螺栓间距。由前面可知螺栓所在圆的周长，75LmmmmCa34.1196 故所需螺栓数个。16 75 34.1196 L C n a 3.9.3 螺栓载荷 根据钢制压力容器 GB150-1998P97 可知：预紧状态下需要的最小载荷 : a W NbyDW Ga 65.237887 5 . 25764 . 8 33914 . 3 14 . 3 操作状态下需要的最小载荷:bmpDPDW GGP 28 . 6 785 . 0 2 6 . 175 . 2 764 . 8 33928 . 6 6 . 1339758 . 0 2 =221470.75N 3.9.4 螺栓面积 预紧状态下需要的最小面积: 2 84.448 530 65.237887 mm W A b a a 操作状态下需要的最小面积: 2 24.2109 105 75.221470 mm W A t b p p 16 因为，则需要的螺栓面积: aP AA 2 24.2109mmAA pm 螺栓的实际面积:，故螺栓个 m i b Amm dn A 2 22 1 . 2404 4 835.1314 . 3 16 4 数符合要求。 3.9.5 螺栓的设计载荷 根据钢制压力容器 GB150-1998P96-97 得，预紧状态下螺栓设计载荷 W： N AA W t b bm 236950105 2 1 . 240424.2109 2 操作状态下螺栓设计载荷: NWW p 236950 4.04.0 连接管的确定连接管的确定 4.0.1 冷却水进出口连接管 冷却水的流量，根据小型制冷装置指导书规定水 s m3 3 vs 10203 . 4 q 流速度取故冷却水进出口连接管的直径:smu/1 mmm u q di vs 73073 . 0 114 . 3 10203 . 4 44 3 查 冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管，内径为 80mm89 4.5 4.0.2 制冷剂连接管 由40、查 R22 的图(见下图)得： k t5 0 tlgPh 冷凝器入口， 2 432/hkJ kg 3 2 0.018/mkg 冷凝器出口， 4 250/hkJ kg 33 4 0.884 10/mkg 制冷剂的质量流量: skg hh Q q K m /385 . 0 42 制冷剂蒸气的体积流量: smqq mv /00693 . 0 018 . 0 385 . 0 3 22 制冷剂液体的体积流量: smqq mv /1025 . 3 10884 . 0 385 . 0 343 44 初取蒸气气流速度，则进气接管的内径： 2 12/um s 2i d 17 mmm u q d v i 1 . 270271 . 0 1214 . 3 00693 . 0 44 2 2 2 查冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管，内径5 . 232mmdi27 2 则实际蒸气气流速度: sm d q u i v / 1 . 12 4 2 2 2 2 初选制冷剂液体速度，则出液管的内径：smu/5 . 0 4 4i d mm u q d v i 8 . 28 5 . 014 . 3 1025 . 3 44 4 4 4 4 查冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管，内径5 . 232mmdi27 4 则实际制冷剂液体流速: sm d q u i v /57 . 0 4 2 4 4 4 参参 考考 文文 献献 1 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 2 吴业正.小型制冷装置