热交换器原理与设计课程设计-70KW壳管式干式蒸发器.doc

课 程 设 计 课程名称 热交换器原理与设计 题目名称70KW壳管式干式蒸发器 学生学院 材料与能源学院 专业班级 07制冷（1）班 学 号 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70KW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=70KW，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设计的课题是管壳式干式蒸发器，其中换热器的换热量=70kW，制冷剂是R22，制冷剂蒸发温度t0=2冷凝温度 过热度换热介质的进出口温度12，7,设计过程中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四分点比容来确定，其它参数很多是根据换热量的大小，然后凭借经验公式大概确定，然后严格按照国家标准校核修改，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：R22 换热器 设计 蒸发器 管壳式 干式目 录1设计课题：70KW管壳式干式蒸发器设计62主要参数：63设计过程63.1流量计算73.1.1单位质量计算73.1.2质量流量73.1.3冷媒水流量73.1.4选管73.2蒸发器结构初步规划83.2.1布管83.2.2换热面积83.3热力计算93.3.1管外换热系数的计算93.3.2 管内换热系数的计算103.3.3 制冷剂流动阻力及传热温度的计算103.3.4 传热系数及按内表面计算的热流密度123.4计算R22及冷媒水进出口面积133.4.1 R22进口面积133.4.2 R22出口面积133.4.3 冷媒水进出口面积143.5选垫片143.5.1 垫片143.5.2 垫片压紧力作用中心圆直径143.5.3垫片压紧力153.5.4垫片宽度校核153.6选螺栓与法兰153.6.1 螺栓与法兰153.6.2 螺栓载荷153.6.3螺栓面积163.6.4螺栓设计载荷163.7支座164心得体会175参考文献181. 任务书：70KW管壳式干式蒸发器设计2. 主要参数： 1、换热器制冷量=70KW 2、给定制冷剂：R22 3、制冷剂温度：蒸发温度2，冷凝温度40 4、冷媒水进口温度12，冷媒水出口温度7。3. 设计过程lgp-h图 图 1各点参数：状态点温度t()压力p(kpa)焓h(KJ/Kg)比容v(/Kg)12530.834070.0452 3401533.525042530.832500.0113.1 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： 3.1.4 选管取制冷剂质量流速：=130kg/s选用管子外径12.7，平均内径10.9的光管（见参考文献2表43）单位面积质量流速为： 可得每根管内制冷剂流量：每流程的平均管数：根3.2 蒸发器结构初步规划3.2.1 布管分四个流程，则总管数为=32.214129根，三个均分点的比容为： =0.0185,=0.026, =0.0335根据四均分点比容：相应选择各管程管数为 20：28：36：45选拉杆数为4，（见参考文献3表2.7）换热管按正三角形排列，管子中心距16mm（见参考文献3表2.3），壳体直径附近铜管数=15根，布管限定圆的直径：=1416+12.7=236.7mm（取263mm）由（且不小于8mm，取8mm）（见参考文献32.3式）得最终取壳体内径 ，厚度为10.0mm的无缝钢管（摘自GB/T 17395-2008）,弓形折流板间距且不小于50mm(见参考文献3P50)取 ， 换热管长度与壳体直径之比通常为610(见参考文献3P55) 取则管板厚度=25 (见参考文献3表2.4 P49)，折流板厚度=5 (见参考文献3表2.6 P51) 管长：L=2+（-1）+2+5得折流板数则L=2470mm 折流板上下缺口高度一般为壳体内径的2045（见参考文献3P48） 上缺口管子数根，下缺口管子数根。3.2.2 换热面积蒸发器外表面积：=0.0127129(2.470-20.025)=12.45 有效传热面积：=0.0127129(2.470-20.025-300.005)=11.683.3 热力计算3.3.1 管外换热系数的计算折流板的平均间距s S=横向流通截面积（见参考文献1式（9-78） =()s=（0.279150.0127）0.07326.48横向流速 = （见参考文献19-79式）折流板上下缺口面积 （见参考文献1式（9-77） 表9-7）由折流板上、下缺口高度、 从表9-7查得=0.183，=0.183=0.183341/4=9.94=0.18321=11.59上下缺口面积的平均值=（+）=（9.9411.59）10.765纵向流速 =（）0.3103m/s 与的几何平均值uu=0.40m/s管外换热系数冷却水平均温度 =()=(12+7)=9.5 据此温度查得水的物性数据为：=9.73,运动粘性系数=1.282，导热率=0.575W/(), 则=3962.56管外换热系数：（见参考文献1式（9-57）=0.22=0.22=3041.93W/()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），则按公式（见参考文献1式（9-48） P225页），管内换热系数为 式中（查参考文献1表9-3求得）。3.3.3 制冷剂流动阻力及传热温度的计算（1）制冷剂的流动阻力计算 R22饱和蒸汽的流速u（文献1 P237页）（2） 确定雷诺数 蒸发器出口处的蒸发温=2,据此从物性表中查得R22的参数为：密度=22.57kg/ 普朗特数Pr=0.726 运动粘性系数=0.5352将上述数据代入雷诺数的计算式中，得=（3） 沿程阻力系数 （参考文献1式9-84）（4） 饱和蒸汽的沿程阻力，按（1 式9-83）计算0.00744MPa（5） 两相流动时R22的沿程阻力=0.75（查参考文献1表9-8 P236,采用线性插入法求得） （6） 总阻力（7） 对数平均温差在2附近，压力每变化0.1MPa，饱和温度约变化5.5，因此蒸发器进口处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（1）传热系数管内侧与管外侧的污垢系数均取为，则传热系数为（见参考文献3式2.25 p58）其中管壁厚度0.9mm,为管材的导热系数380，为管子平均直径（2）按内表面计算的热流密度 用迭代法解得：=7960说明前面假定qi4000是正确的（3）传热系数的数值（4） 所需之传热面积F此值比初步规划的有效传热面积11.68约小12.24，因而初步规划中所定的尺寸有足够的裕量。3.4 计算R22及冷媒水进出口面积3.4.1 R22进口面积取R22进口流速，查1附表3得R22在时，由 得：根据无缝钢管尺寸规格(摘自GB/T17395-2008)选用的无缝钢管,实际流速为0.85m/s.3.4.2 R22出口面积取R22出口流速为, (见1附表4)由 得： （参考110-1式）根据无缝钢管尺寸规格(摘自GB/T17395-2008)，选用的无缝钢管,实际流速为13.1m/s.符合文献1表103的要求。3.4.3 冷媒水进出口面积取冷媒水进出口流速为由 得根据无缝钢管尺寸规格(摘自GB/173952008)选用的无缝钢管,实际流速为1.85m/s.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， 按7表7-1，确定以下参数：， （参考文献3）因为所以垫片有效密封宽度 （参考GB150-1998标准） 3.5.2 垫片压紧力作用中心圆直径取垫片内径为，外径，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7式（7-1）计算： b.操作状态下需要的最小垫片压紧力按7式（7-2）计算： 3.5.4 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，其值按7（7-3）校核 ，满足 选螺栓3.6 选螺栓与法兰3.6.1螺栓与法兰根据国标GB/T 9119，螺栓外径选，材料选用35号钢，GB699,正火处理，数量n=12，螺栓孔径L=26mm,螺栓孔中心圆直径K=355mm。取法兰厚度，法兰内径B=276mm，法兰外径D=405mm。3.6.2螺栓载荷a. 预紧状态下需要的最小螺栓载荷按7式（7-5）计算：b. 操作状态下需要的最小螺栓载荷按7式（7-6）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7式（7-7）计算： 操作状态下需要的最小螺栓面积按7式（7-8）计算： 需要的螺栓面积 因为实际螺栓面积，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7式（7-9）计算： 操作状态螺栓设计载荷按7式（7-10）计算： 3.7 支座按2表3-9查得支座的,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，支座厚钢板度中心处与管板外侧的距离为，则支座的位置应保证，且。取。 4 心得体会在课程设计刚开始时，由于手头上文献资料比较有限，在传热设计计算过程中，我遇到了不少的问题，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。在结构设计计算的时候，也遇到了一些问题，如管板应如何选择，端盖是选用平盖还是选用封头等问题。在我困惑的时候，经过自己与同学讨论和黄金老师提供的资料，我才能顺利地完成下面的工作。这次设计要求全部用autoCAD绘图，由于很久没用过这个软件了，所以在画图开始的过程中也出现了不少问题。经过反复的检查、核算，最终还是把图画好了。可能这次画的图还存在很多低级细微的错误吧。通过这次软件画图，我更加清楚的知道autoCAD、Pro/E软件对我们这个专业的重要性。这使我更加有兴趣学习这些软件，也坚定了我要学好这些软件的信心。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，也为下一年的毕业设计打下了一些基础。总之，这次课程设计负出了不少，收获也不少。最后，感