热交换器原理与设计课程设计-75KW壳管式干式蒸发器.doc

课 程 设 计 课程名称_ 热交换器设计 题目名称 75KW干式蒸发器设计 学生学院_ 材料与能源学院 专业班级_07级制冷与空调01班 学 号_ 学生姓名_ _指导教师_ 20 10 年 7 月 8 日广东工业大学课程设计任务书题目名称75KW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=75KW，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是设计一个热负荷为75KW的管壳式干式蒸发器，在给定换热器的换热量=75kW，制冷剂是R22，制冷剂蒸发温度 冷凝温度冷媒水进出口温度 、的条件下进行的。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，然后根据国标的有关规定大概确定，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。最终完成了一个结构合理，满足要求，材料节省合理的壳管式干式蒸发器。关键词：换热器 管壳式 干式 蒸发器 目录1设计课题：75KW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单位质量制冷量：73.1.2质量流量 ：73.1.3冷媒水流量：73.2蒸发器结构初步规划73.2.1管子的选取73.2.3布管83.2.3初选筒体83.2.4管长确定93.2.5 换热面积93.3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113.3.3 制冷剂流动阻力及传热温度的计算113.3.4 传热系数K0及按内表面计算的热流密度qi123.4 计算R22及冷媒水进出口面积143.4.1 R22进口连接管及法兰选取143.4.2 R22出口接管的选取143.4.3冷媒水进出口接管的选取153.5筒体的确定153.6折流板的确定153.7拉杆的确定163.8挡管选择与安装163.9分程隔板163.10垫片163.10.1垫片压紧力作用中心圆直径163.10.2 垫片压紧力计算163.11法兰和螺栓173.11.1法兰和螺栓的确定173.11.2螺栓载荷计算173.11.3螺栓面积计算183.11.4螺栓设计载荷183.11.5垫片宽度校核193.12管板193.13端盖的确定203. 14 支座204 心得体会215 参考文献211 设计课题：75KW管壳式干式蒸发器设计2 主要参数： 1、换热器制冷量=75KW 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 设计过程图 1各点参数：状态点温度t()压力p(kpa)焓h(KJ/Kg)比容v(/Kg) 1 2 5304060.044 2 57 440 3 40 1533.5250 4 2 530.82500.0113.1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： 冷媒水定性温度tm=9.5oC下=4.189kg/kJ3.2蒸发器结构初步规划3.2.1管子的选取选取制冷剂质量流速：=120kg/s（见参考文献3p118）选用管子外径12.7，平均内径11.4的微肋铜管（见文献1表4-3）单位面积质量流速为： 得每根管内制冷剂流：每流程的平均管数：根 取整为40根3.2.3布管各管程管数分布分四个流程，则总管数为=404160根=0.0192,=0.0276, =0.0358,=0.0440根据四均分点比容：相应选择各管程管数为 24：35：45：56换热管排布方式按正三角形排列，选取管子中心距19mm，壳体直径附近铜管数=17根，（见参考文献3，表4-3）3.2.3初选筒体 布管限定圆直径：=1619+12.7=316.7mm（取317mm）（且不小于8mm，取8mm）（见参考文献1 式2.3）得最终取壳体内径 根据GB/T 17395-2008 取系列1,外径356mm，厚度为9.0m 弓形折流板的选取及排布弓形折流板间距且不小于50mm 取 ， (见参考文献1P50)折流板厚度=4 (见参考文献3表2.6 P51) 折流板上下缺口高度一般为壳体内径的2045（见参考文献3P49） 上缺口管子数根，下缺口管子数根。 初选管板选取e型管板，配合法兰，管板延长部分兼做法兰（见参考文献3表6-6和GB151-1999，5.7）初选管板厚度=25，(见参考文献3 P48 表2.4)3.2.4管长确定换热管长度与壳体直径之比通常为610 取则(见参考文献1P55)管长：得折流板数(取整到28)则L=2280mm 3.2.5 换热面积蒸发器外表面积：=0.0127160(2.280-20.025)=14.23有效传热面积：=0.0127160(2.28-20.025-280.004)=13.51 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s S= 横向流通截面积（见参考文献2式9-78） =()s=（0.338170.0127）0.07218.80 横向流速 =折流板上下缺口面积 （见参考文献2式9-77和表9-7）由折流板上、下缺口高度、 从表9-7查得=0.155，=0.155=0.155241/4=0.0203=0.15531=0.0194上下缺口面积的平均值=（+）=（0.02030.0194）0.0198纵向流速 =0.181m/s 与的几何平均值uu=0.271m/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=1.330，导热率=0.573W/(), 则=2587.74管外换热系数：（见参考文献2式（9-57）=0.22=0.22=2347.49W/()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，则按公式（见参考文献2式9-48），管内换热系数为式中（见参考文献2表9-3）。考虑到微肋管的传热强化效果，乘以系数2.0，（见参考文献3 微肋管图表）则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u 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=0.5352将上述数据代入雷诺数的计算式中，得= 沿程阻力系数，柯列勃洛克公式适用代入Re后求得（见参考文献7P117式5-35） 饱和蒸汽的沿程阻力，（见参考文献2 式9-83）0.00428 MPa 两相流动时R22的沿程阻力=0.698（见参考文献2表9-8 P236,采用线性插入法求得） 总阻力 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K0及按内表面计算的热流密度qi 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1 p59式2.25）其中管壁厚度0.6mm,为管材的导热系数380，为管子平均直径 按内表面计算的热流密度 用迭代法解得：=6908前面假定qi4000是符合的 传热系数的数值 所需之传热面积F0此值比初步规划的有效传热面积13.51约小10.4，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进口连接管及法兰选取取R22进口流速，根据制冷原理与设备，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5.50m/s。根据GB9119-2000选取公称通径为32mm，外径120mm，螺栓孔中心圆直径为90mm，螺栓孔径为14mm的法兰。螺栓规格为M12，数量43.4.2 R22出口接管的选取取R22出口流速为, (见参考文献2附表4)由 得：根据GB/T17395-2008无缝钢管尺寸规格，选用的无缝钢管,实际流速为10.94m/s.符合文献1表103的要求根据GB9119-2000选取公称通径为50mm，外径140mm，螺栓孔中心圆直径为110mm，螺栓孔径为14mm的法兰。螺栓规格为M12，数量43.4.3冷媒水进出口接管的选取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/T81621987)选用的无缝钢管,实际流速为1.82m/s.根据GB9119-2000选取公称通径为50mm，外径140mm，螺栓孔中心圆直径为110mm，螺栓孔径为14mm的法兰。螺栓规格为M12，数量43.5筒体的确定在设计工况下，p0=0.53Mp时，计算压力P=1.43Mp根据国家标准钢制压力容器GB150-1998.，表4-3，壳体采用10号钢,在温度小于20OC时，钢材允许压力=112MPa.筒体计算厚度为（焊接系数=1.0）取钢材厚度负偏差C1=1.0mm,钢材腐蚀裕量C2=2.0mm厚度附加量为C= C1 + C2 =3.0mm,现取=9.0mm，有效厚度为6mm, 所求得=12.3Mpa，前面所选3569适合。3.6折流板的确定选取折流板厚度=4，折流板数目为28个,折流板上下缺口高度 ， 上缺口管子数根，下缺口管子数（见参考文献3关于折流板的选取）3.7拉杆的确定根据热交换器原理表2.7，选拉杆直径，数目为4根(见参考文献1表2.7)3.8挡管选择与安装每隔3-4排安装一根，总共需要根数为3根。安置于相应分程槽后面，用点焊的方法固定于折流板上(见参考文献1关于挡管选取的原则)3.9分程隔板根据GB151-1999,5.2.3，选取厚度为，口沿厚度，共3块3.10垫片根据GB150-1998钢制压力容器9.5，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， 确定以下参数：，因为所以垫片有效密封宽度 3.10.1垫片压紧力作用中心圆直径因为根据垫片选取原则，垫片压紧力中心圆直径3.10.2 垫片压紧力计算 根据GB150-1998钢制压力容器式9-1，9-2 A，预状态下需要的最小垫片压紧力计算 B，操作状态下需要的最小垫片压紧力计算 3.11法兰和螺栓3.11.1法兰和螺栓的确定根据GB9119-2000平面、突面板式平焊钢制法兰，表4，在已知筒体外径情况下，选取系列1法兰，公称通径DN=350 mm，法兰外径D=520 mm，螺栓孔中心圆直径K=470 mm，f=2 mm,法兰厚度C=35 mm，法兰内径B=359.5 mm，法兰径向尺寸LA=27mm，LC=26mm螺栓孔径=26 mm，螺栓数量n=16,螺纹规格M=24，材料选用35号钢，GB69，正火处理。螺栓最小间距Lmin =56mm螺栓最大间故所选取螺栓间距为92mm满足要求 螺栓数量为n=163.11.2螺栓载荷计算按GB150-1998钢制压力容器式9-4,9-5A,预紧状态下需要的最小螺栓载荷B.操作状态下需要的最小螺栓载荷3.11.3螺栓面积计算根据GB150-1998钢制压力容器表4-7选取35号钢（GB699）正火，常温下材料许用应力为,安全系数2.7，则按GB150-1998钢制压力容器式9-6，9-7预紧状态下需要的最小螺栓面积计算：操作状态下需要的最小螺栓面积计算： 需要的螺栓面积（因为）实际螺栓面积，故满足要求3.11.4螺栓设计载荷按GB150-1998钢制压力容器式9-8，9-9预紧状态螺栓设计载荷计算： 操作状态螺栓设计载荷计算： 3.11.5垫片宽度校核 按GB150-1998钢制压力容器9.5，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，其值校核如下 满足条件，校核成功3.12管板根据GB151-1999，5.7和参考文献3p111表6-6，选取e型管板。管板延长部分兼做法兰，配合平面板式平焊钢制管法兰（GB9119-2000），管板厚度=25 ，管板与管子连接采用焊接法。3.13端盖的确定选取椭圆形封头端盖，主要参数L=30mm,R=338mm,壁厚S=9mm（见参考文献3P112）3. 14 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 通过这次课程设计，让我的学习生涯更加充实了，也进一步增强了自己的团队合作意识，。主要表现在以下几个方面：首先，通过查阅相关资料，包括换热器原理与设计、制冷原理、工