换热器课程设计-50KW水冷式冷凝器.doc

0 目目 录录 一、设计题目及原始数据.1 1.1 设计题目.1 1.2 原始数据.1 二、冷凝器的传热设计计算.1 2.1 换热管管型的选择.1 2.2 冷却水流量和平均传热温差的确定.1 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.2 2.4 传热水平管的布置排列及平均管排数.2 m n 2.5 传热系数的计算.3 2.5.1 管内水侧表面换热系数.3 wi 2.5.2 管外 R22 冷凝表面换热系数.3 ko 2.5.3 管内、管外污垢热阻的确定.4 2.5.4 传热系数.4 o K 2.6 传热面积与有效管长L确定.5 of K 2.7 冷却水的流动阻力.5 三、结构设计计算.6 3.1 筒体.6 3.2 管板.6 3.3 法兰.6 3.4 端盖.6 3.5 支撑板.7 3.6 支座.7 3.7 垫片的选取.7 3.7.1 材料的选取.7 3.7.2 垫片压紧力作用中心圆直径.8 G D 3.7.3 预紧状态下所需要的最小压紧力：.8 3.7.4 垫片宽度校核.8 3.8 螺栓.8 3.8.1 螺栓的选择.8 3.8.2 螺栓布置.9 3.8.3 螺栓载荷.9 3.8.4 螺栓面积.9 3.9 连接管的确定.10 3.9.1 冷却水进出口连接管.10 3.9.2 制冷剂连接管.10 参 考 文 献 .12 设计心得.13 1 一、设计题目及原始数据一、设计题目及原始数据 全套图纸加扣 3012250582 1.1 设计题目设计题目 壳管式冷凝器 1.2 原始数据原始数据 冷凝器换热量 制冷剂 R22，制冷剂冷凝温度、假定蒸50 k QKW40 k T 发温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度 0 5T 1 32T 2 36T 二、冷凝器的传热设计计算二、冷凝器的传热设计计算 2.1 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，选用规格为的管铜管，其内12 1.0 径10 i dmm 2 2.2 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： 12 34 2 m TT T 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 21 50 994.3 4.1743632 k vs p Q q cTT 33 3.014 10/ms 平均传热温差 3632 5.78 4032 ln 4036 m T 2.3 确定每流程管数确定每流程管数 Z，有效单管长，有效单管长 l 及流程数及流程数 N 2.3.1 根据小型制冷装置设计指导P67，初选冷却水流速度水1.5/um s 则每管程的管子数 3 22 44 3.014 10 25.93 3.14 1.5 0.01 vs i q Z ud 根 取管子数 Z=26 根 实际水流速度 2 4 1.48/ vs i q um s d Z 2.3.2 假定热流密度，则所需要的传热面积为： 2 0 5800/qWm 0 F 2 0 2 50 8.62 5.8/ kW Fm kWm 管程数 N 与管子的有效长度 l 的乘积为 Nl，即： 2 0 0 8.62 8.80 3.14 26 0.012 Fm N lm d Zm 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 l总根数 NZ壳体内径 Di长径比 l/Di 24.40520.1824.41 42.201040.258.63 61.471560.314.70 81.102080.363.05 从 Di 及 l/Di 的值看来，选择 4 流程是比较合理的。因为 l/Di 在 6-10 之间。 3 2.4 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 Nl=208，则 传热管布置在 35 纵列内，每列管子数分别为： 2、2、2、2、4、4、4、6、4、6、4、6、4、6、4、6、4、6、4、6、4、4、4、 4、2、2、2、2。根据制冷原理与设备P222（9-37）得： 水平管在垂直方向的平均管排数 4 0.750.750.75 104 8 213 47 6 m n =4.65 根 2.5 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管内水侧表面换热系数 wi 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 运动粘度 2 62.48 10/()Wm k 4.976 r P 62 0.7466 10/ms 雷诺数 ，亦即冷却水在管内的流动状态 3 4 6 1.48 10 10 19832.210 0.7466 10 i e ud R 为湍流流动。根据制冷原理与设备P225 公式(9-49)得: 管内水侧表面换热系数 2 0.80.40.80.42 62.48 10 0.0230.02319832.24.9767483.75/() 0.01 wier i RPWmK d 2.5.2 管外管外 R22 冷凝表面换热系数冷凝表面换热系数 ko 根据查制冷原理与设备附表 3 和传热学附录 9（P563）40 k T 得: 时 R22 物性参数40 k T 密度,导热率，比潜热 3 1131.32/kg m0.0798/()Wm k166.88/rkJ kg 动力粘度 32 2.22 10/N S m 3.67 r P 根据制冷原理与设备P222，由表 9-2 和公式（9-36）得： 4 表面凝结换热系数 ；b=1465.9 0.25 1 () co oo cb T d 其中 0.725c 0.012 o dm 则 0.250.25 0.75 1465.9 0.012 coo T 根据根据制冷原理与设备P221 公式(9-37)得：管外凝结表面平均传热 系数 0.250.250.250.25 6.253428.92167.64 komcooo nTT 2.5.3 管内、管外污垢热阻的确定管内、管外污垢热阻的确定 冷却水进出口平均温度，凝温度，根据制冷原 12 34 2 m TT T 40 k T 理与设备表 9-1 查得：管内污垢热阻 42 0.9 10/ i rmK W 管外污垢热阻 42 0.9 10/ o rmK W 2.5.4 传热系数传热系数 o K 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 okwo TTT 的传热过程，其传热温差 (其中是管外污垢外壁 iwommo TTTTT wo T 面的温度, )397.8/()Wm k 铜 0.001m0.011 m dm 第一部分热流密度 0.75 1 2167.64 kooo qTT 第二部分热流密度 2 1 i oo io wiim T q dd rr dd 铜 44 5.78 1120.001 12 0.9 100.9 10 7483.7510397.8 11 o T 2772.06(5.78) o T 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 5 o T 1 q 2 q 33677.5310468.31 3.55595.454929.53 3.65714.936037.28 3.685809.925815.73 3.75833.585760.34 由上表可知：=3.68时，。则 o T 12 qq36.32 woko TTT 热流密度，与前面假定的 2 12 5809.91 5821.33 5815.62/ 22 o qq qWm 只偏大 2.2%。 2 5800/Wm 传热系数 2 5815.62 1005.68/() 5.78 o o m q KWmk T 2.6 传热面积传热面积与有效管长与有效管长 l 确定确定 of K 实际所需的换热面积 22 2 50 7.088.65 5815.62/ k ofo o QKW FmFm qWm 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小 15%，可 2 8.33m 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 8.62 2.20 3.14 0.012 104 of o F lm d NZ 适当增加长度，根据热交换器原理与设计P55 GB151-1999 推荐的换热管长 度，选取 =2.5ml 2.7 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 0.250.25 0.31640.3164 0.0267 19832.2 e R 冷却水的流动阻力 2 1.5 (1) 2 i uNl pN d 6 2 994.3 1.480.0267 4 2.5 (1.5 5) 20.01 37242.34Pa 考虑到外部管路损失，冷却水泵总压头约为 0.1ppMpa 0.037242340.10.13724234MPaMPaMPa 取离心水泵的效率，则水泵所需的功率为：0.6 水泵所需的功率 36 6.024 10 0.13724234 10 1.378 0.6 vs qP PeKW 三、结构设计计算三、结构设计计算 3.1 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=259mm，外径为 Do=273mm，厚度 S=7mm 3.2 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 259)26.04 i tffDmm 实际可取管板厚度 t=26mm 3.3 法兰法兰 根据钢制压力容器 GB150-1998P97 表 9-3 可知：取，24 A Lmm 18 e Lmm 则法兰外径() 2273(24 18) 2357 foAe DDLLmm 7 法兰厚度330327 f Qtmm 螺栓所在圆的直径22732 24321 aoA DDLmm 周长3.14 3211007.94 aa CDmm 3.4 端盖端盖 根据制冷机工艺P113 选用端盖厚度 S=8mm，连接螺栓处厚度 ，球面半径 R=259mm，内球面高度20 f mm0.25 25964.75 4 i i D hmmmm 外球面高度64.75872.75 oi hhSmm 圆筒高度 ；（选 L=7.7%）7.7%0.0077 25920 i LDmm 3.5 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 10mm，直接 焊接在拉杆上。 根据热交换器原理与设计P52 表 2.7 查得：拉杆直径为 10mm 3.6 支座支座 由小型制冷装置设计指导P75 表 3-9 得：支座尺寸，280Lmm 支座底线离壳体外壁面高度为 80mm。200Kmm 8 3.7 垫片的选取垫片的选取 3.7.1 材料的选取材料的选取 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)，压紧面形状选：1a 型，厚度，垫片系数1.5mm ，比压力本次设计壳体内径 Di=309mm700mm，根据热2.75m 25.5yMPa 交换器原理与设计P47，可取垫片宽度 N=26mm。根据钢制压力容器 GB150- 1998P96 得：垫片基本密封宽度136.4 2 o N bmmmm 垫片的有效密封宽度 2.532.53 139.12 o bbmmmm 3.7.2 垫片压紧力作用中心圆直径垫片压紧力作用中心圆直径 G D 因为，取垫片接触面外径，根据钢制136.4 2 o N bmmmm294 fo Dmm 压力容器 GB150-1998P96，垫片压紧力作用中心圆直径即垫片接触面外径减 去 2b，即22942 9.12277.76278 Gfo DGbmmmm 9 3.7.3 预紧状态下所需要的最小压紧力：预紧状态下所需要的最小压紧力： 3.143.14 278 9.12 25.5206006.28 GG FD byN 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 6.286.28 278 9.12 2.75 1.670057.07 PG FD bmPN 3.7.4 垫片宽度校核垫片宽度校核 常温下螺栓材料的许用应力，设计温度下螺栓的许用应力 530 b MPa ，实际螺栓面积，则所需的垫片的最小厚度： 117 t b MPa 2 2323.1 b Amm min N min 2323.1 530 17.026 6.286.28 278 25.5 bb G A Nmmmm D y 故初选的垫片厚度是符合要求的。 3.8 螺栓螺栓 3.8.1 螺栓的选择螺栓的选择 根据法兰及端盖的厚度，参考画法几何与机械制图P369 附表 2-1，选 取螺栓 GB/T5782 M16x80，其中小径，0.85 1613.84 i dmmmm 3810.18bmmmm 3.8.2 螺栓布置螺栓布置 根据钢制压力容器 GB150-1998P97 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，75Lmm1171.22 a Cmm 10 故所需螺栓数 1171.22 16 75 a C n L 个 3.8.3 螺栓载荷螺栓载荷 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 3.143.14 278 9.12 25.5203006.28 aG WD byN 操作状态下需要的最小载荷 2 0.7856.28 PGG WDPD bmP 2 0.785 2781.66.28 278 9.12 2.75 1.6 167125.7715N 3.8.4 螺栓面积螺栓面积 预紧状态下需要的最小面积 2 203006.28 383.03 530 a a b W Amm 操作状态下需要的最小面积 2 167125.78 1428.43 117 P P t b W Amm 因为，则需要的螺栓面积 aP AA 2 1428.43 mP AAmm 螺栓的实际面积，故螺栓个数符 22 2 16 3.14 13.6 2404.07 44 i bm n d AmmA 合要求。 3.8.5 螺栓的设计载荷螺栓的设计载荷 根据钢制压力容器 GB150-1998P96-97 得，预紧状态下螺栓设计载荷 W： 1428.432404.08 117224201.3 22 mb b AA WN 操作状态下螺栓设计载荷224201.3 P WWN 11 3.9 连接管的确定连接管的确定 3.9.1 冷却水进出口连接管冷却水进出口连接管 冷却水的流量，水流速度，故冷却水进 33 3.014 10/ vs qmS 1.48/um S 出口连接管的直径 3 44 3.014 10 50.93 3.14 1.48 vs i q dmm u 查 冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管，内径为 51mm57 3.0 3.9.2 制冷剂连接管制冷剂连接管 由、查 R22 的图(见下40 k T 0 5T lgPh 图)得： 冷凝器入口， 2 439/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 24 50 0.275/ 432250 K m Q qkg s hh 制冷剂蒸气的体积流量 33 22 0.275 0.0184.95 10/ vm qqms 制冷剂液体的体积流量 343 44 0.275 0.884 102.43 10/ vm qqms 初取蒸气气流速度，则进气接管的内径： 2 10/um s 2i d 3 2 2 2 44 4.95 10 23.96 3.14 12 v i q dmm u 查冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管，内径32 3.0 2 25 i dmm 则实际蒸气气流速度 3 2 2 22 2 44 4.95 10 9.82/ 3.14 0.025 v i q um s d 进夜管法兰的选取进夜管法兰的选取 由GB-T_9119-2000_平面、凸面板式平焊钢制管法兰得： 12 初选制冷剂液体速度，则出液管的内径： 4 1/um s 4i d 4 4 4 4 44 2.43 10 17.2 3.14 1 v i q dmm u 查冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管，内径22 2.0 4 18 i dmm 则实际制冷剂液体流速 4 4 4 22 4 44 2.43 10 1/ 3.14 0.0172 v i q um s d 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.小型制冷装置设计指导M.北京：机械工业出版社,1999. 3 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. 13 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 沈维道等 工程热力学（第三版）.M. 北京：高等教育出版社，2001. 6 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、空气调节、钢制压力容器 GB150-1998、石棉橡胶板 GBT3