热交换器原理与设计课程设计-60KW满液式蒸发器.doc

课课 程程 设设 计计 课程名称 换热器课程设计 题目名称 60KW 满液式蒸发器 学生学院 材料与能源学院 专业班级 制冷 0701 班_ 学 号 学生姓名 指导教师 2010 年 7 月 8 日 广东工业大学课程设计任务书 题目名称 60KW 满液式蒸发器 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 设计一台制冷机用满液式蒸发器。蒸发器制冷量=60KW，制冷剂温度： 0 Q 蒸发温度2，冷凝温度40，制冷剂为 R22。冷媒水进口温度 0 t k t 12，冷媒水出口温度7。 1 t 1 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， 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. 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： 课程设计总说明课程设计总说明 本课程设计目的是设计一台制冷机用满液式蒸发器。设计是按蒸发器制冷 量=60KW，制冷剂温度：蒸发温度2，冷凝温度40，制冷剂为 0 Q 0 t k t R22。冷媒水进口温度12，冷媒水出口温度7的条件下进行。 1 t 1 t 本次设计过程主要包括热力计算，传热计算，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。整个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度校核。本次设计的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、管 板和垫片等零部件的选取。本次设计涉及了传热学 制冷原理与设备 热 交换器原理与设计 流体力学以及画法几何等多学科的基础知识和工艺 参数的选择。通过这些计算，设计出一个两流程的，换热管长度与壳体内径之 比为 9.58 的满液式蒸发器。 关键词关键词：蒸发器，满液式，传热设计，流动阻力计算，结构设计，强度计算 目目 录录 1 1 设计主题及主要设计参数设计主题及主要设计参数 .4 4 1.1 设计课题：60KW 满液式蒸发器.4 1.2 主要设计参数.4 2 2 设计计算设计计算.4 4 2.1 热力计算.4 2.1.1 制冷剂流量.4 2.1.2 冷媒水流量.1 3 3 传热计算传热计算 .1 1 3.1 初步选取换热管.1 3.2 换热系数计算.2 3.2.1 蒸发器中污垢热阻.2 3.2.2 管内换热系数计算.2 3.2.3 管外换热系数计算.3 3.3 传热系数 0 K 的计算.3 3.4 传热面积及换热管长的确定.5 4 4 结构计算结构计算 .5 5 4.1 换热管布置设计.5 4.2 壳体设计计算.6 4.3 校验换热管与管板结构合理性.7 4.4 零部件结构尺寸设计.7 4.4.1 管板尺寸设计.7 4.4.2 法兰规格尺寸计算.8 4.4.3 端盖.8 4.4.4 分程隔板.9 4.4.5 支座.9 4.4.6 支撑板与拉杆.9 4.4.7 垫片尺寸设计.10 4.4.8 螺栓尺寸设计.10 4.4.9 连接管尺寸设计.11 5 5 流动阻力计算流动阻力计算 .1212 6 6 结构设计讨论分析结构设计讨论分析 .1313 7 7 设计心得体会设计心得体会 .1313 参考文献参考文献 1 设计主题及主要设计参数设计主题及主要设计参数 1.1 设计课题：设计课题：60KW 满液式蒸发器满液式蒸发器 1.2 主要设计参数 蒸发器制冷量=60KW 0 Q 制冷剂选定为 R22 蒸发温度2 0 t 冷凝温度40 k t 冷媒水进口温度12 1 t 冷媒水出口温度7。 1 t 2 设计计算设计计算 2.1 热力计算热力计算 2.1.1 制冷剂流量 制冷剂 R22 的 lgp-h 图如下所示： 图 2-1 R22 的 lgp-h 图 根据参考资料1制冷原理及设备P341 页附表 13 R22 饱和液体及蒸汽 的热力性质查得：P0=530.83kPa，h1=406.084KJ/Kg，h3=h4=249.686KJ/Kg 制冷剂流量： s kg s kg hh Q qm384 . 0 686.249084.406 60 41 0 2.1.2 冷媒水流量 水的定性温度： ts=（12+7）/2=9.5 根据参考资料2传热学P563 页附录 9 饱和水的热物理性质查得： =999.71kg/m3,cp=4.192KJ/(KgK) 冷媒水流量： s m s m Q P 3 3 3 11 0 vs 1086 . 2 )712(192 . 4 71.999 60 )tt (c q ” 3 传热计算传热计算 3.1 初步选取换热管初步选取换热管 本设计初步采用外螺纹管。根据参考资料3小型制冷装置设计指导 P71 页换热管选用斜翅低翅片管较为合适，由表 3-4 低翅片管的结构参数选取 序号 1，规格 16mm1.5mm（分别为直径和壁厚）的紫铜管，结构如图 2-2 所 示。 查得参数如下： ，mm25 . 1 sfmm223 . 0 t mm86.15dtmm5 . 1h mm11di mm86.12db 每米管长管外表面积： m m 15 . 0 a 2 of 螺纹管增强系数：35 . 1 再根据参考资料2传热学P555 页附表 2 查得，铜管导热系数： )m( 398 02 C W 图 2-2 外螺纹管结构图 3.2 换热系数计算换热系数计算 3.2.1 蒸发器中污垢热阻 冷媒水平均温度,制冷剂蒸发温度。由参考资料3Ct o s 5 . 9Ct o 2 0 P67小型制冷装置设计指导知，冷却介质流速在范围内为宜。因 s m 5 . 21 此，水的流速暂取，根据参考资料1制冷原理及设备 s m s m u15 . 1 P198 页表 9-1 换热器传热表面的污垢系数查得： 管外污垢系数： W C o2 5 o m 109 管内污垢系数： W C o2 5 i m 105 . 4 3.2.2 管内换热系数计算 冷媒水的定性温度： 5 . 9 2 712 2 t 1 1 tt m 根据参考资料2传热学P563 页附录 9 饱和水的热物理性质查得： P=1196.2pa，kg/m ，9.73， 71.999 3 r pkmw /10285.57 2 s/m10330 . 1 26 水的流速： s m u5.1 则每流程管子数：07.20 5 . 1101114. 3 1086 . 2 4 d q4 62 3 2 vs u Z i 取整数 Z=20 时，冷媒水的实际流速为： s m s m zd q u i vs 51 . 1 20101114 . 3 1086 . 2 44 62 3 2 对于管内流体： 12489 10330 . 1 101151 . 1 Re 6 3 i ud 由于 Re 大于 10000，属于旺盛湍流，则按管内强制对流换热： 18.8673 . 9 12489023 . 0 re023 . 0 u 3 . 08 . 03 . 08 . 0 PRN 则管内换热系数： )m( 4488 )( 1011 10285.57 18.86 d o2o2 3 2 i C W Cm W Nuai 3.2.3 管外换热系数计算 进出口截面传热的对数平均温差： CC t tt t Oo m 213 . 7 5 10 ln 510 t ln min max minmax 则按经验公式管外换热系数： （的单位为 kpa）,其中 45 . 0 0 82 . 0 00 2 . 3P 0 p2 0000 ww ttt 82 . 0 w0 45. 082. 0 0w00 2t09.1206530830tt2 . 3）（）（ 3.3 传热系数传热系数的计算的计算 0 K 传热过程由两部分组成： 第一部分是热量传递给制冷剂的传热过程，其传热温差为； 0 第二部分是热量经过管外污垢层、管壁、管内污垢层以及冷媒水的传热过程。 第一部分热流密度： 82 . 1 00 45 . 0 0 82 . 0 00 )2(09.12062 . 3 w tPq 根据参考资料1制冷原理及设备P200 页式 9-22 得第二部分热流密度： ， 0 00 0 1 () m ff i iim q FF rr FF ）（ 0im dd 2 F 其中， 冷凝温度与管外壁温之差 m 管内外对数平均温差 0 管内污垢热阻 i 管外污垢热阻 0 管壁厚度 铜导热系数，取 2 398/()w mc 每米管长管外表面积 f0 F 每米管长管内表面积 i F 每米管长管面平均面积 m F 代入数据得： 2 5 3 5 0013 . 0 5 . 9 109 04239 . 0 15 . 0 398 10223 . 0 03454 . 0 15 . 0 )105 . 4 4488 1 ( 5 . 9 ) 1 ( m W t t F F F F t q wo wo o m of i of i i i 根据设计要求，用试算法估算的值确定热流密度。具体估算数值如表 2-1 wo t 表表 2-12-1 / wo t C o54.543.9983.994 q/ 2 m W 8907.186391.914258.484250.734235.25 / q 2 m W 3461.543846.154230.774232.314235.38 由表格数据可知：当时，两者热流密度相差最小，Ctwo o 994 . 3 因此取,，故传热系数：Ctwo o 994 . 3 2 m 38.2354q W Km W t q K m 587.187 20 3.4 传热面积及换热管长的确定传热面积及换热管长的确定 根据热流密度 q 可求得传热面积： 22 3 0 0 m17.14m 38.4235 1060 q Q F 管子有效长度：,代入数据得：，根据参 t0f 0 c nZF F l m362 . 2 20215 . 0 17.14 lc 考资料7管壳式换热器 GB151-1999 推荐的换热管长度取管长为 2.5m 管程数 N 与管子的有效长度 l 的乘积为 Nl ，即： cc 72 . 4 2015 . 0 17.14F Nl 0 0 c ZF f 考虑到满液式蒸发器的上面部分不能布管，实际的壳体直径大于估算的壳体直 径，换热管长度与壳体直径之比一般在 6-10 之间，故选管程数为 2 程计算。 4 结构计算结构计算 4.1 换热管布置设计换热管布置设计 选用 1-2 型结构，由前面的计算知换热管子数目为 Z=20 根；换热管采用正 三角形与正方型的组合排列方式；管板上管孔中心间距 s，按参考资料4热 交换器原理与设计P45 页表 2.3 换热管中心距，取 s=22mm；分程隔板槽两侧 相邻管中心距；又根据参考资料4热交换器原理与设计P50 页，mm35l E 换热管外径 14d25，取 4 根拉杆，直径=12mm。 n d 换热管在管板上的分布如下图所示： 图 3-1 管板布管图 4.2 壳体设计计算壳体设计计算 根据参考资料4热交换器原理与设计P46 页，对于固定管板式，U 型 管式热交换器的布管限定圆直径为： 3iL b2DD 其中，为管束最外层换热管表面至壳体内壁的最短距离，=2.5d 且不小于 3 b 3 b 8mm。在本设计中，=2.5d=0.25 16=4mm8mm，所以取=8mm。 3 b 3 b 由换热管在管板上的分布图可知布管限定圆直径217.28mm，代入上 L D 式得：故壳体内径为： =233.28mm 3Li b2DD 根据参考资料6钢制压力容器标准 GB150-1998 选取换热器壳体外径： D=273mm，壁厚mm6 所以，壳体内径为：mm26162273Di 4.3 校验换热管与管板结构合理性校验换热管与管板结构合理性 热交换器管束外缘直径受壳体内径的限制，在设计时要将管束外缘置于布 管限定圆内。对于满液式蒸发器，根据参考资料1制冷原理及设备P205 页 “最外部孔的边缘与外壳内表面的距离不应小于 5mm” ，布管限定圆直径 。对于上述换热管布置设计由几何关系得出管束外mm25110261mmDL）（ 缘直径，符合要求。mmmm25128.217 根据参考资料4热交换器原理与设计P54 页换热管长度与壳体内径之 比通常为之间，在本设计中，因此，选用两个1061058. 9 261 2500 0 D lc 流程是合理的。 4.4 零部件结构尺寸设计零部件结构尺寸设计 零部件结构尺寸设计包括：管板、端盖、分程隔板、支撑板、拉杆、连接 管、支座、垫片和螺栓。 4.4.1 管板尺寸设计 管板选用固定管板式，两端管板直接焊于外壳上并延伸到壳体周围之外兼 作法兰，管板与传热管的连接方式采用胀接法。 根据参考资料4P48 页表 2.4 管板最小厚度用于一般场合下，应不小于 0.75，又根据参考资料3小型制冷装置设计指导表 3-8 换热管外径为 0 d 0 d 16mm，且采用胀接法时，管板最小厚度不小于 13mm。再根据参考资料6P111 页表 6-6，查得与管子连接方式有关的系数=1.15,与管板兼作法兰有关的系数 1 f =1.00，由经验公式 6-4 得管板厚度： 2 f = (17+0.0083)=1.151.00(17+0.0083261)=22.0mm13mm， 1 f 2 f i D 取=24mm。 管孔直径：根据参考资料3小型制冷装置设计指导表 3-5 管径、管孔直径 及允许偏差 P72 页，查得换热管外径及管孔直径允许偏差： 换热管外径=16mm，允许偏差为 0 d 0 16 . 0 管板管孔直径=16.2mm，允许偏差为 p d 05 . 0 10 . 0 4.4.2 法兰规格尺寸计算 图 3-2 管板法兰 取法兰外径：D=+（S+）2=273+（24+18）2=357mm 0 D e S 法兰厚度：=24-5-3=16mm, f 螺栓所在圆的直径：=+S2=273+242=321mm, a D 0 D 周长：=3213.14=1007.94mm。 a CD 4.4.3 端盖 根据参考资料6制冷机工艺表 6-8 P113 页， 选椭圆形端盖，厚度 S 选为经济壁厚 6mm。如图所示的内高起部分，mmDh i 25.6526125 . 0 25 . 0 4 此时端盖的椭圆长轴 R 等于筒体的内径，连接螺旋处的厚度为mmDi261 20mm。圆筒部分长度，一般为 2560mm，取 25mm。 i DL)%1025. 1 ( 图 3-3 椭圆形封头 4.4.4 分程隔板 根据参考资料6表 6 P20 页，分程隔板厚度选，分程隔板槽深mm8 4mm 图 3-4 分层隔板槽 4.4.5 支座 根据参考资料3小型制冷装置设计指导表 3-9 支座尺寸 P75 页，确定 支座尺寸:L=240mm，K=160mm。 4.4.6 支撑板与拉杆 由前面选得拉杆直径取=12mm，数量取 4 根。 n d 管长 l=2.5m，根据参考资料4热交换器原理与设计表 2.5、2.6 P50 页 可知，当换热管=16mm 时，换热管最大无支撑跨距为 1100mm，故可取支撑 0 d 板厚度为 10mm,直接焊在拉杆上固定。本设计取支持板数量为 2。 图 3-5 拉杆 4.4.7 垫片尺寸设计 根据垫片标准表 7-1、7-2，选择石棉橡胶板;厚度为 =1.5mm，p=1.569MPa;参数为：垫片系数 m=2.75，比压力 y=25.5Mpa。根据 参考资料4热交换器原理与设计P46 页，本设计筒体内径=261mm700 i D mm 时，可选，故可取垫片宽度 N=12mm。垫片基本密封宽度1013N ，垫片的有效密封宽度， 0 66.4 2 N bmmmm 0 6bbmm ，所以垫片压紧力作用中心圆直径即为垫片接触面的平 0 66.4 2 N bmmmm 均直径，即=273+12+62=287mm. G D 预紧状态所需的最小压紧力： =3.14 =3.14287625.5=137881N G F G Dby 操作状态下所需的最小压紧力： =6.2828762.751.569=46660.4 N6.28 pG FDb mp 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。所需的垫片的最小厚度： min N min 2103.6 196.3 8.9812 6.286.28 287 25.5 b b G A NNmm Dy 其中，常温下的强度指标=530MPa,安全系数=2.7，故许用应力 b N ，一定温度下的许用应力，实际螺栓 530 196.3 2.7 b b Mpa n 117 t b MPa 面积=2103.6，所以最初选的垫片厚度符合要求。 b A 2 mm 4.4.8 螺栓尺寸设计 （1）螺栓的布置 a 根据法兰及端盖的厚度，参考资料5 P338 页，选螺栓 GB/T5782 M1660，其小径=13.6mm。螺栓的最小间距应满足扳手操作空间的要求，由 i d 螺栓的直径，可以查得。18S24S e ， b.螺栓的最大间距=216+=61.5mm，其中， max 6 2 0.5 f b Sd m 6 16 2.750.5 为法兰厚度，为公称，螺栓直径因为螺栓所在圆的周长=1007.94mm， f b d a C 取螺栓间距为 65mm，故所需要的螺栓数=15.5 个，取整 16 个。 1007.94 65 n （2）螺栓的最小载荷 预紧状态下需要的最小载荷： NbyDWa G 137881 5 . 25628714 . 3 14 . 3 操作状态下需要的最小载荷： = p W 2 0.7856.28 GG D pD bmp =0.785287 1.569+6.2828762.751.569=148111.4 N 2 （3）螺栓的面积 预紧状态下需要的最小面积：= a a b W A 2 137881 702.4 196.3 mm 操作状态下需要的最小面积： 2 148111.4 1265.91 mm 117 p pt b W A 需要的螺栓面积：= = m A p A 2 1265.91 mm 螺栓的实际面积：， 22 2 16 3.14 13.835 2404.07 mm 44 i bs n d AA 故符合要求。 （4）螺栓的载荷 预紧状态下：= 2 mb AA W b 1582.22103.6 196.3361761 2 N 操作状态下：W=185116N p W 4.4.9 连接管尺寸设计 (1)制冷剂连接管 根据参考资料1制冷原理及设备P341 页附表 13 R22 饱和液体及蒸汽 的热力性质查得：2时， 0 t kg m 1078249 . 0 v 3 3 1 kg m 102702.44V 3 3 1 “ 制冷剂质量流量 s kg qm384 . 0 进口体积流量： kg m kg m vqm 3 4- 3 3 1v4 103.0051078249 . 0 384 . 0 q 出口体积流量： kg m kg m vqq mv 3 2- 3 3 11 101.70102702.44384 . 0 ” 进口接管内径（选氟里昂液体流速为） s m 8 . 0u1 ，圆整后，取无缝钢管mmm u qv 87.21 8 . 014 . 3 103.00544 d -4 1 4 1 323.0mmmm 出口接管内径（选蒸汽流速为） 2 16/um s ，圆整后，取无缝钢管mmm u qv 79.36 1614 . 3 101.7044 d -2 2 1 2 (2)冷媒水连接管mmmm0 . 345 冷媒水流量，水的流速，冷媒水管内径 s m3 3 vs 1086 . 2 q s m u51 . 1 ，圆整后，无缝钢管mmm u q d vs 12.49 51 . 1 14 . 3 1086 . 2 44 3 3 573.5mmmm 5 流动阻力计算流动阻力计算 根据参考资料1制冷原理及设备P232 页得：当时，对于水，12489Re 沿程阻力系数，则冷媒水的总流动阻力由式 9-71 得： 02993 . 0 e 3164 . 0 25 . 0 R PaPa Pa PaN d l NP i 4 2 2 10520634.10 )12(5 . 1 011 . 0 5 . 2 202993 . 0 51 . 1 71.999 2 1 )1(5 . 1u 2 1 符合参考资料4热交换器原理与设计P68 页表 2.10 允许压降，故设计合理。 根据参考资料1制冷原理及设备P232 页知，管子外侧制冷剂的流动阻力一 般不计。 6 结构设计讨论分析结构设计讨论分析