换热器课程设计-75KG水冷式壳管式冷凝器.doc

课 程 设 计全套图纸加扣 3012250582课程名称换热器课程设计 题目名称75KG水冷式壳管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75KW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=75KW，冷凝温度40，制冷剂为R22。冷却水进出口温度分别为：进口温度32，出口温度36。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：摘 要本课程设计是设计一个壳管式水冷冷凝器。本次课程设计是在冷凝器换热量=75kw、制冷剂R22，制冷剂冷凝温度、假定蒸发温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度的条件下进行设计的。本次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,介绍了管壳式冷凝器材质和换热介质及走向的选择；阐明了提高传热系数、降低换热面积是管壳式水冷冷凝器工艺设计的最终目标。关键词：冷凝器 管壳式 传热设计 流动阻力计算 结构设计 强度计算 目录一、设计题目及原始数据31.1 设计题目31.2 原始数据3二、冷凝器的传热设计计算32.1换热管管型的选择32.2冷却水流量和平均传热温差的确定32.3确定每流程管数Z，有效单管长及流程数N32.4传热水平管的布置排列及平均管排数42.5传热系数的计算42.5.1管内水侧表面换热系数42.5.2管外R22冷凝表面换热系数52.5.3管内、管外污垢热阻的确定52.5.4传热系数52.6传热面积与有效管长l确定62.7冷却水的流动阻力7三、结构设计计算73.1筒体73.2管板73.3法兰73.4端盖83.5支撑板83.6支座83.7垫片的选取83.7.1材料的选取83.7.2垫片压紧力作用中心圆直径83.7.3预紧状态下所需要的最小压紧力：83.7.4垫片宽度校核93.8螺栓93.8.1螺栓的选择93.8.2螺栓布置93.8.3螺栓载荷93.8.4螺栓面积93.8.5螺栓的设计载荷103.9连接管的确定103.9.1冷却水进出口连接管103.9.2制冷剂连接管10一、设计题目及原始数据1.1 设计题目 管壳式冷凝器1.2 原始数据冷凝器换热量=75KW 制冷剂R22，制冷剂冷凝温度,冷却水进口温度、冷却水出口温度二、冷凝器的传热设计计算2.1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，其内径2.2冷却水流量和平均传热温差的确定冷却水进出口平均温度，根据传热学附录9查得：水的物性参数密度，。由热交换器原理与设计P8公式（1.5）得： 冷却水流 平均传热温差2.3确定每流程管数Z，有效单管长及流程数N2.3.1根据小型制冷装置设计指导P67，初选冷却水流速度水则每管程的管子数取管子数Z=39根 实际水流速度2.3.2假定热流密度，则所需要的传热面积为：管程数N与管子的有效长度l的乘积为，即： m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有效单管长总根数NZ壳体内径Di长径比l/Di24.66780.17626.4842.331560.2509.3261.552340.3065.06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。2.4传热水平管的布置排列及平均管排数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=156，则传热管布置在37纵列内，每列管子数分别为：4，4,4,4，6,6,6,6,8,6,8,6,8,6,8,6,8,6,8,6，8,6,8,6，6,6,6,4,4,4,4。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根2.5传热系数的计算2.5.1管内水侧表面换热系数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，导热率 运动粘度雷诺数 ，亦即冷却水在管内的流动状态为湍流流动。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2.5.2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: 时R22物性参数密度,导热率，比潜热动力粘度 根据制冷原理与设备P221公式(9-34)得：表面凝结换热系数其中 则 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 2.5.3管内、管外污垢热阻的确定冷却水进出口平均温度，凝温度，根据制冷原理与设备表9-1查得：管内污垢热阻管外污垢热阻 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的传热过程，其传热温差 (其中是管外污垢外壁面的温度, )第一部分热流密度 第二部分热流密度 因为传热是串联，则有。取不同的进行试凑，计算结果如下： 3 4830 6320 3.5 5422.66 6320 3.7 5653 5765 3.73 5688 5682由上表可知：=3.73时，。则 q=热流密度，与前面假定的偏差很小。传热系数2.6传热面积与有效管长l确定实际所需的换热面积初步结果设计中所需要的冷凝传热面积13.7较传热计算传热面积大3.8%，可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2.7冷却水的流动阻力根据制冷原理与设备P232 公式(9-71)得：水的沿程阻力系数冷却水的流动阻力 考虑到外部管路损失，冷却水泵总压头约为 取离心水泵的效率，则水泵所需的功率为：水泵所需的功率1.034KW三、结构设计计算3.1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=8mm3.2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(6-4)得：管板厚度实际可取管板厚度t=30mm3.3法兰根据钢制压力容器 GB150-1998P97表9-3可知：取，则法兰外径法兰厚度螺栓所在圆的直径周长3.4端盖根据制冷机工艺P113选用端盖厚度S=8mm，球面半径R=309mm，内球面高度 取80mm外球面高度圆筒高度 取L=14mm3.5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，直接接在拉杆上焊，根据壳程长度，选却4块支撑板。根据热交换器原理与设计P52表2.7查得：拉杆直径为10mm3.6支座由小型制冷装置设计指导P75表3-9得：支座尺寸，支座底线离壳体外壁面高度为80mm。3.7垫片的选取3.7.1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，比压力本次设计壳体内径Di=309mm700mm，根据热交换器原理与设计P47，可取垫片宽度N24=mm。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3.7.2垫片压紧力作用中心圆直径因为，取垫片接触面外径，根据钢制压力容器GB150-1998P96，垫片压紧力作用中心圆直径即垫片接触面外径减去，即mm3.7.3预紧状态下所需要的最小压紧力：操作状态下所需要的最小压紧力：3.7.4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=105 Mpa，实际螺栓面积，则所需的垫片的最小厚度：故初选的垫片厚度是符合要求的。3.8螺栓3.8.1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P368附表2-1，选取螺栓GB/T5782 M16x80，其中小径。 3.8.2螺栓布置根据钢制压力容器GB150-1998P97得：螺栓的最大间距 由钢制压力容器GB150-1998P97表9-3可知螺栓的最小间距由此可取螺栓间距。由前面可知螺栓所在圆的周长，故所需螺栓数3.8.3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操作状态下需要的最小载荷 3.8.4螺栓面积 预紧状态下需要的最小面积操作状态下需要的最小面积螺栓的实际面积，故螺栓个数符合要求。3.8.5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：操作状态下螺栓设计载荷 3.9连接管的确定3.9.1冷却水进出口连接管冷却水的流量，根据小型制冷装置设计指导书P75取水流速度u=1m/s，故冷却水进出口连接管的直径查 冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管，内径为80mm3.9.2制冷剂连接管 由、查R22的图(见下图)得：冷凝器入口，冷凝器出口，制冷剂的质量流量制冷剂蒸气的体积流量制冷剂液体的体积流量根据小型制冷装置设计指导书P75所述，一般制冷剂蒸汽的流动速度在10-18m/s范围内，现取其流速为12m/s,则制冷剂进口管内径为：查冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管，内径则实际蒸气气流速度根据小型制冷装置设计指导书初选制冷剂液体速度，则出液管的内径：m查冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管，内径则实际制冷剂液体流速参 考 文 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，20032 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,1998.4 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等相关文献资料。课程设计感想本次历时2个星期的课程设计即将结束