热交换器原理与设计课程设计-90KW满液式蒸发器.doc

课课 程程 设设 计计 课程名称 换热器课程设计换热器课程设计 题目名称 满液式蒸发器满液式蒸发器 学生学院 材料与能源学院材料与能源学院 专业班级 0707 制冷 制冷 1 1 班 班 学 号 学生姓名 指导教师 2010 年 7 月 2 日 2 广东工业大学课程设计任务书广东工业大学课程设计任务书 题目名称 90KW 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 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 90KW 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 1 2 张 3 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 1 2 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 GB151 1999 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 4 设计总说明设计总说明 本次课程设计是设计一台制冷机用满液式蒸发器 本设计是在给定的蒸发 器制冷量 90KW 制冷剂温度 蒸发温度 2 冷凝温度 40 制冷 0 Q 0 t k t 剂为 R22 冷媒水进口温度 12 冷媒水出口温度 7 下进行的 本次 1 t 1 t 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 画法几何 以及 机械设计基础 等多学科的基础知 识和工艺参数的选择 通过这些计算 我设计出了一个型的 换热管长度 与壳体内径之比为 9 65 的满液式蒸发器 关键词关键词 满液式蒸发器 热计算 流动阻力计算 结构设计 强度计算 强度校核 5 目目 录录 1 设计题目及原始参数 6 1 1 设计题目 6 1 2 原始设计参数 6 2 设计计算 6 2 1 热力计算 6 2 1 1 制冷剂流量的确定 6 2 1 2 冷媒水流量的确定 7 3 传热计算 7 3 1 初步选管 7 3 2 换热系数计算 8 3 2 1 污垢热阻确定 8 3 2 3 管外换热系数的计算 9 3 3 传热参数计算 9 3 3 1 传热系数 0 K计算 9 3 3 2 传热面积和管长确定 11 3 4 流动阻力计算 11 4 结构计算 12 4 1 换热管布置设计 12 4 2 壳体设计计算 13 4 3 校验换热管管与管板结构合理性 13 4 4 零部件结构尺寸设计 13 4 4 1 管板尺寸设计 14 4 4 2 法兰规格尺寸计算 14 4 4 3 端盖 15 4 4 4 分程隔板 15 4 4 5 支座 15 4 4 6 支撑板与拉杆 16 4 4 7 垫片的选取 16 4 4 8 螺栓 17 4 4 8 4 螺栓的设计载荷 19 4 4 9 连接管 19 5 换热器总体结构讨论分析 20 6 设计心得体会 20 参考文献 20 6 1 设计题目及原始参数设计题目及原始参数 1 1 设计题目 90KW 满液式蒸发器 1 2 原始设计参数 蒸发器的换热量 90KW QO 给定制冷剂 R22 蒸发温度 2 40 tOtk 冷却水的进出口温度 进口温度 12 出口温度 7 t 1t 1 2 设计计算设计计算 2 1 热力计算 2 1 1 制冷剂流量制冷剂流量的确定的确定 根据资料 1 制冷原理及设备 附表 13 及制冷剂的 lgp h 图 由 po 530 83kPa to 2 得 v 1 0 78249 Kg L v 1 44 2702 Kg L h1 406 09KJ Kg 由 pk 1533 52kPa tk 40 得 h3 h4 249 69KJ Kg 图 2 1 R22 的 lgP h 图 制冷剂流量 s kg s kg hh Q qm576 0 69 24909 406 90 41 0 7 2 1 2 冷媒水流量冷媒水流量的确定的确定 水的定性温度 12 7 2 9 5 根据资料 2 传热学 附录 9 tm 999 71kg m3 4 192KJ Kg K c 制冷剂体积流量 s m s m t Q P O 3 3 3 11 vs 103 4 712 192 4 71 999 90 t c q 3 传热计算传热计算 3 1 初步选管 采用外螺纹管 根据资料 3 小型制冷装置设计指导 P70 及 P71 表 3 4 可得 换 热管用低翅片管序号 1 规格 16 1 5 如图 3 1 所示 图 3 1 外螺纹管结构图 从表中可得如下参数 mm25 1 sf mm86 15dt mm5 1h mm11di mm86 12db 每米管长管外表面积 螺纹管增强系数 铜mm223 0 t m m 15 0 a 2 of 35 1 管导热系数 m 398 02 C W 8 3 2 换热系数计算 3 2 1 污垢热阻确定污垢热阻确定 冷媒水平均温度 制冷剂 水的流速取 C o mt 5 9 C o Ot 2 s m s m u5 18 1 根据资料 1 制冷原理及设备 p198 表 9 1 得 管外污垢系数 W C o2 o m 00009 0 管内污垢系数 W C o2 i m 000045 0 3 2 2 管内换热系数的计算 冷媒水的定性温度 根据资料 2 传热学 附录 9 查 5 9 2 712 2 t 11 m tt 饱和水物性表得 P 1196 2pa kg m 9 7371 999 3 r p kmw 10285 57 2 s m10330 1 26 根据资料 3 小型制冷装置设计指导 P67 及资料 4 热交换器原理与设计 附 录 F 知 可暂取水的流速且取管程设计为 2 程 s m u8 1 则每流程管子数 1 25 8 1101114 3 103 44 d q4 62 3 2 vs u Z i 圆整取 Z 26 时 冷媒水的实际流速为 s m s m zd q u i vs 74 1 26101114 3 103 444 62 3 2 对于管内流体 14391 10330 1 101174 1 Re 6 3 i ud 根据资料 2 传热学 P246 公式 6 15 知 Re Pr 符合范围 管内流体冷却则 n 0 3 52 9673 9 14391023 0 re023 0 u 3 08 03 08 0 PRN 管内换热系数 9 m 5027 1011 10285 57 52 96 d o2o2 3 2 i C W Cm W Nu ai 3 2 3 管外换热系数的计算管外换热系数的计算 画温度分布图如下 1 t 1 t 2 t 2 t 图 3 2 温度变化示意图 平均传热对数温差 CCt Oo m t t tt 213 7 5 10 ln 510 ln min max minmax 管外换热系数 其中 45 0 0 82 0 00 2 3P 2 0000 ww ttt 82 0 0w 45 0 82 0 0w0 2t09 12065308302t2 3 3 3 传热参数计算 3 3 1 传热系数传热系数计算计算 0 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 其传热温差为 第 0 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 45 0 0 82 1 00 2 09 12062 3 wo tPq 第二部分热流密度 10 0 00 0 1 m ff i iim q FF rr FF 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 r 管外污垢系数 r0 管壁厚度 铜导热系数 取 2 398 w mc 每米管长管面平均面积 m 管内表面积 Fi 圆管外表面积 Fof 圆筒内 外表面积的算术平均值 l Fm 2 dd bi 代入数据得 2 00116 0 5 9 00009 0 03746 0 15 0 398 0015 0 03454 0 15 0 000045 0 5027 1 5 9 1 m W t t F F F F i t q wo wo o m of i of i i i 用试算法估算 的值 确定热流密度 wo t 表 3 1 wo t C o 4 54 254 154 10 q 2 m W 6391 915276 574857 564653 92 q 2 m W 4310 354525 864612 074655 17 11 由此取 Ctwo o 10 4 2 m 55 4654q W 则传热系数 Km W t q K m 3 645 213 7 55 4654 20 3 3 2 传热面积和管长确定传热面积和管长确定 传热面积 22 3 0 0 m34 19m 55 4654 1090 q Q F 管子有效长度 m479 2 26215 0 34 19 l 由资料 4 热交换器原理与设计 P54 知 BG 151 1999 推荐的换热管长度采用 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 4 5 6 0 7 5 9 0 12 0m 等 此处取管长 2 5m 管程数 N 与管子的有效长度 l 的乘积为 N l 即 cc mN of O C F l 96 4 2615 0 34 19 每米管长管外表面积 of a m m 15 0a 2 of 采用管子成正三角形排列的布置方案 根据资料 3 热交换器原理与设计 P45 表 2 3 可取管中心距 S 22mm 对于不同的流程数 N 就有不同的管长 l 和估算的壳体内径 Di c 壳体内径 Di 由 热交换器原理与设计 P55 公式 Di b 1 s 2b 粗估可得下表 Nl m c NZDi ml Di c 2 2 48520 200512 37 4 1 241040 27284 55 60 831560 32832 53 Di b 1 s 2b b 沿六边形对角线上的管数 b 1 1 NZ b 管束中心线上最外层管中心至壳体内壁的距离 一般区 b 1 1 5 d 考虑到满液式蒸发器的上部分不能布管 所以实际的壳体直径应大于估算的壳体直径 且根据根据资料 4 热交换器原理与设计 P54 知换热管长度与壳体直径之比一般在 6 10 之间 故选 2 程计算 12 3 4 流动阻力计算 根据资料 1 制冷原理及设备 P232 9 71 对于水 沿程阻力系数 0289 0 3164 03164 0 14391Re 25 0 25 0 冷媒水的总流动阻力 PaPa Pa PaN d l NP i 4 2 2 10566902 12 5 1 011 0 5 2 20289 0 74 1 71 999 2 1 1 5 1 u 2 1 符合资料 4 换热器原理与设计 P69 表 2 10 允许压降 设计合理 4 结构计算结构计算 4 1 换热管布置设计 选用 1 2 型结构 Z 26 采用等边三角形与正方形的组合排列方式 查资料 4 换 热器原理与设计 P46 表 2 3 换热管中心距 s 22mm 分程隔板槽两侧相邻管中心距 换热管在管板上的分布如图mm35l E 13 图 4 1 管板布管图 由图 4 1 可知 最外层换热管中心所在圆直径mm DL 63 217 4 2 壳体设计计算 由于管内的冷却水和关外的工质 R22 均较洁净 选用结构较简单的固定管板式冷凝器 由 热交换器原理与设计 P47 管束最外层换热管与壳体内径间距 b3 8mm 由上面计算得mm63 217 壳体内径为 mm bDD Li 63 2338263 2172 3 根据资料 6 中华人民共和国国家标准 管壳式换热器 GB151 1999 并查 GB8162 1999 可取规格为 273 7 的结构 则壳体 壳体壁厚为 273mm DO mm7 由此可知壳体内壁为 mmmmSDDi259 14273 2 0 4 3 校验换热管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 根据资料 1 制冷原理及设备 P205 最外部孔的边缘与外壳内表 14 面的距离不应小于 5mm 布管限定圆直径 mm24910259 mmDL 根据资料 4 换热器原理与设 计 P47 对于上述换热管布置设计由几何关系得出管束外缘直径 符合要求 mmmm DL 25163 233 换热管长度与壳体内径之比 由 热交换器原理与设计 1065 9 259 2500 0 D lc P54 知选用两个流程是合理的 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 管板尺寸设计管板尺寸设计 管板选用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 图 4 2 管板法兰 图 4 3 管板与圆筒的连接 根据资料 4 热交换器原理与设计 P47 表 2 4 管板最小厚度不小于 0 75d 根据资 料 3 小型制冷装置设计指导 P73 表 3 8 管板最小厚度不小于 13mm 又由资料 6 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 1 f 有关的系数 1 13 由经验公式 6 4 得管板厚度 2 f t 17 0 0083 1 15 1 13 17 0 0083 259 24 9mm 1 1 f 2 f i D 取 t 26mm 15 4 4 2 法兰规格尺寸计算法兰规格尺寸计算 根据 钢制压力容器 GB150 1998 P97 表 9 3 可取 24mm 18mm LALe 则法兰外径 273 24 18 2 357mm 2 LLDDeAOf 法兰厚度 t 5 26 5 21mm f 螺栓所在圆的直径 2 273 24 2 321mm D DOLA 螺栓所在圆周长 321 3 14 1007 94mm CaD 4 4 3 端盖端盖 根据资料 6 制冷机工艺 p113 选端盖厚度 S 6mm 根据 制冷机工艺 P112 球面 半径 R 259mm 内球面高度mm D h i i 75 64 4 259 4 外球面高度S 64 75 6 70 75mm h h iO 圆筒高度L 8 0 08 259 20 72mm 取整数得 L 20mm Di 4 4 4 分程隔板分程隔板 按资料 6 GB151 1999 P20 表 6 选用碳素钢及低合金钢材料则选得 16 分程隔板厚度 分程隔板槽深 4mm mm8 图 4 5 分层隔板槽 4 4 5 支座支座 根据资料 3 小型制冷装置设计指导书 P75 表 3 9 按比例得 支座尺寸 L 240mm K 160mm 支座底线离壳体外壁面高度为 0 2 L 0 2 240 48mm 图 4 6 支座 4 4 6 支撑板与拉杆支撑板与拉杆 拉杆 根据 GB151 1999 P75 5 10 2 表 43 表 44 拉杆直径为 12mm 杆数为 4 根 n d 支持板 由前面选管长 l 2 5m 根据表 2 6 可知 可取支撑板厚度为 10mm 直接焊在拉杆上固 定 根据表 2 5 本设计取支持板数量为 2 17 图 4 7 拉杆 4 4 7 垫片的选取垫片的选取 4 4 7 1 材料的选取 根据 钢制压力容器 GB150 1998 P95 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 1 5mm 垫片系数 2 75m 比压力 25 5yMPa 本设计 壳体内径 Di 259mm 700mm 根据 热交换器原理与设计 P47 可选10 13N 故可取 垫片宽度 N 12mm 由 钢制压力容器 GB150 1998 9 5 1 1 垫片基本密封宽度 垫片的有效密封宽度 0 66 4 2 N bmmmm 0 6bbmm 4 4 7 2 垫片压紧力作用中心圆直径 因所以垫片压紧力作用中心圆直径即为垫片接触面的平均直 0 66 4 2 N bmmmm 径 即 273 1 2 6 2 287mm G D 4 4 7 3 预紧状态下所需要的最小压紧力 预紧状态所需的最小压紧力 FG 3 14 DG b y 3 14 287 6 25 5 137881N 操作状态下所需的最小压紧力 Fp 6 28 b m p 6 28 287 6 2 75 1 569 46660 4 N 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 18 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 实际螺栓面积 530 196 3 2 7 b b Mpa n 117 t b MPa 2103 6 2 mm 所以最初选的垫片厚度符合要求 b A 4 4 8 螺栓螺栓 4 4 8 1 螺栓的选择 根据法兰及端盖的厚度 参考资料 5 画法几何与机械制图 P368 选螺栓 GB T5782 M16 60 螺纹长度 38bmm 其小径 i d 13 835mm 4 4 8 2 螺栓布置 根据 钢制压力容器 GB150 1998 P97 得 螺栓的最大间距Lmax 65 2mm Lmax 5 075 2 186 162 5 0 6 2 m f bd 其中为法兰厚度 为公称直径 f b d 由 钢制压力容器 GB150 1998 P97 表 9 3 可知螺栓的最小间距 38mm Lmin 螺栓直径因为螺栓所在圆的周长 a C 1007 94mm 取螺栓间距为 64mm 故所需要的螺 栓数 15 74 个 取整为 16 个 64 94 1007 n 4 4 8 3 螺栓载荷 根据资料 6 钢制压力容器 GB150 1998 P97 可知 预紧状态下需要的最小载荷 预紧状态下需要的最小载荷 NybDG aW 137881 5 25628714 3 14 3 操作状态下需要的最小载荷 Wp p DD C GG mbp 28 6 785 0 2 19 0 785 287 1 569 6 28 287 6 2 75 1 569 148111 4 N 2 4 4 8 3 螺栓的面积 由资料 6 钢制压力容器 GB150 1998 9 5 2 2 知螺栓的面积 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 因As 4 14 3 18 4 835 13 22 d A o b n 所以符合要求 4 4 8 4 螺栓的设计载荷 由资料 6 钢制压力容器 GB150 1998 9 5 2 3 知螺栓的载荷 预紧状态下 2 mb AA W b 1265 912704 58 196 3389704 2 N 操作状态下 W 389704N p W 4 4 9 连接管连接管 4 4 9 1 制冷剂连接管 制冷剂质量流量 s kg qm576 0 进口体积流量 kg m kg m vqm 33 1v4 0 00045000782 0 576 0 q 出口体积流量 kg m kg m qq v mv 33 1 1 0 0255004427 0 576 0 进口接管内径 选氟里昂液体流速为 s m 8 0u1 20 圆整后 根据资料 6 GB17395 mmm u qv 77 26 8 014 3 0 0004544 d 1 4 1 2008取无缝钢管 32mm 2 5mm 出口接管内径 选蒸汽流速为 s m 10u2 圆整后 取无缝钢管 65mm 4 0mmmmm u qv 99 56 1014 3 5500 0244 d 2 1 2 4 4 9 2 冷媒水连接管 冷媒水流量 水的流速 冷媒水管内径 s m3 3 vs 103 4q s m u74 1 圆整后 取无缝钢管 65mm 3 5mmmmm u q d vs 10 56 74 1 14 3 0