热交换器原理与设计课程设计-95KW满液式蒸发器.doc

课 程 设 计 课程名称_ 换热器课程设计_题目名称_满液式蒸发器_学生学院_材料与能源学院_专业班级_07制冷（1）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95KW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=95KW，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：摘 要 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=95KW，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下进行的。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，我们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：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 录1设计题目及设计参数51.1设计题目：95KW满液式蒸发器51.2设计参数：52设计计算52.1热力计算52.1.1制冷剂的流量52.1.2冷媒水流量53传热计算63.1初步选管63.2换热系数计算63.2.1污垢热阻确定63.2.2管内换热系数的计算73.2.3管外换热系数的计算73.3.1传热系数计算83.3.2传热面积和管长确定93.3.3流动阻力计算104结构计算104.1换热管布置设计104.2壳体设计计算114.3校验换热管管与管板结构合理性124.4零部件结构尺寸设计124.4.1管板尺寸设计124.4.2法兰规格尺寸计算134.4.3端盖134.4.4分程隔板144.4.5支座144.4.6支撑板与拉杆144.4.7垫片的选取154.4.8螺栓164.4.9连接管175换热器总体结构讨论分析176设计心得体会17参考文献181设计题目及设计参数1.1设计题目：95KW满液式蒸发器1.2设计参数：蒸发器的换热量Q0=95KW；给定制冷剂：R22；蒸发温度：t0=2，tk=40，冷却水的进出口温度： 进口=12; 出口=7。2设计计算2.1热力计算 2.1.1制冷剂的流量根据资料【1】制冷原理及设备附表13及制冷剂的lgp-h图：由P0=530.83kPat0=2 得h1=406.084KJ/Kg；由Pk=1533.52kPa, tk=40 得h3=h4=249.686KJ/Kg 图2-1 R22的lgP-h图 制冷剂流量 2.1.2冷媒水流量水的定性温度ts=（12+7）/2=9.5, 根据资料【2】传热学附录9， =999.71kg/m3,cp=4.187KJ/(KgK) 3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161.5，如图2-2所示：从表中可得如下参数： ，每米管长管外表面积，螺纹管增强系数，铜管导热系数 图2-2 外螺纹管结构图3.2换热系数计算3.2.1污垢热阻确定冷媒水平均温度,制冷剂,水的流速取，根据资料【1】制冷原理及设备p198表9-1得： 管外污垢系数管内污垢系数 3.2.2管内换热系数的计算冷媒水的定性温度,传热学附录9查饱和水物性表得： P=1196.2pa kg/m 9.73 暂取水的流速，管程设计为2程，则每流程管子数，圆整取Z=27时，冷媒水的实际流速为，对于管内流体根据资料【5】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，管内换热系数3.2.3管外换热系数的计算画温度分布图如下： 平均传热对数温差： 管外换热系数,其中3.3.1传热系数计算 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；第二部分是热量经过管外污垢层、管壁、关闭、管内污垢层以及冷媒水的传热过程。第一部分热流密度 第二部分热流密度： 其中， 冷凝温度与管外壁温之差 管内外对数平均温差 管内污垢热阻 管外污垢系数 管壁厚度 铜导热系数，取 每米管长管面平均面积 管内表面积 圆管外表面积 圆筒内、外表面积的算术平均值（l） 代入数据得： 用试算法估算 的值，确定热流密度 表2-1/4.54.254.154.10q/6391.915276.574857.564653.92/4310.354525.864612.074655.17由此取,，则传热系数3.3.2传热面积和管长确定传热面积管子有效长度，由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3.0m。管程数N与管子的有效长度l的乘积为Nl，即：每米管长管外表面积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)NZDi(m)l/Di2 2.52540.209812.014 1.261080.28344.45 60.841620.33992.47Di=(b-1)s+2bb沿六边形对角线上的管数。（b=1.1）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=（11.5）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【3】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610之间，故选2程计算。3.3.3流动阻力计算 根据资料【1】p232(9-71)，对于水，沿程阻力系数，冷媒水的总流动阻力： 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4.1换热管布置设计 选用1-2型结构，Z=27，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在管板上的分布如图图3-1 管板布管图 由图3-1可知，最外层换热管中心所在圆直径4.2壳体设计计算由于管内的冷却水和管外的工质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.由上面计算得壳体内径为： 根据资料【6】中华人民共和国国家标准管壳式换热器（GB1511999）并查GB8162-1999可取规格为 273*7的结构。则壳体，壳体壁厚为。 由此可知壳体内壁为：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面的距离不应小于5mm”，布管限定圆直径。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。换热管长度与壳体内径之比，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3-2管板法兰 图3-3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,与管板兼做法兰有关的系数=1.00，由经验公式（6-4）得管板厚度：t= (17+0.0083)=1.151.00(17+0.0083259)=22.0mm1取t=26m4.4.2法兰规格尺寸计算根据钢制压力容器 GB150-1998P97表9-3可取： =24mm，=18mm则法兰外径：=273+(24+18）2=357mm 法兰厚度：=t-5-3=24-5-3=16mm,螺栓所在圆的直径： =+2=273+242=321mm,螺栓所在圆周长：=*=3213.14=1007.94mm。 4.4.3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，内球面高度外球面高度S=64.75+6=70.75mm圆筒高度=8=0.08259=20.72mm 取整数得：L=20mm 4.4.4分程隔板按资料【6】GB1511999p20表6，选用碳素钢及低合金钢材料则选得：分程隔板厚度，分程隔板槽深4mm 图3-4 分层隔板槽 4.4.5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=0.2240=48mm。 4.4.6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。支持板：由前面选管长l=3.0m，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. 图3-5 拉杆 4.4.7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。本设计壳体内径Di=261mm700mm，根据热交换器原理与设计P47，可选，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，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径，即=273+12+62=287mm.预紧状态所需的最小压紧力：=3.14by=3.14287625.5=137881N操作状态下所需的最小压紧力： =6.28bmp=6.2828762.751.569=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： 其中，常温下的强度指标=530MPa,安全系数=2.7，故许用应力，一定温度下的许用应力，实际螺栓面积=2103.6.所以最初选的垫片厚度符合要求。（有问题？）4.4.8螺栓（1）螺栓的布置 a 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 M1660，螺纹长度。其小径=13.835mm. 根据钢制压力容器GB150-1998P97得：螺栓的最大间距=61.5mm 其中为法兰厚度，为公称直径。 由钢制压力容器GB150-1998P97表9-3可知螺栓的最小间距=38mm螺栓直径因为螺栓所在圆的周长=1007.94mm，取螺栓间距为65mm，故所需要的螺栓数=15.5个，取整16个。（2）螺栓的最小载荷 预紧状态下需要的最小载荷：操作状态下需要的最小载荷：= =0.7852871.569+6.2828762.751.569=148111.4 N（3）由资料【6】钢制压力容器GB150-19989.5.2.2知螺栓的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： 因，所以取需要的螺栓面积：= =1265.91螺栓的实际面积：，所以符合要求。（4）由资料【6】钢制压力容器GB150-19989.5.2.3知螺栓的载荷 预紧状态下： = 操作状态下：W=185116N4.4.9连接管(1)制冷剂连接管 制冷剂质量流量进口体积流量： 出口体积流量：进口接管内径（选氟里昂液体流速为），圆整后，取无缝钢管 出口接管内径（选蒸汽流速为），圆整后，取无缝钢管 (2)冷媒水连接管 冷媒水流量，水的流速，冷媒水管内径，圆整后，无缝钢管=60mm3.5mm5换热器总体结构讨论分析 这次课程设计是设计满液式蒸发器，下面对设计做总体的分析： 在初步确定蒸发器结构之后，进行了热力计算、传热计算、结构计算以及流动阻力计算。对如换热管，进出水管，制冷剂进出管以及管板的厚度，筒体、支座、垫片、螺栓等都按国标进行选取，对螺栓和垫片进行了强度校核，满足安全要求。在满足设计要求的前提下尽量使得蒸发器结构紧凑，减少占据空间，节省原材料。6设计心得体会 这次换热器的课程设计，是对之前学习的传热学制冷原理热交换器原理与设计等课程的一次实践过程，在这次设计过程中，通过反复的的计算和选取零部件，并且不断地查阅各种资料的国家标准，巩固和加深了