换热器计算汇总.doc

一、冷凝器热力、结构计算1.1冷凝器的传热循环的确定lgp/MPa图1-1系统循环p-h图根据冷库的实际工作工况：取蒸发温度，过热度，即吸入温度；过冷度 ,冷凝器出口温度，则.查 冷库制冷设计手册第441页图6-7， R22在压缩过程指示功率 (3.1) 再查R22的圧焓图得 所需制冷剂流量为1.2冷却水流量和平均传热温差的确定1.2.1冷却水流量确定冷却水进、出口温度 , ，平均温度，由传热学563页的水的物性表可得: 则所需水量: 1.2.2平均传热温差的确定由热平衡 ： ，有=图1-2冷凝器流体温度变化简图各段对数平均温差（1）段： （2）段：（3）段：整个过程的平均温差（积分平均温差）1.3 换热管的选型根据小型制冷装置设计指导第71页表3-4，选用3号滚轧低翅片管为传热管, 16mm1.5mm，因其增强系数相比较大，有利换热。有关结构参数为: 单位管长的各换热面积计算如下:1.4 估算传热管总长 假定按管外面积计算的热流密度. 则应布置传热面积 应布置的有效总管长 1.5确定每流程管数Z、有效单管长及流程数N 冷却水进出口温度,36, 平均温度，由水的物性表可得: 所需冷却水体积流量： 则冷却水质量流量： 根据热交换器原理及设计第294页及小型制冷装置设计指导第68页表3-2有关年运行小时的规定：初选冷却水流速度,则每个流程管数：取整数Z=29 根，即实际水流：。 管程数N与管子的有效长度的乘积为N，即：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=22mm。对于不同的流程数N，就有不同的管长和壳体内径Di对流程数N, 总根数NZ, 有效单管长,壳体内径及长径比进行组合计算,组合计算结果如表1-1所示: 表1-1流程数N总根数NZ有效单管长=(m)壳内径（m）长径比2582.020.18011.2241161.010.2484.06其中壳体内径的选择根据冷库制冷设计手册第606页对壳体的规格进行选择。 分析上面的组合计算结果,由热交换器原理及设计第54页规定，对壳体的长径比一般在4-25之间,故选择4流程作为冷凝器结构设计依据。1.6 传热管的布置排列及主体结构现采用管子成正三角形的布置方案，根据热交换器原理及设计第45页表2.3换热管中心距的规定，当换热管外径为16mm时，选管距、分程板两侧相邻管中心距mm。为使传热管排列有序及左右对称,共布置124根管,采用平行隔板分开四流程。 1.7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NZ=116，则传热管布置在四流程内，用平行隔板分开，每流程的管子数依次为:25,33,33,25。如图1-3所示： 图1-3 管子的布置排列 1.8传热计算及所需传热面积确定1.8.1水侧表面传热系数计算从水物性表及小型制冷装置设计指导第78页表3-12知:水在时,运动粘度物性集合系数雷诺数, 即水在管内的流动状态为湍流, 则由小型制冷装置设计指导第78页式(3-5):水侧表面传热系数：1.8.2氟利昂冷凝表面传热系数计算由上面图（1）的传热管的布置方式，布置在4个四分之一的扇形内，每个扇形分4行，每行的管子数依次为:5,5,5,6。由小型制冷装置设计指导第77页式(3-4)计算管排修正系数:根据所选管型,低翅片管传热增强系数由小型制冷装置设计指导第77页式(3-2)计算，其中环翅当量高度：增强系数：由小型制冷装置设计指导第76页表3-11, R22在冷凝温度 由小型制冷装置设计指导第76页式(3-1)计算：氟利昂侧冷凝表面传热系数：其中(是管处壁面温度)1.8.3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，其传热温差为；第二部分是热量经过管外污垢层、管壁、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)。由热交换器原理与设计第292页附表C得:水侧污垢系数忽略氟利昂侧油膜热阻，由小型制冷装置设计指导第78页式(3-6)和式(3-7)计算热流密度(单位为)第一部分的热流密度第二部分的热流密度(其中是低翅片管翅管壁厚度, 是紫铜管热导率,取, 是低翅片管每米管长翅根管面平均面积, 即)因为传热是串联，则有。选取不同的(单位为)进行试凑,计算结果如表1-2所示:表1-22.005598.15825.42.055702.85765.22.105806.85704.8当时, 与误差只为1.09%，小于3%，符合要求。此时，取,与前面假定的相差12.3% 15%，符合要求。传热系数：1.8.4传热面积与有效管长确定计算实际所需传热面积: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大12.7%，可作为冷凝传热面积富裕量。即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第54页推荐的换热管长度，选取传热管有效单管长。则实际布置管外冷凝传热面积，较传热计算所需传热面积大12.7%，冷凝传热面积有足够的富裕量。二、冷却水侧阻力计算根据制冷原理与设备P222 公式(9-64) (9-65)得：水的沿程阻力系数冷却水的流动阻力（其中为传热管有效单管长，由上面有 ）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 三、冷凝器的配件及其强度校核3.1连接管管径计算3.1.1 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第75页关于进出水管冷却水流速的规定，取冷却水流速度，故冷却水进出口连接管的直径。查 冷库制冷设计手册第605页得，选取无缝钢管，内径为80mm。3.1.2 制冷剂连接管根据传热循环查R22的图（见上面“系统循环图”）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,推荐，氟利昂蒸汽在进气接管内流速为1018m/s,液体在出液接管内流速在0.5m/s左右，初取蒸汽在进气接管内流速为u2=14m/s,液体在出液接管内流速u5=0.5m/s（1）初取蒸气气流速度，则进气接管的内径：查冷库制冷设计手册第603页，选取无缝钢管，内径则实际蒸气气流速度根据GB151-1999管壳式换热器第78页5.11.2.1的规定， 此时，所以要设防冲板。（2）根据小型制冷装置设计指导第75页规定：初选制冷剂液体速度，则出液管的内径：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此时，根据GB151-1999管壳式换热器第78页5.11.3的规定，选择符合要求。3.2防冲板根据热交换器原理与设计第53页及GB151-1999管壳式换热器第78页5.11.2.1的关于安装防冲板的要求，因氟利昂蒸气进口处，故需安装防冲板。根据GB151-1999管壳式换热器第78页5.11.4规定，取厚度为3mm的不锈钢作为防冲板，规格为：，直接焊在拉杆上。3.3壳体根据先前设计布管情况，由冷库制冷设计手册第605页无缝钢管规格,和换热器原理与设计55页，选择用Di=305mm，外径为Do=325mm，厚度S=10mm的无缝钢管作为壳体材料。3.4管板根据GB151-1999管壳式换热器第29页图18，选用e型管板。为达密封效果，管子与管板连接采用胀接法。选择管板兼做法兰, 根据制冷机工艺第111页表6-6，查得与管子连接方式有关的系数，与管板兼做法兰有关的系数。由制冷机工艺P111经验公式(6-4)得管板厚度:实际可取t=30mm3.5端盖根据制冷机工艺第112页关于封头的规定（结构如下图）：标准椭圆封头的的长短轴之比为2:1，长轴R等于筒体的内径Di，3.6支座3.6.1支座选型根据小型制冷装置设计指导第75页，选用如下支座（相关尺寸如下）。查表3-9得，3.6.2支座定位：根据GB151-1999管壳式换热器第89页5.20.1的规定：。3.7支撑板 由换热管长l=1m得，（根据热交换器原理与设计第50页表2.5，对换热管外径为16mm的最大无支撑跨距是1100mm，故需至少一块支撑板），考虑到GB151-1999管壳式换热器第75页5.9.5.1关于支撑板安装的需求，取2块支撑板缺口上下方向交替排列均匀布置，此时换热管无支撑跨距为333.33mm。根据热交换器原理与设计第51页表2.6：取支撑板厚度为4mm，直接焊接在拉杆上。3.8拉杆根据GB151-1999管壳式换热器第77页5.10.2表43、表44，拉杆直径为12mm，考虑到支撑板的固定与布置，取杆数为4根(布置如上图1-1所示)。3.9法兰类选择3.9.1连接管法兰根据GB/T 9119-2000第2页5.3.2的规定（结构如下），由上面连接管外径与工作压力（管程设计工作压力为0.4MPa，壳程设计工作压力为1.6MPa）查第4页表2及第6页表4及第8页表6得：冷却水进出口连接管法兰（A=89mm）：制冷剂进气连接管法兰（A=32mm）：制冷剂出液连接管法兰（A=38mm）：3.9.2管板法兰根据GB150-1998钢制压力容器第97页表9-3及GB151-1999管壳式换热器第144页图G1的规定：管板兼做法兰,取，法兰外径法兰厚度螺栓所在圆的直径螺栓所在圆周长3.9.3端盖法兰 根据JB/T4702-2000规定，选用平密封面型平焊法兰（结构如下）：3.10垫片3.10.1材料的选取根据GB151-1999管壳式换热器第147页表H1的规定，垫片的材料可选XB-200橡胶石棉板，再根据GB150-1998钢制压力容器第95页表9-2，取厚度，得垫片系数，比压力。再根据以上法兰的结构，由GB150-1998钢制压力容器第93页表9-1，选1a型压紧面。本次设计壳体内径Di=305mm700mm，取垫片宽度N=20mm。根据GB150-1998钢制压力容器第96页9.5.1.1得：垫片基本密封宽度。垫片的有效密封宽度 3.10.2垫片压紧力作用中心圆直径因为，取垫片接触面外径，根据GB150-1998钢制压力容器第96页9.5.1.2，垫片压紧力作用中心圆直径即垫片接触面外径减去2b，即3.10.3所需要的最小压紧力根据GB150-1998钢制压力容器第96页式（9-1）及（9-2）得A）预紧状态下所需要的最小压紧力B）操作状态下所需要的最小压紧力 (其中)3.10.4垫片宽度校核 由于螺栓面积还没有决定，所以要先决定螺栓后，再校核垫片宽度。垫片宽度校核在后面。3.11螺栓3.11.1螺栓的选取根据机械设计基础课程设计指导书第110页表11.6,选取螺栓GB/T5780-2000,由机械设计基础第137页表10-1得:小径，根据GB150-1998钢制压力容器第25页表4-7，螺栓材料选用35号钢。3.11.2 螺栓的布置根据GB150-1998钢制压力容器第97页式（9-3）得：螺栓的最大间距 由GB150-1998钢制压力容器第97页表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，故所需的螺栓数最少，为了便于布置螺栓,取 n=22。3.11.3螺栓载荷根据GB150-1998钢制压力容器第97页式（9-4）及（9-5）得A) 预紧状态下需要的最小螺栓载荷B) 操作状态下需要的最小螺栓载荷3.11.4螺栓面积根据GB150-1998钢制压力容器第25页表4-7，常温下35号钢 M16螺栓材料的， ，设计温度下螺栓的许用应力，据机械设计基础第148页表10-6，取安全系数，。根据GB150-1998钢制压力容器第97页式（9-6）及（9-7）得：A) 预紧状态下需要的最小螺栓面积B) 操作状态下需要的最小螺栓面积需要的螺栓面积 实际螺栓面积，符合要求。与之配合的孔径为：3.11.5 螺栓设计载荷根据GB150-1998钢制压力容器第97页式（9-8）及（9-9）得A)预紧状态螺栓设计载荷B)操作状态螺栓设计载荷3.11.6 对于垫片宽度校核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。根据后面所选螺栓的计算, 常温下35号钢的，螺栓实际面积: 。故所选的垫片宽度符合要求。3.12分程隔板根据GB151-1999管壳式换热器第28页5.6.6.2的规定，取分程隔板槽深4mm、宽12mm；由GB151-1999管壳式换热器第20页表6规定，分程隔板厚度选。4、 主要参考文献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，2009.2 吴业正.小型制冷装置设计指导M.北京：机械工业出版社,1998.3 商业部设计院编著.冷库制冷设计手册M.农业出版社,1991.4 冯开平，左宗义主编.画法几何与机械制图M.广州：华南理工大学出版社.2007.5林怡青，谢宋良，王文涛. 机械设计基础课程设计指导书M.北京：清华大学出版社.2008.6杨可桢，程光蕴，李仲生.机械设计基础M.北京：高等教育出版社.2008.7 各类材料、法兰等设计标准：GB150-1998钢制压力容器、GB151-1999管壳式换热器、GB/T 9119-2000平面、突面板式平焊钢制管法兰、JB/T4702-2000压力容器法兰8 其它设计资料：包括各种换热器设计标准、传热学、工程热力学、制冷设备手册、制冷机工艺、空气调节等相关文献资料心得体会 经过两个多礼拜的奋斗，终于完成了这课程设计。个人感觉在今次课程设计中收获很多，还有感觉今次课程设计完成的还算理想，同时也有很多感触。 首先，在学期开始时老师就说了这门课是做课程设计来考核，这时我觉得这样很容易，应该比考试容易，但当我上课看到书里的内容还有看到老师在课堂上说的内容时，我发现这门课不是我想象中的那么容易，但这时我还没有觉得有多大的挑战。直到前几周，我开始搞课程设计时，我开始发现要搞好这门课真的不容易。首先，接到任务书时，脑里面是一片空白，接着找书来看，越看越觉得复杂，脑里面乱得一团糟。经过一个多星期的思考，还有参考往届师兄的作品、和同学之间的讨论。思路终于清晰了，开始编写设计书。在编写设计书时，由于参数太多，很有经常的计算，走路不少错路，废了不小时间。编写任务书时，查阅了很多资料，终于知道要设计好这个课程设计涉及的知识真的很多，终于知道为什么学校会安排我们上这些课。这边写任务书时，令我最深刻的