111kW水冷式管壳冷凝器_设计说明书

1、课程设计课程名称热交换器课程设计题目名称 111kW 水冷式冷凝器学生学院 专业班级学 号学生姓名指导教师2012年07月05日课程设计任务书一、课程设计的内容设计一台冷库用冷凝器。冷凝器热负荷 Qk=111kW冷凝温度tk=40C,制 冷剂为R22冷却水进出口温度分别为：进口温度t2=32C,出口温度t2=36C。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

2、）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、课程设计进程安排厅P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。指定我至6.252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6.26-6.283编写设计说明书（严格按照

3、广东工业大学课程设 计说明书撰写规范编写）宿舍6.29-6.304绘制换热器装配图1张；拆画零件图12张宿舍7.0-7.55设计答辩及成绩评定指定我至7.6-7.6五、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，陶文锭.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一管壳式换热器（GB15A19

4、99）.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：2012年6月25日指导教师签名:计划完成日期：2012年7月06日基层教学单位责任人签章:设计总说明本课程设计是设计一个热负荷为111kW勺水冷式管壳冷凝器。本课程设计是 在给定冷凝器换热量Qk 111kW,制冷剂为R22,冷凝温度tk=40C,冷却水进口温度t2 = 32C,冷却水出口温度t2=36C,假定蒸发温度b 15 C、制冷剂过热度为tr 5 c的条件下进行设计的整个设计过程主要包括传热设计计算、水的流动阻力计算、结构设计计算、配件选择及主要配件的强度校核，同时结

5、合整体设备运行原理，对该水冷式管壳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，先根据热力循环对系统进行热力计算，同时采用假定热流密度及试凑法进行计算以确定较好的工作点， 其中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。设计内容包括了换热管的布置排列，换热管和流程数、管长、壳体、端盖、法兰、螺栓和垫片等的选取。经过设计计算，可以知道壳管式冷凝器的换热面积为F0 22.24 m2、 流程数N=2， 总管数 N Z 80根 ， 有效单管长l 1.69m， 制冷剂蒸汽进口管径42 2.5，制冷剂液体出口管径 38 2.5,冷却水

6、进出口管径为 108 4.0mm,水泵最小功 率为 Pe 1414kW。通过本次的设计，得到了一个较合理的水冷式管壳冷凝器。关键词 ： 冷凝器 管壳式 热交换器课程设计一、冷凝器热力、结构计算 11.1 冷凝器的传热循环的确定 11.2 冷却水流量qvs和平均传热温差 Tm的确定 21.3 换热管的选型 31.5 确定每流程管数Z、有效单管长l及流程数N 31.6 传热管的布置排列及主体结构 41.7 传热计算及所需传热面积确定 5二、冷却水侧阻力计算 8三、冷凝器的配件及其强度校核 83.1 连接管管径计算 93.2 防冲板 103.3 壳体 103.4 管板 113.5 端盖 113.6

7、支座 123.7 支撑板 133.8 拉杆 133.9 法兰类选择 143.10 垫片 错误 ! 未定义书签。3.11 螺栓 173.12 分程隔板 19四、主要参考文献 20五、心得体会 21一、冷凝器热力、结构计算1.1冷凝器的传热循环的确定（如图1所示）系统循环图1根据冷库的实际工作工况：取蒸发温度to 15 C ,过热度tr 5 C ,即吸入温度t110 C ,冷凝器出口温度t4 tk 40 C o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i=0.82查R22压焰图得h1 =405 kJ. kg , h2 445 kJ . kg , h3 418kJ / kg ,

8、h4 250 kJ/kg ,4=0.886 10-3 m3/kg, v2s 0.02 m3/kg,wt=h2-hk(445-405) kJ/kg=40kJ/kgwt40wi wt48.8kJ / kgi 0.82h2s h1 wi (405 48.8) kJ. kg 453.8 kJ kg再查R22压始图得tqmoQk2s 800C111h2s 1% 453.8 2500.5447 kg s1.2 冷却水流量qvs和平均传热温差Tm的确定1.2.1 冷却水流量qvs确定冷却水进出口温度t232 C , t236 C ,平均温度tm 34 C ,由水的物性表可得:一一 一3994.3kg /m3

9、Cp 4174J/(kg K)0.7466 10 6m2/s62.48 10 2W/(m K)则所需水量qvsQk /cp(t2 t2 ) 0.006686m3 / s1.2.2平均传热温差Tm的确定+ qmo (h2sh3)t3t2冷凝器流体温度变化简困cpqvs由能量平衡，有360.5447 (453.8 418)35.34.174 994.3 0.006686各段对数平均温差(1)段:tm1t3 t26.20oC(2)段:tm2(t2s t2 ) (tk t3)17.57 oCIn人上tkt3整个过程的平均温差（积分平均温差）tmhJs 屋7.0oCtm1tm21.3 换热管的选型根据小

10、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，有关结构参数为：di 10.4mm dt 15.1mm t 0.4mm db 12.4mm sf 1.2mm单位管长的各换热面积计算如下：翅顶面积 addtt/sf0.0151 0.0004/0.0012m2/m 0.0158m2/m翅侧面积 af(dt2 db2)/(2sf)(0.01512 0.01242)/(2 0.0012)m2/m 0.0972m2/m翅间管面面积 abdb(sft)/s0.0124 (0.0012 0.0004)/0.0012m2 / m 0.026m2/mai di0.0104m2/m 0.03

11、27m2 / m管外总面积 aof ad af ab (0.0158 0.0972 0.026)m2 / m 0.139m2/m1.4 估算传热管总长假定接管外面积计算的热流密度qo 5500W / m2 .则应布置传热面积_ _2_2FQk/qo 111000/5500m20.18m应布置的有效总管长L Fo/aof 20.18/0.139m 145m1.5 确定每流程管数Z、有效单管长1及流程数N冷却水进出口温度t232 C , t2 36 C ,平均温度tm 34 C ,由水的物性表可得:994.3kg / m3Cp 4174J/(kg k)0.7466 10 6m2/s62.48 10

12、 2W/(m k)则所需水量 qvs Qk / cp(t2 t2 ) 0.006686m3 / s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 u 2m/s,则每流程管数 Z 4qv/ di2u 39.35根取整数Z=40根，即实际水流u4 0.0066861.97m/s。di2z0.01042 40对流程数N,总根数NZ,有效单管长l,壳体内径Di及长径比l/Di进行组合计算，组合计算结果如表1所示:流程数N总根数NZ后效单管长l /m壳内径Di / m长径比l/Di2801.810.2367.6741600.910.33

13、42.72表1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，通常为6-10,故选择2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，本!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，选管距 s 22mm、分程板两侧相邻管中心距 l e 40 mm为使传热管排列有序及左右对称，共布置80根管，则每流程平均管数 Z=40 根,传热管的布置排列如图2所示：图21.7传热计算及所需传热面积确定1.7.1 水侧表面传热系数计算

14、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tm 340C时，运动粘度0.7466 10 6m2/s物性集合系数 B 1395.6 23.26tm 2186.441 97 0 0104“雷诺数Re ud"4 27441 104,即水在管内的流动状态为0.7466 10 6湍流，则由小型制冷装置设计指导第 78页式(3-5):水侧表面彳热系数awi0.8B_B .0.2di2186.44 1.970.8_ _ _ _ ,0.20.010429373.5W/(m K)1.7.2 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，在垂直方向上，每列管数分别为2、2

15、、 4、4、6、4、6、4、6、4、6、4、6、4、6、4、4、2、2。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：0.8330.8330.833n (n1n2nz) /(n1n2(420.8339 40.833 6 60.833) /80 0.78nz)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2222h (dt2 db2)/4dt(15.12 12.42)/ (4 15.1)mm 3.86mm增强系数025ab/aof1.1(ad af )(db/h )/aof0.026/0.139 1.1(0.0158 0.

16、0972)(12.4/3.86)0.25/0.139 1.384 小 型 制 冷 装 置 设 计 指 导 第 76 页 表 3-11, R22 在 冷 凝 温 度tk40 C,B 1447.1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025025ako 0.725Bdb0.25 n(tk two) 0.250.725 1447.1 0.0124 0.25 1.384 0.878 (tk two) 0.253394 o0.25W/(m2 K)其中o tk two (two是管处壁面温度)1.7.3 传热系数Ko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

17、，其传热温差 为o tk two ；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ti two tm tm o 7.0 o (其中two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ri 0.000086(m2 K)/W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q (单位为W/m2)第一部分的热流密度q1ako33940.75 o第二部分的热流密度7.0°q271、a°f( r)-awi aa°famo7.0°,10.139 0

18、.001 0.139(0.000086)-9373.50.0327393 0.03581206.4 (7.0°)(其中 是低翅片管翅管壁厚度,是紫铜管热导率，取 393W/(mK),am是低翅片管每米管长翅根管面平均面积，即am(di db)/2)因为传热是串联，则有q q2。选取不同的°(单位为C)进行试凑，计算结果如表2所小:o / cq1q22.0570860322.1592059112.261305790表2当。2.0 C时，q1与q2误差只为0.02%,远小于 3%符合要求。此时two tk 0 (40 2.0) C 38.0 C,取 qo q2 q15915.6

19、8W/m2 5500W/m2,2与前面假定的5500W/m2只相差7.6 % <15%,符合要求。传热系数：Ko ' 5915.68 845.1W /(m2 K) tm 7.01.7.4 传热面积Fof与有效管长1确定计算实际所需传热面积：Fof Qk/qo 111000/5915.68m2 18.76m2 Fo 20.18m2初步结果设计中所需要的冷凝传热面积11.82m2较传热计算传热面积大8.6%,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l 且 18.761.69mafoN 0.139 80适当增加

20、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l 2.0m。则实际布置管外冷凝传热面积F 80 0.139 2.0m2 22.24m2,较传热计算 所需传热面积大22.6%,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P232公式(9-71)得:水的沿程阻力系数0.3164C 0.25Re0.3164050.024527441冷却水的流动阻力1.5(N1)1 994.3 1.972 0.024522.01.5(2 1)26863Pa0.0104(其中lt是左右两管板外侧端面间的距离，此处lt=2.0m)考虑到外部管路损失，冷却水泵总压头约为

21、p 0.1 p (0.1 0.026863)MPa 0.1269MPa取离心水泵的效率0.6,则水泵所需的功率为:qvsP' 6.686 10 3 0.1269 106水泵所需的功率Pe vs 1414W0.6三、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qvs 6.686 10 3m3/s,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u 1.0m/s ,故冷却水进出口连接管的直径di J典J4 6.686 10 3 92.3mm 0,u 3.14 1.0查冷库制冷设计手册第 605页得，选取无缝钢管 10

22、8 4.0,内径为100mm3.1.2 制冷剂连接管根据传热循环查R22的lgP h图（见上面“系统循环图”）得:冷凝器入口 h2s 453.8kJ/kg, 2s 0.02m3/kg冷凝器出口 h4 250kJ /kg , 4 0.886 10 3m3/kg制冷剂的质量流量qmo111h2s h5453.8 2500.5447 kg. 's制冷剂蒸气的体积流量qv2s qmo 2s 0.5447 0.02 0.0109m3/s343制冷剂减体的体积流量 qv5 qmo 5 0.5447 0.886 104.83 10 m /s根据小型制冷装置设计指导第75页规定：初取蒸气气流速度U2

23、12m / s ,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42 2.5 ,内径 di237mm则实际蒸气气流速度u2 4qv|s 10.14m/s di2191990 一i止匕时 2su2 u2 10.142 5141kg/(m s2) 5950kg/(m s2),根据 2s 0.02GB151-1999管壳式换热器第76页5.11.3的规定，选择符合要求。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山0.5m/s,则出液管的内径：4qv4 4 4.83 10 4di4.35mm, u4. 3.14 0.5查冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管38 2.5,内径d

24、i4 33mm则实际制冷剂液体流速 山 与 0.565m/s di421 2122止匕时 4u4 u4 5.65 360.3kg/(m s ) 5950kg / (m s ),根据40.000886GB151-1999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2121222su2u2 10.14 5141kg/(ms) 2230kg / (m s ),故需安装防2s 0.02冲板。根据GB151-1999管壳式换热器第76页5.11.4规定

25、，取厚度为3mmi不锈 钢作为防冲板，规格为：a a 142mm 142mm ,直接焊与拉杆上。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， 选择用 273mm 7.0mm(内径Di 259mm，外径Do=219mm厚度s=7.0mm)的无缝钢 管作为壳体材料。根据GB151-1999管壳式换热器第27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。如图 3所示：图3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f1 1.15,与管板兼做法兰有关的系数f2 1.30。由制冷机工艺P111经验公式(6-4)得

26、管板厚度：t f1 f2 (17 0.0083Di) 1.15 1.30 (17 0.0083 259)mm 28.6mm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4):Di 259-选用 S 7mm, R 259mm, hi - mm 65mm,44ho h S 65 7 73mm, L 8%Di 0.08 259 20.7mm图43.6 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（相关尺寸如图5所示）：图5查表 3-9 得，K 160mm, L 240 mm.3.6.2 支座定位： 根据GB151-1999管壳式换热器第

27、87页5.20.1的规定（如图6所示）：图6取 Lb 1000mml LC LC 500mm（其中 L=2000mm）3.7 支撑板由换热管长l=2m 得，需安装至少一块支持板（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勺最大无支撑跨距是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 4 块支撑板缺口左右方向交替排列均匀布置，此时换热管无支撑跨距为400mm。 根据热交换器原理与设计第 51 页表2.6： 取支撑板厚度为6mm，直接焊接在拉杆上。3.8 拉杆根据GB151-1999管壳式换热器第76

28、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 5根。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1.6MPaj）查第4 页表 2 及第 6 页表 4 及第 8 页表 6 得： （如图 7 所示）图7冷却水进出口连接管法兰（A=108m）m：n4,K170mm, D210mm, L18mm, B110mm,C18mm, f2mm.制冷剂进气连接管法兰（A=42mm） ：n4, K110mm, D150mm,L18mm, B46

29、mm,C18mm, f2mm.制冷剂出液连接管法兰（A=38mm） ：n4, K100mm, D140mm, L18mm, B39mm, C18mm, f2mm.3.9.2 管板法兰根据GB150-1998钢制压力容器第95页表9-3及GB151-1999管壳式换热器第142页图G1的规定：管板兼做法兰，取La 24mm, Le 20mm （如图8 所示）表3 La、Le、L的最小值图8375mm335mm法兰外径Df Do (LA Le s) 2 273 (24 20 7) 2法兰厚度f t 3 2 30 3 2 24mm螺栓所在圆的直径Da Do (2 LA s)273 2( 24 7)螺

30、栓所在圆周长CaDa 3.14 335mm 1051.9mm3.9.3 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）图93.10垫片3.10.1 材料的选取根据GB151-1999管壳式换热器第145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93页表9-2 ,取厚 度 1.5mm,得垫片系数m 2.75,比压力y 25.5MPa。再根据以上法兰的结 构，由GB150-1998钢制压力容器第91页表9-1 ,选1a型压紧面。本次设计壳体内径 Di=259mm<700mm（垫片宽度N=20mm根据GB1

31、50-1998 钢制压力容器第96页9.5.1.1 得：垫片基本密封宽度 ,N bo 10mm 6.4mm。2垫片的有效密封宽度b 2.53, bO 2.53 .10mm 8.00mm3.10.2 垫片压紧力作用中心圆直径因为bo 10mm 6.4mm 取垫片接触面外径Df。320mm,根据 2GB150-1998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Dg Dfo 2b 320 2 8.00 304mm3.10.3 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FG 3

32、.14DGby 3.14 304 8.00 25.5 194730NB）操作状态下所需要的最小压紧力（其中pc 1.6MPa为冷凝压力）Fp 6.28DGbmpc 6.28 304 8.00 2.75 1.6 67201N3.10.4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3153-5 105MPa ,螺3能，为此垫片须有足够的宽度Nmin。根据后面所选螺栓的计算,常温下35号钢的b 栓实际面积：A 2404.1mm2。NminAb b2404.1 105 1066.28DGy 6.28 304 25.5 106mm 5.19mm N20mm故所选的垫片宽

33、度符合要求。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/T5780-2000M16 90,由机械设计基础第137页表10-1 得：小径di 13.835mm,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1c ,6 f c “Lmax 2d216m 0.56 24 76.31mm2.75 0.5由GB150-1998钢制压力容器第95页表9-3可知螺栓的最小间距Lmin46mm由此可取螺栓间距L 60mm由

34、前面可知螺栓所在圆的周长Ca 1051.9 mm ,故所需的螺栓数最少n1051.9 8013.15个，为了便于布置螺栓，取 n=16。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Wa 3.14DGby 3.14 0.304 0.008 25.5 106 24341.3NB）操作状态下需要的最小螺栓载荷2WP F FP 0.785DG pc 6.28DGbmpc0.785 0.3042 1.6 106 6.28 0.304 0.008 2.75 1.6 106183275.5N3.11.4螺栓面积根据GB150-19

35、98钢制压力容器第25页表4-7 ,常温下35号钢M161栓材料 的b 530MPa , s 315MPa,设计温度下螺栓的许用应力 ；114MPa ,315据机械设计基础第148页表10-6,取安全系数S 3, b 105MPa <S 3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A W 183275.5 1745.5mm2b105B)操作状态下需要的最小螺栓面积AP -WP- 183275.5 1607mm2b114需要的螺栓面积Am max(Aa, Ap) Aa 1745.5mm2实际螺栓面积19199、一一、Ab 16 di2 16 3.14 13.8352 2404.1mm2 1745.5mm2,符合要求。443.11.5螺栓设计载荷根据GB150-1998钢制压力容器第97页式（9-8）及（