热交换器原理与设计课程设计-110KW壳管式干式蒸发器

课 程 设 计 课程名称_ 换热器课程设计_ _题目名称_110kw管壳式干式蒸发器设计学生学院_ 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 9 日广东工业大学课程设计任务书题目名称110KW壳管式干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卧式壳管式干式蒸发器。蒸发器制冷量=110KW，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：设计总说明 本次热交换器课程设计我所设计的课题是管壳式干式蒸发器，其中换热器的换热量=110kW，制冷剂是R22，制冷剂温度：蒸发温度 to=2,冷凝温度 过热度冷媒水进口温度t1=12,冷媒水出口温度t1=7。本次设计首先要大概确定蒸发器的结构，例如壳体直径、换热管直径及数量，还有管板厚度和折流板的数量等等，其中每个流程的管子数量采用两分点比容来确定，其它参数很多是根据换热量的大小，然后凭借经验大概确定，然后通过校核修改，最终确定符合设计要求的主要参数。本次课程设计主要分为四个步骤：（1）通过对已知参数流量计算，由经验取制冷剂管内单位面积质量流速为：Vm=100kg/m2s,初步规划蒸发器结构，为后来的理论设计计算提供依据（2）根据结构参数确定有效传热面积，通过计算管内管外换热系数，传热温差，进行传热面积校核，校验理论计算是否合理，若不合理通过改变换热管数改变换热面积，如果后者比前者少10%至20%，即符合要求。（3）根据需求的制冷量流量，冷媒水流量确定制冷剂和冷媒水的进出口面积，并进行选管。（4）结构机械性能计算及附件的选择，强度计算，螺栓、垫片的选择要严格按照国标，校核时按照国家压力容器安全技术标准来进行计算。最终完成了一个材料节省，满足要求，结构合理的壳管式干式蒸发器。关键词： 管壳式 干式 蒸发器 热力计算，强度计算，密度计算 目录1. 设计题目：110kw管壳式干式蒸发器设计12. 主要参数13. 设计过程1 3.1流量计算23.1.1单位质量制冷量23.1.2质量流量23.1.3冷媒水流量23.2蒸发器结构初步规划23.2.1布管23.2.2换热面积43.3热力计算43.3.1管外换热系数的计算43.3.2管内换热系数的计算53.3.3制冷剂流动阻力及传热温差的计算63.3.4传热系数及按内表面计算的热流密度73.4结构计算83.4.1 R22进口面积83.4.2 R22出口面积93.4.3冷媒水进出口面积93.5选垫片103.5.1垫片103.5.2垫片压紧力作用中心圆直径103.5.3垫片压紧力103.6选螺栓与法兰113.6.1螺栓与法兰113.6.2螺栓载荷113.6.3螺栓面积113.6.4螺栓设计载荷123.7支座124.心得体会 135.参考文献 141.设计题目：110kw管壳式干式蒸发器设计2.主要参数：1.换热器的换热量：110kw2.给定的制冷剂：R223.制冷剂的温度：to=2， tr=34.冷媒水的进出口温度：t1=12，t1=7。3. 设计过程： 图1：R22的压焓图查表得，各点参数：（见参考文献1附表13）状态点温度t()压力p(kpa)焓h(KJ/Kg)比容v(/Kg) 12530406154070.040424333401533250425302500.01123.1流量计算：3.1.1单位质量制冷量：3.1.2质量流量 ：3.1.3冷媒水流量：水在常温下 3.2蒸发器结构初步规划3.1.1 3.2.1布管分两个流程，均分点的比容为：根据2均分点比容：制冷剂从下端进入管子，在管中蒸发，从上端出蒸发器。从下往上初选相应选择各管程管数为:,则总管数为根，每流程的平均管数： 根，可得每根管内制冷剂流量：选拉杆数为4，（见参考文献3表2.7）换热管按正三角形排列，管子中心距16mm（见参考文献3表2.3），壳体直径附近铜管数=15根，布管限定圆的直径：=1516=240mm由（且不小于8mm，取8mm）（见参考文献32.3式） 得壳体内径，厚度为8.5mm的无缝钢管（见参考文献8GB/T 17395-2008）换热管长度与壳体直径之比通常为610(见参考文献3P55)且由推荐采用长度，取,弓形折流板间距且不小于50mm(见参考文献3P50)初取 ， 管板厚度=25(见参考文献3表2.4 P48)，折流板厚度=3(见参考文献3表2.6 P51) 管长：L=2+（-1）+2+3得折流板数并调整得，折流板上下缺口高度一般为壳体内径的2045（见参考文献3P49）经布管调整后得下缺口高度H1=57mm,管子数Nb1=19根, 上缺口高度H2=58mm,管子数Nb2=20根。3.2.2换热面积：蒸发器外表面积： 有效传热面积：3.3热力计算：3.3.1管外换热系数的计算：（1） 折流板的平均间距s(2)横向流通截面积Ac（见参考文献1式（9-78）（3） 横向流速uc(4)折流板上下缺口面积 （见参考文献1式（9-77） 表9-7）由折流板下缺口高度、上缺口高度 从表9-7查得=0.146，=0.145(5) 上下缺口面积的平均值Ab: (6) 纵向流速: (7) 与的几何平均值u: (8)管外换热系数a0冷媒水平均温度。据此温度查得水的物性数据为Prf=9.73,运动粘性系数,导热率W/（m)（查参考文献5附录9）则管外换热系数：（见参考文献1式（9-57）W/（m2 )3.3.2管内换热系数的计算 假定蒸发器按内表面计算的热流密度qi4000w/m2 （此假定将在后面检验），则管内换热系数ai ：（见参考文献1式（9-48）式中(见参考文献1表9-3求得）。因每根管内R22的质量流量qm 为 且质量流速为：故 w/m2 3.3.3制冷剂流动阻力及传热温差的计算（1） 制冷剂的流动阻力计算 R22饱和蒸气的流速为 (2)确定雷诺数 蒸发器出口处的蒸发温度，据此从物性表中查得R22的参数为：密度，普朗特数；运动粘性系数。(参考文献1 附表19) 将上述数据代入Re 数的计算式中，得到（3） 沿程阻力系数：（4）饱和蒸气的沿程阻力，按（参考文献1 式9-83）计算（5） 两相流动时R22的沿程阻力为 （查参考文献1表9-8） （6） 总阻力为：（7） 对数平均温差 在2附近，压力每变化0.1Mpa,饱和温度约变化 5.5，因此蒸发器进口处R22的温度为 对数平均温差 3.3.4传热系数及按内表面计算的热流密度（1）传热系数管内侧与管外侧的污垢系数均取为，则传热系数为w/m2 （见参考文献3式2.25）其中管壁厚度（12.7-11.4）/2=0.65mm,为管材的导热系数400 W/mk，为管子平均直径（2） 按内表面计算的热流密度： 迭代，解得，说明前面假定是正确的。（3） 传热系数的数值 （4） 所需之传热面积F0 此值比初步规划的有效传热面积F0=10.32 m2 小，约小11%。因而初步规划中所定的尺寸有足够的裕量。 3.4结构计算3.4.1 R22进口面积取制冷剂进口流速，比体积按饱和液态计算，查文献1附表3得在时，v=0.00088/Kg由 得：按公式10-1（参考文献1）根据无缝钢管尺寸规格(参考文献8 GB/T17395-2008)选用的无缝钢管，实际进口流速为，基本符合要求 根据（参考文献8 GB/T9119）管径选接管法兰外径140mm，厚度18mm3.4.2 R22出口面积取出口流速为,比体积按饱和气态计算 v=0.0.063/Kg (见参考文献1附表4)由 得：根据无缝钢管尺寸规格(参考文献8 GB/T17395-2008)，选用的无缝钢管，实际出口流速为 符合（参考文献1表103）的要求, 根据（参考文献8 GB/T9119）管径选接管法兰外径185mm厚度22mm3.4.2 冷媒水进出口面积取冷媒水进出口流速为，水在附近，可近似认为v=0.001/Kg由 得根据无缝钢管尺寸规格(参考文献8 GB/T81621987)选用的无缝钢管，实际冷媒水进出口流速，符合要求, 根据（参考文献8 GB/T9119）管径选接管法兰外径165mm，厚度20mm3.5选垫片3.5.1垫片选取石棉垫片，具有适当加固物（石棉橡胶板）,其参数如下：厚度为 1.5mm,垫片系数比压力，设计压力P=1.56MPa，（参考文献7 表9-2），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，其值可按经验确定，由经验值取（参考文献7 P96）垫片接触宽度 和基本密封宽度因为所以垫片有效密封宽度 3.5.2垫片压紧力作用中心圆直径取垫片内径为，垫片压紧力中心圆直径3.5.3 垫片压紧力a.预紧状态下需要的最小垫片压紧力按参考文献7式（9-1）计算： b.操作状态下需要的最小垫片压紧力按参考文献7 式（9-2）计算： 3.6选螺栓与法兰3.6.1螺栓与法兰钢管内径，由参考文献8表6-3可知经济壁厚为6mm，钢管外径系列化后，选择外径为273mm，根据参考文献8GB/T 9119，公称压力PN=1.6Mpa，得螺栓选M24，材料选用35号钢，GB699,正火处理，螺栓数取n=12，螺栓孔径L=26,螺栓孔中心圆直径K=355。取法兰厚度，法兰内径B=276mm，法兰外径D=405mm。螺栓最大间距（参考文献7式9-3）由此，按照此条件的螺栓数目枚，螺栓数取12枚符合要求。3.6.2螺栓载荷a. 预紧状态下需要的最小螺栓载荷按参考文献7 式9-4计算：b. 操作状态下需要的最小螺栓载荷按参考文献7 式9-5 计算：3.6.3螺栓面积常温下35号钢的，安全系数参考文献7表9-2，即常温下许用应力，预紧状态下需要的最小螺栓面积按参考文献7式（9-6）计算： 操作状态下需要的最小螺栓面积按参考文献7 式（9-7）计算： 需要的螺栓面积参考文献7 Am取两者较大者 因为实际螺栓面积，故满足要求3.6.4螺栓设计载荷 预紧状态螺栓设计载荷按参考文献7（9-8）计算： 操作状态螺栓设计载荷按参考文献7式（9-9）计算： 3.7支座 按参考文献2表3-9 查得支座的L=240mm,K=160mm,支座在蒸发气中的位置可按下列要求确定：若蒸发器主体部分的长度（两管板外侧端面间的距离）为，壳体的平均直径Dm,支座钢板厚度中心处与管板外侧的距离为S，则支座的位置应保证,且取S=65mm。4. 心得体会 通过两周的课程设计，让我把以前学过的知识重新运用起来，通过查阅了大量的参考文献，使我的专业知识得到进一步的巩固，这次的课程设计是一次很好的综合能力的考验的体现，在做设计的过程中碰到了很多问题，幸好我们是以团队小组的形式通过讨论，一齐分析，很多问题都能自己解决，第一次在算相应的参数的时候由于没有经验，在布管方面由于取管的根数少了，出现了一个很大问题，在最后算得的所要的传热面积比有效传面积还大，通过小组的讨论解决的认为有两种可行的方法，一是增长换热管，二是增加换热管数，最后我选择了增多换热管的根数，这个问题也得到了解决，最后算的所需传热面积比有效传热面积少11%，符合要求。其次就是通过这次课程设计，很好地锻炼了我们的团队合作精神和耐心与恒心，更重要的是告诉我们要以严谨的科学态度对待调和设计。最后要谢谢黄金老师给我们的指导和同学们的帮忙。我才能顺利地完成本次课程设计。5. 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钢制压力容器标准GB150-19988 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.