kW水冷式管壳冷凝器-设计说明书.doc

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 111kW 冷凝温度 40 制kQkt 冷剂为 R22 冷却水进出口温度分别为 进口温度 32 出口温度2t 36 2t 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 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 25 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 26 6 28 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 6 29 6 30 4 绘制换热器装配图 1 张 拆画零件图 1 2 张 宿舍 7 0 7 5 5 设计答辩及成绩评定 指定教室 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 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 主管院长签章 设 计 总 说 明 本课程设计是设计一个热负荷为 111kW 的水冷式管壳冷凝器 本课程设计 是在给定冷凝器换热量 制冷剂为 R22 冷凝温度 40 冷却1kQW kt 水进口温度 32 冷却水出口温度 36 假定蒸发温度 制2t 2t 015C 冷剂过热度为 的条件下进行设计的 5rtC 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 流程数20 4Fm N 2 总管数 有效单管长 制冷剂蒸汽进口管径80NZ 根 1 69lm 制冷剂液体出口管径 冷却水进出口管径为 42 5 3825 18 0 水泵最小功率为 14PekW 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 目 录 一 冷凝器热力 结构计算 2 1 1 冷凝器的传热循环的确定 2 1 2 冷却水流量 和平均传热温差 的确定 3vsqmT 1 3 换热管的选型 4 1 5 确定每流程管数 Z 有效单管长 及流程数 N 5l 1 6 传热管的布置排列及主体结构 6 1 7 传热计算及所需传热面积确定 6 二 冷却水侧阻力计算 9 三 冷凝器的配件及其强度校核 10 3 1 连接管管径计算 10 3 2 防冲板 11 3 3 壳体 12 3 4 管板 12 3 5 端盖 12 3 6 支座 13 3 7 支撑板 14 3 8 拉杆 14 3 9 法兰类选择 14 3 10 垫片 17 3 11 螺栓 18 3 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 图 1 根据冷库的实际工作工况 取蒸发温度 过热度 即05tC 5rtC 吸入温度 冷凝器出口温度 10tC 4k 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 82 12334 2R 45 418 50 0 shkJghkJghkJgmvkg 查 压 焓 图 得 860 t21w 48 0 tii kJg 21 4058 453 8sihwkJgkJg 0224R1 753 8skmostCQq sh 再 查 压 焓 图 得 1 2 冷却水流量 和平均传热温差 的确定vs mT 1 2 1 冷却水流量 确定vsq 冷却水进出口温度 平均温度 由水的物Ct 326t Ctm 34 性表可得 394 kgm 417 pcJkgK 620 741 s 26 810 W 则所需水量 32 68 vskpqQctms 1 2 2 平均传热温差 的确定Tm 由能量平衡 有 2332 mospvqhtc 0 547 3 841 635 1906oC 各段对数平均温差 1 段 3216 0lnomktCt 2 段 232 17 5loskmkttt 整个过程的平均温差 积分平均温差 25343127 0osmmht Ctt 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 有关结构参数为 10 4idm 15 td 0 4tm 12 4bd 1 2fsm 单位管长的各换热面积计算如下 222 2 22 15 0 0 58 14 1 0 97 60fdtfftbfftiias msa 翅 顶 面 积翅 侧 面 积翅 间 管 面 面 积 2222 14 0 37 158 09 6 0 3 ofdfbmma m 管 外 总 面 积 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 2 oqW 22 10 50 18koFQqm 应布置的有效总管长 F 013945ofLam 1 5 确定每流程管数 Z 有效单管长 及流程数 N l 冷却水进出口温度 平均温度 由水的物Ct 32t 6Ctm 34 性表可得 394 kgm 417 pcJkg 620 741 ms 26 810 W 则所需水量 32 0 68 vskpqQctms 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 则每流程管数2 us 24 39 5viZqdu 根 取整数 Z 40 根 即实际水流 2240 681 97m s4vsiqudz 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liD il 计算 组合计算结果如表 1 所示 流程数 N 总根数 NZ 有效单管长 lm壳内径 i长径比 ilD 2 80 1 81 0 236 7 67 4 160 0 91 0 334 2 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 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 选管距 分程板两侧相邻管中心距2sm 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40El 数 Z 40 根 传热管的布置排列如图 2 所示 图 2 1 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 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034Cmt 620 741 ms 物性集合系数 195 6238 mBt 雷诺数 即水在管内的流动状态为46Re 00 74iud 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 0 80 82221 973 5 4wiiuaBWmKd 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 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 10 83 30 83212 0 8 496 78n z znn 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 22 4 15 4 15 3 86tbthd m 增强系数 0 20 250 6 39 897 4 19 384ofdfbofaaha 由 小型制冷装置设计指导 第 76 页表 3 11 R22 在冷凝温度 4 17 ktCB 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 0 250 25 0 250 252 7 141384 7 39 kobnkwokwooadt tWmK 其中 是管处壁面温度 kwt ot 1 7 3 传热系数 o 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okwot 却水的传热过程 其传热温差 其中 是管外污7 0iwomoott wot 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 20 86 irKW 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 q2 m 第一部分的热流密度 0 751394kooqa 第二部分的热流密度 27 01 1206 4 7 0139 39 86 93752758offiwmo oqar 其中 是低翅片管翅管壁厚度 是紫铜管热导率 取 39 WmK 是低翅片管每米管长翅根管面平均面积 即 ma 2mibad 因为传热是串联 则有 选取不同的 单位为 进行试凑 计算12q o C 结果如表 2 所示 oc 1q2q 2 0 5708 6032 2 1 5920 5911 2 2 6130 5790 表 2 当 时 与 误差只为 0 02 远小于 3 符合要求 此时2 0oC 1q2 取 4 38 0wkt 222159 68 50 oqWm 与前面假定的 只相差 7 6 15 符合要求 25 Wm 传热系数 2591 684 70oqKKt 1 7 4 传热面积 与有效管长 确定ofFl 计算实际所需传热面积 222 10 59 681 70 18ofko oQqmFm 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 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 18 76 903ofFl maN 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 2 l 则实际布置管外冷凝传热面积 较传热计2280 139 4F 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 0 250 2531644Re7 冷却水的流动阻力 2211 2 094 370 451 5 26834tilpuNd Pa 其中 是左右两管板外侧端面间的距离 此处 2 0m tl tl 考虑到外部管路损失 冷却水泵总压头约为 0 1 02683 0 1269pMPaa 取离心水泵的效率 则水泵所需的功率为 水泵所需的功率 36 104vsqe W 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 7536 810 vsqms 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1 0 ums 出口连接管的直径 346 81092 4vsiqdu 查 冷库制冷设计手册 第 605 页得 选取无缝钢管 内径为1084 100mm 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 lgPh 冷凝器入口 2453 8 shkJ 320 smkg 冷凝器出口 04861 制冷剂的质量流量 250 5473 2kmosQqkgsh 制冷剂蒸气的体积流量 32 19 vsmos m 制冷剂液体的体积流量 43550 478608 q 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 则进气接管的内径 21 ums 322410 94 02vsiqdmu 查 冷库制冷设计手册 第 603 页 选取无缝钢管 内径42 5 237idm 则实际蒸气气流速度 2410 vsiqumsd 此时 根据222221 5 590 0 ssukgkgms GB151 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 则出液管的内径 40 5 ums 444 83105viqdmu 查 冷库制冷设计手册 得 选取无缝钢管 内径382 5 43idm 则实际制冷剂液体流速 420 56 viqusd 此时 根22 22441 3 590 0 8ukgmkgs 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22 22110 45 30 ssukgmskgs 冲板 根据GB151 1999 管壳式换热器 第76页5 11 4规定 取厚度为3mm的不锈 钢作为防冲板 规格为 直接焊与拉杆上 142a 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 的无缝钢273 0 259 i omDm 内 径 外 径 1厚 度 s7 0 管作为壳体材料 3 4 管板 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 与管板兼做法兰有关的系数 1 5f 21 30f 由 制冷机工艺 P111 经验公式 6 4 得管板厚度 12 70 83 130 7 859 8 6itfDm 实际可取 t 30mm 3 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 2597 259 6 4638 0 20 7iioi iDSmRhmhL 选 用 图 4 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 相关尺寸如图 5 所示 图 5 查表 3 9 得 160 24 KmL 3 6 2 支座定位 根据 GB151 1999 管壳式换热器 第 87 页 5 20 1 的规定 如图 6 所示 图6 取 10 50 BCLmLm 其 中 L 20 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 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 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 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 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 如图 7 所示 图 7 冷却水进出口连接管法兰 A 108mm 4 170 21 8 10 8 2 nKmDLmBCmf 制冷剂进气连接管法兰 A 42mm 5 46 f 制冷剂出液连接管法兰 A 38mm 4 10 40 18 39 18 2 nKmDLmBCmf 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 如24ALm 20e 图 8 所示 表 3 La Le L 的最小值 图 8 法兰外径 273 4207 35foAeDLs m 法兰厚度 320ft m 螺栓所在圆的直径 aoAs 螺栓所在圆周长 143510 9CD 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 图 9 3 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 得垫片系数 比压力 再根据以上法1 5m 2 75m 25 yMPa 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 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 106 42oNbm 垫片的有效密封宽度 2 53 108 obm 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106 42oNbm 320foDm 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 2308 4GfoDb 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 3 14 3048 25 194730GFDby N B 操作状态下所需要的最小压紧力 其中 6cpMPa为 冷 凝 压 力6 286 2 2PGcmp 3 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 性能 为此垫片须有足够的宽度 minN 根据后面所选螺栓的计算 常温下35号钢的 螺315 0sbMPaS 栓实际面积 240 1bA 6min 0515 19206 283 GNmNmDy 故所选的垫片宽度符合要求 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 2000 由 机械设计基础 第 137 页表 10 1 得 小径1690M 根据 GB150 1998 钢制压力容器 第 25 页表 4 7 螺栓材料13 85idm 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 max6624217 310 5 50fLdm 由 GB150 1998 钢制压力容器 第 95 页表 9 3 可知螺栓的最小间距min46L 由此可取螺栓间距 由前面可知螺栓所在圆的周长60L 故所需的螺栓数最少 为了便于布置螺105 9aC105 9 3 8n 个 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 63 14 034 825 1043 aGWDby N B 操作状态下需要的最小螺栓载荷 226 6 785 0 34108304 82 751018PcGcFpDbmpN 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 530bMPa 315saP 14tbMPa 据 机械设计基础 第148页表10 6 取安全系数 3S 1 sbS 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 2183275 4 0abWAm B 操作状态下需要的最小螺栓面积 2 6 Ptb 需要的螺栓面积 2max 1745 paAA 实际螺栓面积 符合要求 2 222163 14 80 54biAdm 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 1 240 75 1423657 2tmbAWN B 操作状态螺栓设计载荷 pW 3 12 分程隔板 根据GB151 1999 管壳式换热器 第26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18页表6规定 分程隔板厚度 选 10m 四 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 邬志敏 制冷机工艺 M 上海机械学院 2000 8 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 9 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 五 心得体会 经过两周的课程设计学习 本次的程设计 使自己对水冷式换热器里面的 具体部件的设计进一步加深了解 把课堂上学到的知识实践起来 做到真正的 学以致用 知道怎么去设计每一个部件的大小强度受力是否符合规格等等方面 的信息 在设计的过程中还用到了大一所学到的机械设计基础知识 不仅仅复 习了一回 还加深机械设计基础的认识 同时 自己设计过程中面对着一大堆 信息时知道如何选择符合自己设计要求标准的来应用 这一方面很好的考验了 我筛选信息的能力以及应用的能力 在设计过程中自己遇到不懂的大家成了讨 论小组 不懂的就提出来大家一起解决 大家加强了交流 这锻炼了我们团队 合作的意识和能力 在作图方面 困难比较多 因为以前的课程设计是用手画 的 对 CAD 软件操作不熟悉 不懂的地方积极问同学 让我懂得了计算机作图 的确比手工好 效率高 与此同时 在写说明书的时候还要进行排版之类的 这方面使自己对 word 文档进一步了解 用到插入公式之类的命令 还学到了怎 么去排版 总的来说 今次的课程设计 使我从中学到了很多 包括课堂上的和课堂 外面的 这为我以后出来工作打下了一定的基础 但是由于今次时间相对来说 比较赶 这个换热器的设计多多少少都存在很多的不足和错误 希望老师在评 审的过程中给予指正 以后在学习中我一定会把自己所犯下的错误一点一点改 正