热交换器原理与设计课程设计-65kW满液式蒸发器.doc

目录1设计题目及设计参数11.1设计题目：满液式蒸发器11.2设计参数：12. 设计计算12.1热力计算12.1.1制冷剂的流量计算12.1.2冷媒水流量计算12.2传热计算22.2.1选管22.2.2管内换热系数的计算22.2.3管外换热系数的计算32.2.4传热系数计算32.2.5传热面积和管长确定42.3流动阻力计算43结构计算53.1换热管布置设计53.2壳体设计计算63.3校验换热管管与管板结构合理性63.4零部件结构尺寸设计63.4.1管板尺寸设计63.4.2封头73.4.3分程隔板73.4.4支座83.4.5支撑板与拉杆83.4.6螺栓93.4.7垫片的选取103.4.8连接管114换热器总体结构讨论分析125设计心得体会126参考文献121设计题目及设计参数1.1设计题目：65KW满液式蒸发器全套图纸加扣 30122505821.2设计参数：蒸发器的换热量Q0=65KW；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制冷剂的流量计算 根据制冷原理与设备，制冷剂的lgp-h图：P0=0.531MPa，h1=406.084KJ/Kg， PK=1.534MPa，h3=h4=249.686KJ/Kg， ， 图2-1 R22的lgP-h图 制冷剂流量2.1.2冷媒水流量计算水的定性温度ts=（12+7）/2=9.5,根据传热学附录9，=999.7kg/m3,cp=4.192KJ/(KgK)，Pr=9.52, 2.2传热计算2.2.1选管一般在氟利昂蒸发器中采用低螺纹铜管，而且低螺纹铜可以提高冷媒侧的对流换热系数，故采用低螺纹管，由于满液式蒸发器管内走冷媒水，管外走制冷剂，所以管内换热系数也一般大于管外的。根据小型制冷装置指导p71换热管用低翅片管序号1，规格161.5mm，如图所示： ，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 2.2.2管内换热系数的计算 冷媒水的定性温度,查物性表得：， ，,暂取水的流速，流通截面积为管程设计为2程，每流程管子数，取22，当Z=22时，冷媒水的实际流速为， 在10000到120000之间，故根据传热学 式6-15，2.2.3管外换热系数的计算 平均传热对数温差： 由于管外走制冷剂R22,管外换热系数,其中 2.2.4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、管内污垢层以及冷媒水的传热过程。由于对于低肋管，氟利昂制冷剂的沸腾换热系数与光管相近，故用光管的相关公式计算。 第一部分热流密度 第二部分热流密度 （根据冷媒水平均温度,制冷剂,在制冷原理与设备p198表9-1中，得出管内污垢系数； 管外污垢系数）。用试算法估算 的值，确定热流密度 表2-1t44.014.024.015q4259.2184298.0574337.0544317.536q4330.7094322.8354314.9614318.898可得：当t=4.015时，q与q非常相近，由此取,，2.2.5传热面积和管长确定传热面积管子有效长度，取管长2.5m2.3流动阻力计算 根据制冷原理与设备p232(9-71)，对于冷媒水，沿程阻力系数，冷媒水的总流动阻力： 符合热交换器原理与设计p68表2.10允许压降，故设计合理。3结构计算3.1换热管布置设计 选用1-2型结构，Z=22，采用等边三角形与正方形的组合排列方式，查热交换器原理与设计p45表2.3，换热管中心距s=22mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距，换热管在管板上的分布如图 图3-1 管板布管图 由图3-1可知，最外层换热管所在圆直径3.2壳体设计计算 由实际布管得，根据无缝管尺寸、外形、重量及允许偏差GB/T 173952008表1，查得： ，根据制冷机工艺p110表6-4，壳体壁厚选用经济型，所以壳体内径3.3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，根据制冷原理与设备p205“最外部孔的边缘与外壳内表面的距离不赢小于5mm”，暂取8mm，布管限定圆直径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。 换热管长度与壳体直径之比，所以选用两个流程是合理的。3.4零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。3.4.1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。 根据热交换器原理与设计表2.4管板最小厚度不小于0.75d=0.75*16=12mm，根据制冷机工艺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=1.30，由经验公式（6-4）得管板厚度：t= (17+0.0083)=1.151(17+0.0083273)=22mm,实际可取t=24 mm. 取法兰外径：D=+（S+）2=273+（24+18）2=357mm法兰厚度取=20mm,螺栓所在圆的直径：=+S2=273+242=321mm,周长：=3213.14=1007.94mm。图3-2管板法兰3.4.2封头根据制冷机工艺表6-8选椭圆形端盖，厚度S选为经济壁厚6mm。如图所示的内高起部分，此时端盖的椭圆长轴R等于筒体的内径，连接螺旋处的厚度为20mm。圆筒部分长度，一般为2560mm，取25mm。 图3-3 椭圆形封头3.4.3分程隔板按制冷机工艺表6，分程隔板厚度选，分程隔板槽深5mm,槽宽为15mm。 图3-4 分程隔板槽3.4.4支座 根据小型制冷装置指导表3-9，确定支座尺寸L=309.2mm，K=160mm. 图3-5 支座3.4.5支撑板与拉杆根据热交换器原理与设计P51，换热管外径14d25,所以拉杆直径取=12mm，数量取4根。由前面选管长l=2.5m，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。根据管壳式换热器GB/T151-1999表42，最大无支撑跨距为1100mm，取每两个支撑板的间距为1100mm，2500/1100=2.3，取整3，所以取支撑板的个数为3-1=2个。 图3-5 拉杆 3.4.6螺栓 3.4.6.1螺栓的布置 a 根据法兰及端盖的厚度，参考画法几何与机械制图P365附表1-1，选螺栓GB/T5782 M1660，其小径=13.835mm 螺栓的最小间距应满足扳手操作空间的要求，由螺栓的直径，可以查得。b.螺栓的最大间距，其中，为法兰有效厚度，为螺栓公称直径，因为螺栓所在圆的周长=3213.14=1007.94mm。取螺栓间距为65mm，故所需要的螺栓数n=1007.94/65=15.5个，取整16个。螺栓总面积A=。 3.4.6.2螺栓的载荷预紧状态下需要的最小载荷：（=275mm详细见后面计算）操作状态下需要的最小载荷：=0.7852751.569+6.2827562.751.569=137854N 3.4.6.3螺栓的面积 根据GB/T 150-1998钢制压力容器表4-7，螺柱材料选取35号碳素钢螺柱，查的=530Mpa，一定温度下的许用应力。根据机械设计基础表10-7查的，控制预紧力时安全系数S=3所以常温下许用应力，预紧状态下需要的最小面积：=747.7操作状态下需要的最小面积：1178.2 需要的螺栓面积：= =1178.2螺栓的实际面积：=2405.3，符合要求。 3.4.6.4螺栓设计载荷 预紧状态下: 操作状态下：W=137854N3.4.7垫片的选取材料：石棉，具有适当加固物（石棉橡胶板）;厚度为1.5mm;参数为：垫片系数m=2.75，比压力y=25.5Mpa，p=1.569Mpa 宽度：根据热交换器原理与设计P47，本设计筒体内径=273mm700 mm时，可选，故可取垫片宽度N=12mm,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=261+12+62=275mm. 预紧状态所需的最小压紧力：=3.14 =3.14275625.5=132116N操作状态下所需的最小压紧力：=6.2827562.751.569=44709N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： 所以最初选的垫片厚度符合要求。3.4.8连接管 3.4.8.1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（根据小型制冷装置设计指导书P75选氟里昂液体流速为），圆整后，取无缝钢管 出口接管内径（根据小型制冷装置设计指导书P75选蒸汽流速为），圆整后，取无缝钢管 3.4.8.2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4换热器总体结构讨论分析 在本次课程设计中，我的设计任务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、螺栓等进行选取，对螺栓和垫片进行强度校核，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。5心得体会这次的换热器课程设计，是对制冷原理热交换器原理与设计等知识的一次实践，让我对这些知识更深入地学习。这次课程设计是用AutoCAD画图，Word文档制作说明书。在画图及制作说明书过程中，遇到了许多的问题，比如运用Word生成目录，这些操作让我对这两个软件有了更全面的认识，并熟悉了其操作过程，设计过程中也不断发现之前的纰漏，需要不断的改进以及耐心。两个星期的课程设计结束了，虽然这两个星期比较忙，但觉得这两个星期过得很充实。此外感谢黄金老师的指导和耐心地解答我们问题，还有同学们的帮助。6参考文献1 吴业正. 制冷原理及设