106kw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106kW水冷式冷凝器学生学院 材料与能源学院专业班级热能与动力工程（制冷与空调方向）090门学 号30学生姓名陈桂福指导教师王长宏2012年7月5日广东工业大学课程设计任务书题目名称106KW水冷式冷凝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0901班姓 名陈桂福学 号30一、课程设计的内容设计一台冷库用冷凝器。冷凝器热负荷ft=106KW，冷凝温度.= 40C,制冷剂为R22。冷却水进出口温度分别为：进口温度r；=32C, 出口温度r：=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

2、。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

3、计任务收集指定教室有关的原始资料，并选定热交换器的型式 等。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）宿舍绘制换热器装配图1张；拆画零件图12张宿舍设计答辩及成绩评定指定教室五、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.

4、5 杨世铭，陶文蚀.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(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6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106kW的水冷式管壳冷凝器。本课程设计是在给定冷凝器换热量QF106KW,制冷剂为R22,冷凝温度S=4(rc,冷却水进口温度r；=32C,冷却水出口温度f；=36C,假 定蒸发温度r0=-15C.

5、制冷剂过热度为A/f=5C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仇二、流

6、程 数N=2,总管数N Z=68根，有效单管长I二，制冷剂蒸汽进口管径42 ，制冷剂液体出口管径42 ，冷却水进出口管径为108,水泵最小功率为Pe=o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1冷凝器的传热循环的确定1冷却水流量张和平均传热温差几的确定2换热管的选型3估算换热管总长3确定每流程管数Z、有效单管长/及流程数N3传热管的布置排列及主体结构4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连接管管径计算10防冲板壳体10管板11端盖11支座12支撑板13拉杆13法兰类选择13垫

7、片16螺栓17分程隔板19四、心得体会19五、主要参考文献20一、冷凝器热力、结构计算冷凝器的传热循环的确定根据冷库的实际工作工况：取蒸发温度r0=-i5C ,过热度Arr =5C,即吸入温度冷凝器出口温度r4=40Co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尸0.78查R22压恰图得h405kJ/kg, h?二443kJ/kg, h3=418kJ/kg, h4=250kJ/kg,4 二 10-3m/kg,2尸kgWt=h2-hF (443-405) k J/kg 二 38k J/kgvv 38w： = =-口 78= 48.72/kgh2s =h +iv. =(405

8、+48.7)=453.7 kJ/kg再查R22压焙图得r2A.=80C453.7-250106=0520畑/$冷却水流量和平均传热温差几的确定1.2.1冷却水流量确定冷却水进出口温度r/ = 32C, t = 36C ,平均温度tm = 34C ,由水的物性表可得：p = 9943畑 / m3J = 4174丿 / 伙g K)v = 0.7466x 1 (T6m2 / s2 = 62.48xlOVV/(/n-A：)则所需水量 qvx = Qk / pcp（*-t；） = 0.006385m3 /s1.2.2平均传热温差几的确定由能量平衡，有fff3=t2匕一仏）=36Pc/、.,0520x(4

9、537-418) = 35 yc4.179x994.3x0.003915 _芯=S9=C4各段对数平均温差(1)段：g,6.20 CIn(2)段：/( )-(-)_1757oCnIn 21 2整个过程的平均温差(积分平均温差)= 7.(rc跳-叫| /匕_尽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2号滚轧低翅片管为传热管，有关结构参数为：d = 1 nun dl = 16mm 6J = 0.35 mm dh = 13mm sf =.5mm单位管长的各换热面积计算如下:翅顶面积勺=兀dQt / s =兀 x 0.016 x 0.00035 / 0.0015m2 / m = 0.

10、011 Im2 / m 翅侧面积竹=龙(：一盃)/(2$,)=兀x(0.0 162-0.0132)/(2x0.0015)m2 /m = 0.091 lm2 /m翅间管面面积色=7rdh ($/ - Q) / s =兀 x 0.013 X (0.0015 - 0.00035)/0.0015m2 / m = 0.03 lw2 / m q = 7td = xO.Ol /m = 0.0346/zz2 /m管外总面积為=ad +af+ ab = (0.0117 + 0.0911 + 0.03l)m2 /m = 0.134m2 /in估算传热管总长假定按管外面积计算的热流密度 =5800W/.则应布置传热

11、面积 F0=QJqo = 06000 / 5800m2 = 18.28m2应布置的有效总管长 L = VJanf = 18.28/0.134m = 136.41m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r/ =32C, t； = 36C,平均温度g =34C,由水的物性表可得： = 994.3Rg/F勺,=4174 丿 / 伙g )v = 0.7466/ s2 = 62.48xl0-2W/(/n.Ar)则所需水量 qvs = Qk /pcp- 104,即水在管内的流动0.7466 xlO-6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“ B厶=21

12、X6.44x1 9X = 9306.6W/(m2 K)厝 0.011021.7.2利昂冷濮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、2、4、4、4、4、4、4、4、4、4、4、4、4、4、4、2、 2、2O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： 58001V/m2,2与前面假定的58001V/zr只相差% 15%,符合要求。传热系数：K,=护=- = 886.9W / (nr K)1.7.4传热面积与有效管长/确定计算实际所需传热面积：5=2 /,= 106000/6208.W =17.07/ v, =18.28,初步结果

13、设计中所需要的冷凝传热面积18.28/较传热计算传热 面积大,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/ =-1707=1.87/na,N 0.134x68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/ = 2.0,7/o则实际布置管外冷凝传热面积Fo = 68 x 0.134 x 2.0/h2 = 1 8.23/h2 ,较传 热计算所需传热面积大，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P227公式(9-78)得:水的沿程阻力系数 =0.31640.

14、316429172.2025=0.0247冷却水的流动阻力Ap = l2吟 + 1.5( + 1)冷 x994.3xl.9822 00.0247x2x,1.5(2,1) =26276.収（其中/,是左右两管板外侧端面间的距离，此处厶二）考虑到外部管路损失，冷却水泵总压头约为即=0+ = (0.1 + 00262764)MPd = 0.1263MP&取离心水泵的效率 = 0.6,则水泵所需的功率为:水泵所需的功率Pc =空竺=6.35 宀。263川=13440UZ 0.6三、冷凝器的配件及其强度校核 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 = 6.385 x 1 （T0F

15、/ 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 = 1.0/72/5,故冷却水进出口连接管的直径橙倍=样龄论町查冷库制冷设计手册第604页得，选取无缝钢管008x4.0,内径为100mm。3.1.2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 h2x = 453.7紂 / kg ,= 0.02用 / kg冷凝器出口 h4 = 250kJ I kg , u4= 0.886 xlO_3m3 / kg制冷剂的质量流量张=占=-76- = 0.5201 k8/s/匕一 453.7-250制冷剂蒸气的体积流量 qv2s =

16、qmov2i = 0.5201 x0.02 = 1.04xl02in3 / s制 冷 剂 液 体 的 体 积 流 量q、5 =册05 = 0.5201 x0.886x 10? =4.61xl0l/?z，Is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= 14/7?/ S ,则进气接管的内径：=30.75mm阿二阳04乂10才 寸兀II、V 3.14x14查冷库制冷设计手册第603页，选取无缝钢管042x2.5,内 径d门=37 mm则实际蒸气气流速度厂徐= 9.67必此时卩出：=Wn2.v1002x9.672 = 4675kg /(m-s2) 5950kg / (m s2)根据GB1

17、51-1999管壳式换热器第78页511.3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心=05加/s ,则出液管的内径：=34.3/?/?4% _(4x4.61x101加仃 V 3.14x0.5查冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管042x3.0,内径di4=36mm则实际制冷剂液体流速心= 0.453？/$翫亦 X 0.453 = 231 * / (加 F) 2230kg /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：axa = 92mmx92mm ,直接焊与拉杆 上。壳体根据先前设计

18、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0273”X7.0”（内径Dj = 259mm,夕卜径Pf,=273mm,厚度s=7. Omm）的 无 缝钢管 作 为壳体材料。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。图18（完）选择管板兼做法兰，根据制冷机工艺第门1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A = 1.30 -O由制冷机工艺P111经验公式（6-4）得管板厚度：t = f2 (17 + 00083DJ = 1.15 x 1.30x (17 + 0.0083 x 259)mm

19、= 28.6/wh实际可取t=30mm 端盖根据制冷机工艺第112页关于封头的规定（结构如下图）:n 759选用 S = 7mm. R = 259mm J. = = 64.75“，44ho = I、+ S = 64.75 + 7 = 71.75mm. L = 10%Dr = 0. lOx 259 = 25.9mm封头支座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,K = 160mm, L = 240?.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:支撑板 由换热管长I二2m得，需安装至少一块

20、支持板（根据热交换器原理 与设计第50页表，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400mmo根据热交 换器原理与设计第51页表：取支撑板厚度为6mm,直接焊接在拉 杆上。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5根（布置 如上图（1）所示）。法兰类选择3. 9.1连接管法兰根据GB/T 9119-2000第2

21、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，壳程设计工作压力为） 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=108mm）:“ =4, K = 170mm, ） = 21 Om/n. L = 1儿 3 = 11 Omni. C = 1 Smni. f = 2nun. d = 144mm. 制冷剂进气连接管法兰（A二42mm）: =4, K = 1 OOnmi. D = 130mm, L = 14”, B = 46mm. C = 16mm. f = 2mm. d = 7Smm.制冷剂出液连接管法兰（A=42mm）: =4, K =

22、1 OOmm. D = 130?上=4nmi. B = 46mm. C = 1f = 2mm. d = 7Smm.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LA=24mmfLe = 1 Smm後9-3 L亠工的最小值mmCo)(b)螺栓公称直径石攥栓小间距Z栓公称宜轻/La厶小阿距ZAfflBfflA组B组1220-16323044353070162420ia383648383680203024204642564290%(b)lMPal4MPa图G1法兰外径 Df = Do + (L. +4

23、+5)x2 = 273 + (24+18 + 7)x2 = 371mm法兰厚度 6 = f - 3 x 2 = 30 - 3 x 2 = 24/ti/n螺栓所在圆的直径 Q = Df + 2(La +5) = 273 + 2x(24 + 7) = 335/n/noo螺栓所在圆周长 Ca = nDa = 3.14x335m = 1052.43”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1平密封面垫片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

24、钢制压力容器 第95页表9-2,取厚度J = 1.5/77/h ,得垫片系数加= 2.75,比压力 y = 25.5MPao再根据以上法兰的结构，由GB150T998钢制压力容器第93页表9T,选1a型压紧面。本次设计壳体内径Di=259mm 6Amm。垫片的有效密封宽度b = 2.53賦=2.53 x皿讪=&00曲3.10.2垫片压紧力作用中心圆直径因为bt = = 1 Onun 6.4，取垫片接触面外径Dt = 309”，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 = 309 一 2 x

25、 8.00 = 293mm3.10.3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 .14Q 勿=3.14 x 293 x 8.00 x 25.5 = 187684?/B) 操作状态下所需要的最小压紧力(其中Pc=.6MPa为冷凝压力)Fp =6.28丿亿=6.28x293 x 8.00x2.75 x 1.6 = 64769N3.10.4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min。根据后面所选螺栓的计算，常温下35号钢的l7L，= = V

26、= 10：)2WA 螺栓实际面积：=2405.29肿 o州【5=6.28DGymm = 5.38/w/w C + 6.28)(；伽=0.785x0.2932 xl.6xl06+6.28x0.293x0.008x2.75xl.6xl06= 172596N3.11.4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5,=530MP“， 6=315M 1787.47w/?r ,符合要 求。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W =九:人b； = |(2405.29 +1787

27、.47)x 105 = 220119.9NB)操作状态螺栓设计载荷W = VI；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=10。四、心得体会经过两周的课程设计学习，个人感觉较好完成此次课程设计的要 求。在这过程中，感触良多，受益匪浅。总结如下：一、学习能力、团结精神、提高效率，重中之重。此次课程设计， 面对几个数据，能够做出N种组合，但每种组合是否合适与实用，得用 实际结果来证明，在这N种组合之中找到一个最佳的结合点。这就是课 程设计的难题所在。在这个

28、过程之中，需查的资料很多，这就需要对并 资料进行整合，这对于分析问题、解决问题的能力有很大的提高。加之, 课程设计的时间有限，一个人在两周的时间内是很难独立完成的，得与 同学一起学习、一起讨论、研究，这对团队精神有很大的提高，学会如 何与别人交流，听取别人的意见，与自己的观点进行整合，提高学习效 率。二、凡事没有困难与容易之分，关键是我们的态度。在刚开始接 触这个设计师，以为应该不是很难，因为之前有进行过课程设计，加上 自己的努力，都以为很快就能解决。但经过实际设计时才发现，原来 每一个零件，每一个小垫片等都有它的规格，都得按标准来做，而且特 别是刚开始在试凑的过程，是非常痛苦与令人心烦的，但

29、是自己知道 只有坚持才胜利。这次课程设计，可说是一次很好的实战经验，也让我 深深明白：无论是事大事小，都要认真应对，细心思考，不能想当然， 当出现多种选择与心烦时，要理性，保持良好的心态，运用所有资源细 心对比，才能得到最理想的设计方案。三、这次课程设计绘图老师提倡运用AUOTOCAD,确实在现在社会, 计算机能力也成为我们必不可少的部分了，经过此次的运用，提高了 个人用计算机绘图的能力，这对于以后的毕业设计和就业上了很好的 一课，当我发现我对那部分绘图不清楚的时候，我就会找资料学习，并 将之用于实际设计之中，而且时间的紧迫，也迫使自己全力应对，大大 加强了自学的能力。四、此次课程设计很花时间

30、，有时得加班，让自己深深感受到了 要作为一名设计师，其过程是漫长的，得经过时间的磨炼、经验的积累、 知识的丰富，其中最重要的一点：要有良好的心态。总之，人生无小事，细节决定成败！五、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.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