管壳式换热器设计

1、目录任务书2摘要 4说明书正文 5一、设计题目及原始数据 51. 原始数据 52. 设计题目 5二、结构计算 5三、传热计算 7四、阻力计算 8五、强度计算 91. 冷却水水管 92. 制冷剂进出口管径 93. 管板 104支座 105.密圭寸垫片 106.螺钉 106.1螺钉载荷 106.2螺钉面积 106.3螺钉的设计载荷 1011117. 端盖六、实习心得七、参考文献1218八、附图广东工业大学课程设计任务书题目名称35KW壳管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XX班姓名XX学号XXXX一、课程设计的内容设计一台如题目名称所示的换热器。给定原始参数：1. 换热器的换热

2、量Q= 35 kw;2.给定制冷剂R22 ;3.制冷剂温度 tk=40°C4. 冷却水的进出口温度 t； =32°C t； =36°C二、课程设计的要求与数据1）学生独立完成设计。2） 换热器设计要结构合理，设计计算正确。（换热器的传热计算，换热面积计算，换热器的结构布置，流体流动阻力的计算）。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，使用计算机绘图。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

3、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；正文数据和公 式要有文献来源编号、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，拆画关键部件零件图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；根据设计任务搜索有关的 原始资料，并选定热交换器的型式等。教-2-3166.27-6.272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）教-2-3166.27-6.293编写设计说明书（严格按照广东工业大学

4、课程设 计说明书撰写规范编写）教-2-316或学生自由安 排地点6.28-7.14绘制换热器装配图1张；拆画零件图12张教-2-316或学生自由安 排地点7.2-7.85设计答辩及成绩评定教-2-3167.9五、应收集的资料及主要参考文献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，20032 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 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,1998.4 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. 杨世铭，陶文铨.传热学（第四版）M.北京：高等教育出版社，2006.

5、 沈维道等 工程热力学（第三版）.M.北京：高等教育出版社，2001.7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、空气调节等相关文献资料。发出任务书日期：年6 月27日指导教师签名：计划完成日期：年7 月9日基层教学单位责任人签章:主管院长签章：本次课程设计的任务是设计一个 35kW管壳式冷凝器，其给定的条件是：换 热器的换热量Q=35KW;制冷剂R22;制冷剂温度tk =40°C,冷却水的进出口温度进口 t； =32°C ；出口 t； =36°C。本设计的主要内容包括四大方面，即热力计算, 结构计算，阻力计算，强度校核等

6、。通过冷凝器型式选择、规划结构尺寸冷却水流 量qvs的计算、初步规划尺寸、 管程与有效长度的选择、管内冷却水与换热管内壁面的热流密度的计算、换热管平均管排数的计算、平均传热温差tm的计算、部件的强度校核等一系列过程，得到的主要参数如下：换热面积A°f=49m2、有效总管长L=35.97m换热管总数NZ=9根X 4程=36根、长径比i/d =4.12、热流密度q°=5090W/m2、水泵功率卩。=338 w等，并由此设计出一个平盖端头的管壳式冷凝器。在选用零部件上都严格按照国家标准，包括GB150-1998GB/T 5782、GB8163-87等，这些标准主要应用在强度计算方

7、面，包括筒体、端盖、管板、支 座、支撑板、 冷却水接口连接管、制冷剂连接管口径大小、垫片的选择及螺钉的载荷计算等。该型管壳式冷凝器主要应用在小型的制冷场合说明书正文一、设计题目及原始数据：1、设计题目：35kW管壳式冷凝器2、原始数据：冷凝器的换热量：Q=35KW ；给定制冷剂：R22制冷剂温度：tk =40°C冷却水进出口温度：进口 t； = 320C ；出口 t；二360C二、结构计算管型选择。按小型制冷装置表3-4选取3号滚轧低翅片紫铜管为传热管,有关参数为：dj =10.4 mm dt =15.1 mm 右 t =°4 mm，db = 12.4 mm $f = 12

8、 mm。单位管长的各换热面积计算如下: 每米管长翅顶面积:ad ="Sf 二心 0.0151 0.0004/0.0012 = 0.0158m m每米管长翅侧面积:af =兀(d：d2)/2sf =兀汉(0.001512 0.01242 )/(2x0.0012) = 0.0972m久每米管长翅间管面面积:0. 02 6ab"dbs”)/0.012(40. 00 1 2)0(0004=/0.002每米管长管内侧面积:aj =!忆10.0104=0.0327每米管长管外总面积:ao尸 ad+af+ab0 °； 58+ 0. 0972 0.砒咱和.139估算传热管总长。假

9、定按管外面积计算的热流密度qo = 5000W/m2，则应布置的传热面积及有效总管长分别为:A of.25000 . 5m25000气=I97m确定每程管数Z、有效单管长I及流程数N。取冷却水进口温度twi = 32P ,出口温度仏2=36乜，由水物性表可知，在平均温度34 C时水的密度994.3kg/m3，比定压热容c 4174 J (kg k)，则所需水量:Qk25000q0.00151mv Cp twrt w1 994.3 417436-32s取冷却水流速w=2.0 m/s,贝U每流程管数:Zd2w44 °. 0° 15 1 8. 8根，取 Z=9 根二 0. 01

10、0 42. 0实际水流速度:w二 24d2Z40.001 511 98m/s二 0. 01049对流程数N、总根数NZ、有效单管长I、壳体内径Di及长径比I/Di进行组合计算，组合计算如下表所示：流程数N总根数NZ有效单管长l/m壳体内径D / m长径比I/Di2182.00.12416.134361.00.2434.12表一、组合计算结果分析组合计算结果，为便于加工制造，宜选用 4流程方案。传热管的布置排列及主体结构。右图为传热管 布置排列示意图，每程管数Z=9根，传热管按三角 形排列，按热交换器原理与设计表2.3的要求, 管板上相邻管孔中心距为22 mm,分程隔板槽两侧 相邻管的中心距为3

11、5 mm。考虑到冷凝器可能需要一定的储液功能，故在排管上左右对称而上下不对 称，下半部分只布置两排换热管。按热交换器原图一、布管示意图理与设计第47页的要求，最靠 近壳体的换热管与壳体内壁的距离取 8 mm, 则所需最小壳体内径为243 mm,根据无缝钢管规格（GB8163-87）,选用外径为 273 mm，壁厚为8 mm,内径为257 mm的无缝钢管作为壳体材料。三、热力计算传热计算及所需传热面积确定。水侧表面传热系数计算：从水物性表及小 型制冷装置表3-12可知，水在平均温度怙=34七时，运动粘度 。=0.7466心0»口2，物性集合参数 B=2178.2。因为雷诺数詈勝2758

12、1>1。4，水在管内的流动状态为湍流，按小型制冷装置第78页（3-5）式计算水侧表面传热系数：0.8_Bw_wi B ,0.2di=2178.20.81.980.0104=9376.12K)0.833=0. 8 8制冷剂侧冷凝表面传热系数计算：根据管排布置，管排修正系数按小型制 冷装置第77页（3-4）式计算：4 彳.8 3 3 1 02 °.8 3 3477 页（3-2）式36根据所选管型低翅片管传热增强系数按小型制冷装置第计算。其中环翅当量高度为:也曲二竺厶仝二3.86 mm4dt4 15.1增强系数:® = ab +1ad *afaof a ofdb1/4=0.

13、026 +仆0.0158 + 0.097212.40.1390.1391.3.86 J1/4= 1.384查小型制冷装置表 3-11，R22在tk =40 C时，B=1447.1，按小型制冷装置第76页（3-1 ）式计算制冷剂侧冷凝表面传热系数:Ot ko =0.725Bdb"2%n(tk t。)s =0.725X1447.1 X0.0124X1.384X0.88;<(tk 七。严=3829.13日丄25 雪£2 心36-32小5.77 C ,4 0-32In40 -36对数平均温差计算: t w 2 t w 1九ntkt W1 t k t w 2取水侧污垢系数 ri

14、 =0.00009 （m2 k）. W，将有关各值代入小型制冷装置 第78页（3-6）及（3-7）式计算热流密度q。（单位为W/m2）:0.755.7 7-0q亠 0.0 0 009 3 76.1 2q。=3 6 5 5.珂118 2.5（5.7 790. 0 0 10. 1 3 9' 04= X.03273930.0358选取不同的d。（单位为C）进行试凑计算，结果见下表:表二、试凑计算结果日0/C第一式 q° .（ w m ）第二式 q°/（ w m）1.45506051061.46508650951.4751125083当日o=1.46°c时，两式q

15、。误差已很小，取q°=5090W/m2计算实际所需传热面积：A ofq。二整0 =4.9 m25090四、阻力计算冷却水侧阻力计算。按小型制冷装置第 79页（3-8）式计算冷却水侧流动阻力，其中阻力系数为:0.31640.3164=0.0246冷却水侧阻力:P=0.5Pw2 细山+佃 +1）di=0.5疋994.3"982 |0.0246父4 乂107+1.5疋（4 +1）IL0.0104= 34349 Pa=0.034349Mpa式中，h表示左、右两管板外侧端面间的距离，按照制冷机工艺第 111页表6-5的要求。取每块管板厚度为 35 mm，贝U lt =1.0+0.07

16、=1.07m考虑到外部管路损失，冷却水泵总压头约为:=0.1：P=0.1+0.034349=0.134349Mpa取离心水泵的效率 =0.6，则水泵所需功率为:二 338 w0.00151 0.134349 106_ 06五、强度计算1、冷却水管管径计算。取冷却水在进出水接管中的流速为 w=1m/s,则进出水接管管内径为:di = 4qv4 °.°0151 “044 m 汎-12、制冷剂进出口管径计算。由制冷原理及设备附表13查R22饱和液体及蒸气热力性质表，在忽略R22蒸气在过热区的冷却过程，可知，杠=40 C时,制冷剂在冷凝器入口处（饱和蒸气）比焓为h416.561KJ

17、/Kg，在出口处（饱和液体）的比焓为h2 =249.686KJ/Kg。据此可算出制冷剂的质量流量为:q = 甘 k =25=0.15kg/sm hi -h2416.561 249.686tk =4 0 C时，R22饱和气体及饱和液体的比容分别为： ：1 =15.1351 10”m3./kg，: 0.88392 10；m3：kg，于是可以算出制冷剂在进出口处的体积流量分别为：23 2 71 0 m s1. 3 3 1 0 m sq =q 咅 1 = 0. 1 5 1 5. 1 3 53 1 0qv 2=q m 2 = 0. 1嗨 0.8 83 于生 10汉选取制冷剂蒸气在进气接管内的流速为w1=

18、12m/s,制冷剂液体在出液接管内的流速为w2=1.0m/s,贝U制冷剂进出口接管的内径分别为: 工10=15.52 mm，圆整后取© 22 X 2的无缝钢管;汉10°=13.01 mm，圆整后取© 18X 2的无缝钢管;3、管板。按小型制冷装置表3-8及制冷机工艺表6-5的要求，并考虑到要在管板上加工螺栓盲孔，故管板的厚度取t=35mm。4、 支座。按小型制冷装置表 3-9,结合s空0.2t=0.2 1070 = 214mm及 s 一 Dj'4二(257 273) 4 =16.25mm，可取支座钢板厚度中线处与管板外侧的距 离 s=200mm。5、密封垫

19、片。按照的GB150-1998的要求，垫片的材料可以选取石棉，厚度 可取1.5mm。具体参数为：垫片系数 m=2.75,比压力y=25.5Mpa。垫片的宽度 按热交换器原理与设计第47页的要求确定，本设计壳体的内径Di =257mm<700mm，故可取垫片的宽度 N=25mm，垫片基本密封宽度b。=萝=12.5mm 6.4mm，垫片的有效密圭寸宽度 b = 2.53 bo = 8.945mm。6、螺钉。按照GB/T5782的要求，选取螺钉 M16 X 70mm。螺钉的数量为 33个。6.1螺钉载荷：预紧状态下需要的最小载荷为：W4 =3.14DGby =3.14 259 8.945 25

20、.5 “64015.8N操作状态下需要的最小载荷为：2Ap150099.117212 3.14 13.8352 * *4872.7 1803.12Wp =0.785DGp 6.28DGbmp操作状态下：W 二Wp =150099.1N7、端盖。按照过程设备机械基础P115页中相关的要求，选端平板端盖, 端盖厚度为S=6mm,螺钉连接处的厚度取30mm。六、心得体会本次课程设计虽然只有短短的两周， 时间紧的同时任务也很重，但经过两周 的时间，最终还是顺利地完成本次设计，现在回想起来，可谓受益匪浅：1、加深了对理论知识的理解与运用。自己以前所学的知识大多仅仅停留在表 面，缺乏必要应用，因此，对于这

21、些抽象性的知识，理解上往往并不深入，有时 甚至是肤浅的。通过这次设计，自己可以很好地加深理解从课堂上学到的理论知 识。2、是对前段时间生产实习的很好应用。上个月的生产实习后紧接着就是本次课程设计，可以说，前段时间的生产实习为这次课程设计带来了很大帮助，因为在设计的过程中可以时刻结合自己在实际中遇到的各种情况，遇到各种难题，也可以从实际应用的角度出发进行分析解决。3、锻炼了自己搜集信息的能力。刚接到设计任务时，手头上的资料不足以完 成设计，因此在设计的开始阶段，自己的工作重心放在了搜集必要的技术手册、 设计规范以及相关著作上，网络以及图书馆就是我最常用的工具， 这个貌似简单 的工作其实也很考验个

22、人的能力，因为自己要解决应收集哪些资料、如何收集等 实用性问题，这些能力的锻炼对自己以后解决各种问题也很有帮助。4、 锻炼了自己的计算机绘图能力。由于自己平时比较少用 CAD、UG等主流 绘图软件，因此在刚开始画图时，自己遇到的问题可谓不少，甚至有时连一些最 简单的命令也不会使用，但通过自己的复习、摸索、再加上向其他同学请教，最终还是掌握了常用命令的使用要领， 对一些典型的技巧的使用也游刃有余， 我自 己也是先在UG上绘图，再导出到CAD里标注，这种做法一举两得，可以同时两种软件的使用技巧。5、锻炼了分析与解决问题的能力。设计过程中，自己以及其他同学经常遇到 不明白的地方，大家一起讨论、研究或者请教老师、师兄，最后顺利地解决了难 题，在这个过程中，自己分析与解决问题的能力已在无形中得到了提高。7、当然，在设计的过程中也发现了不少的问题。例如，自己在时间的把握上 不够准确， 由于自己的判断有误， 放在资料搜集以及计算上的时间过多， 导致后 面的画图时间紧迫， 影响了设计的按时完成； 工作效率还有待提高， 自己在某些 问题上有时会有所犹豫，减慢了设计的速度，这些都是我以后需要改进的地