满液式蒸发器的设计

1、3 满液式蒸发器的设计制冷剂流量的确定制冷剂压焓图：图 3.1由蒸发温度 t0 5， tk 40，tg 5 ，根据文献 1制冷原理及设备 附表 13(P341)和附图 5( P373)查得：h1 407.143kJ /(kg.K) ,h2 430.050kJ /( kg.K ) ,h3 h4 249.686kJ /(kg.K)h3, h4, 242.963kJ/(kg.K) , 1 40.3556 10 3m3 /kg , 2 17.9876 10 3m3 / kg3 0.88392 10 3m3 /kg , 4, 9.0003 10 3m3/kg单位制冷量：(3.1)(3.2)q0 h1 h

2、4 407.143 242.963 164.180kJ/(kg.K) (P31)制冷剂流量：qm Q070 0.4263kg / s ( P31)m q0 164.180载冷剂流量的确定qvsQ0 cp(ts1ts2)333.3436 10 3m3/ s1000 4.187 5P246)(3.3)传热管的确定选用 101低螺纹铜管，取水流速度 u 1.2m/ s, 则每流程的管子数 Z 为4 3.3436 10 364dqiv2su 3.144(130.3423)26 1100 6 1.2 55.46根(3.4)圆整后， Z=56根。实际水流速度u4qvs3(3.5)4 3.3436 102

3、2 61.1884m / s 1.2m/ sdi2Z 3.14 (10 2)2 10 6 56管程与有效管长假定热流密度 q=6600W /m2, 则所需的传热面积F0Qk70 103 10.61m2q 6600(3.6)管子与管子有效长度的乘积NI cF010.616.03m d0Z 3.14 0.01 56(3.7)采用管子成正三角形排列的布置方案，管距 s=14mm对, 不同流程数 N，有效单管长 lc，总根数 NZ,壳体直径 D及长径比 lc /D 进行组合计算，组合计算结果从 D及lc /D 值看，4 流程是可取的。NNZlc (m)D(m)lc /D21123.020.1225.1

4、742241.510.169.4463361.010.185.6184480.750.203.75如表 3.1 所示：表 3.1 组合计算结果表 3.1 不同流程数 N对应的管长 lc及lc /D传热系数的确定3.5.1蒸发器中污垢的热阻由文献 1制冷原理及设备表 9-1 可知：管外热阻 0 9 10 5m2 ?0 C/W管内热阻 i 4.5 10 5m2?0 C/W3.5.2平均传热温差平均传热温差：ts1 ts2ts1 t0 lnts2 t0ln96.17(3.8)3.5.3管内换热系数(f / 8)(Re 1000) Pr f管内强制对流换热系数由文献 5传热学( P248)公式 (6-

5、21a)式可知：d 2/3(3.9)1 12.7 f /8(Prf2/3 1) 1 (l)ct di其中 ct(Prf )0.01 (Prw)(1.82 lg Re 1.64)冷却水的定性温度 t s：tst s1 ts2214 9211.5(3.10)查饱和水物性表得：999.25kg / m3 ，1.216 10 6m2 /s258.15 10 2W /(m k) ，Prf 8.773则:Re udi 1.2 8 10 6 78951.216 10 6(3.11)假设壁温 tw为 8.5，查水的物性表，得 Prw11.75 , 假设管长为 1.8m，于是有 f (1.82lg 7895 1

6、.64) 2 0.0336(3.12)(0.0336 / 8)(7895 1000) 8.77 1 ( 0.008) 2/31 12.7 (8.772/3 1) 0.0336 / 8 1 ( 1.8 )8.77 0.01(11.75)58.15 100.008(3.13)W/(m 2K)3.5.4 管外换热系数管外换热系数按下式计算：0.82 0.45 2(3.14)3.2 00.82P00.45W /(m2 C)其中 0 tw 53.5.5壁温和热流密度的估算传热过程分为两部分：第一部分是传热量经过制冷剂的传热过程； 第二部分是传热量经过污垢层、管壁、管内污垢层以及冷却水的传热过程第一部分的

7、热流密度：3.20.820P00.43.2 (583.78 103)0.4(tW 5)1.82查 R22 热力性质表 P0 583.78kPa)648.11(tW 5)1.82W / m2第二部分的热流密度：(3.15)q, m( 1i )dd0i di0d0dm(3.16)其中dmdi d028 1029mm ，2398W /(m2 K)代入数据得：11.1731 5 10 1 10 3 10 5( 4.5 10 5 )9 10 55146.5 8 398 9= 2551.5(11.17 tw) W/m2根据设计要求估算 tw 的值， 来确定热流密度。具体估算数值如表 3.2 所示：表 3.

8、2 热流密度的估算tw8.09.08.58.68.58q4786.418079.756336.556669.906602.61， q8088.265536.766812.516557.366607.35由表格中数据可知 , 当tw =8.580C时，与前面假设的 tw 7.60C接近，q与 q的值相差约为 4.74，取 q =6605 (W /m2. K)，误差 0.08%，合理，故 q 可取为 6605(W /m2. K ) ,即为所求热流密度。所以有： tw= 8.580C2q =6605 (W /m2. K)3.5.6传热系数q 6605K00 tm 6.171071W /(m2K)(3

9、.17)传热面积和管长确定根据 q 求传热面积F0:F0 Q0 q370 103660510.65m2(3.18)管子的有效长度F010.65d0NZ3.14 0.01 4 561.51m(3.19)适当调整后，取1.8m冷却水流动阻力冷却水的流动阻力系数按文献1制冷原理及设备 P232 公式(9-71)计算：其中沿程阻力系数 为0.3164Re0.250.316478950.250.0336(3.20)冷却水的总流动阻力 p 为p 1 u2 N l 1.5(N 1)2di(3.21)1 1000 1.22 0.0336 2 1.82 0.0081.5(41)=0.0163Mpa考虑到外部管路

10、损失，冷却水泵的总压头损失约为p 0.1 p 0.1+0.0163 0.1163 MPa(3.22)取离心水泵的效率 0.6, 则水泵所需功率 Pe为PeqVs p3.3436 10 3 0.1163 1060.6648W(3.23)结构设计计算3.8.1 筒体根据文献 4热交换器原理与设计表 2.3 可知，当换热管外径 d0=10mm 时，换热管中心距 为 s=14mm， 分 程隔 板槽 两 侧相 邻中 心距 IE=28mm根据文献 4热交换器原理与设计 P47 可知， 热交换器管束最外层换热管表面至壳体内壁的最 短距离 b=0.25d且不小于 8mm, 故本设计取 8mm根据10表 6-3

11、, 选用壳体壁厚 6mm，故从上 面计算得到的筒径为 277.16 mm图 3.2 蒸发器管板又根据满液式蒸发器上程管排顶部应预留一定空间的特殊性， 由作图可知壳体外径至少应选为： D=325mm（国家标准规格） . 由于壁厚取 6mm,所以内径为： Di=325-2 6=313mm。此时长径比为l 1.85.75D 0.325(3.24)根据文献 4热交换器原理与设计 P55，目前所采用的换热管长度与壳体直径之比，一般在 425 之间，通常为 610，故合理3.8.2管板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。根据文献 3小型制冷装置设计指导表

12、 3-8 ，换热管外径为 10mm 时，管 板最小厚度不小于 10mm，根据文献 10制冷机工艺表 6-6，查得与管子连接 方式有关的系数 f1 =1.15,与管板兼做法兰有关的系数 f2 =1.30，由文献文献 10制(3.25)图 3.3 端盖S=10mm连, 接螺栓处厚冷机工艺公式( 6-4)得管板厚度：t= f1 f 2 (17+0.0083 Di )=1.15 1.30 (17+0.0083 313)=29.3实际可取 t=30 mm.管孔直径 dp，根据文献 3小型制冷装置表 3-5 得： 换热管外径 d0：10mm 允许偏差 0-0.10 管板管孔径 dp：10.18mm 允许偏

13、差 +0.05-0.103.8.3法兰如图 4.2，取法兰外径 Df =313+(24+18) 2=397mm， 法兰厚度 f =30-5-3=22mm，则螺栓所在圆的直径 Da =313+242=361mm, 螺栓所在圆的周长 C a =3613.14= 1133.54mm 3.8.4端盖如图 4.2，根据文献 10制冷机工艺选端盖厚度为度 f =20mm, 球面半径 R=250mm，球面高度 h i =45mm分程隔板根据文献 10制冷机工艺表 6-8，分程隔板厚度选8mm3.8.6支撑板与拉杆根据文献 4热交换器原理与设计表 2.5 和表 2.6，换热管外经 d=10mm,支撑板最大无支

14、撑跨距为 750mm，支撑板厚度为 8mm，直接焊在拉杆上固定 。根据文献文献 4热交换器原理与设计 P51 可知，换热管外径 10d1拉4, 杆直径 dn =10mm，公称直径 DN=325400, 拉杆数量为 4。3.8.7封头和支座根据文献 10制冷机工艺表 6-8取封头的厚度为 10 mm根据文献 3小型制冷装置设计指导表 3-9 得支座尺寸：L=280mm K=200mm3.8.8垫片的选取材料：石棉，具有适当加固物（石棉橡胶板） ；基础参数为厚度 =1.5mm, P 1.569MPa, 垫片系数 m=2.75, 比压力 y=25.5MPa；宽度：本设计筒体内径D i =365mm

15、700 mm， 故 可 取 垫片 宽 度 N=12mm,垫 片 基 本 密 封 宽 度Nb0N2 6mm 6.4mm，垫片的有效密封宽度 b b0 6mm.6.4mm ，求垫片压紧力作用中心圆直径 DG：因为 b0N26mm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D G =313+1 2+62=327mm.(3.26)垫片压紧力 : 预紧状态所需的最小压紧力：FG =3.14 D G by=3.14 327625.5=1.57 105N(3.27)操作状态下所需的最小压紧力F p =6.28 D G bmp=6.2832762.75 1.569=5.32 104N(3.28)其

16、中 P=1.569 MPa为蒸发器的设计压力。垫片宽度校核常 温 下 的 强 度 指 标 =530MPa, 安 全 系 数 nb =2.7 ，故许用应力b= =530 196.3MPa ， nb 2.7(3.29)定温度下的许用应力tb 117MPa ，实际螺栓面积 A b =1502.6mm2 （见后面计算） . 所需的垫片的最小厚度AbbN min=b 9.7mm N 12mmmin 6.28DG y 6.28 192 25.5b 1502.6 196.3(3.30)所以最初选的垫片厚度符合要求3.8.9螺栓的选取GB/T5782根据 9画法几何与机械制图法兰及端盖的厚度，选螺栓M1280

17、，其小 di =10.106mm.，S=18mm，Sa=16mm，螺栓最小间距 Smin 38mm，法兰有效宽度 f=22mm 螺栓的最大间距6fsmax=2dp m 0.56 22=216+=72.6mm2.75 0.5(3.31)因为螺栓所在圆的周长Ca =1133.54 mm，取螺栓间距为 72mm故所需要的螺栓个数 n 1133.547215.74个圆整后，取 16 个，则 S1133.54 70.84mm1672.6mm，合理螺栓载荷预紧状态下需要的最小载荷Wa 3.14 DGby 3.14 327 6 25.51.57 105 N(3.32)操作状态下需要的最小载荷(3.33)W

18、p =0.785DG2 p 6.28DGbmp2=0.785 3272 1.569 +6.28 32762.75 1.569=1.65 105N螺栓面积： 预紧状态下需要的最小面积Aawa 1.57 105196.32799.8m2(3.34)其中 b530MPa nb=2.7 b=b =196.3lb 117MPanb操作状态下需要的最小面积Apwp1.65 10521410.3mm2117(3.35)需要的螺栓面积： A m = A p =1410.3mm2而螺栓的实际面积Ab22 n d123.14 13.83521 12441502.6mm2 A m 符合要求(3.36)螺栓的设计载荷： 预紧状态下需要的螺栓设计载荷：1410.3 1502.625196.3 2.86 105 N(3.37)