106kW水冷式管壳冷凝器-设计说明书要点.doc

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）09011班学 号 3109007330 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3109007330一、课程设计的内容设计一台冷库用冷凝器。冷凝器热负荷=106KW，冷凝温度40，制冷剂为R22。冷却水进出口温度分别为：进口温度32，出口温度36。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6.25-6.252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6.26-6.293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6.30-7.14绘制换热器装配图1张；拆画零件图12张宿舍7.2-7.45设计答辩及成绩评定指定教室7.5-7.6五、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（GB1511999）.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Qk=106KW，制冷剂为R22，冷凝温度40，冷却水进口温度32，冷却水出口温度36，假定蒸发温度、制冷剂过热度为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F0=18.23m2、流程数N=2，总管数N.Z=68根，有效单管长l=1.87m，制冷剂蒸汽进口管径F4232.5，制冷剂液体出口管径F4233.0，冷却水进出口管径为F10834.0，水泵最小功率为Pe=1344.0KW。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11.1冷凝器的传热循环的确定11.2冷却水流量和平均传热温差的确定21.3 换热管的选型31.4估算换热管总长3 1.5确定每流程管数Z、有效单管长及流程数N31.6 传热管的布置排列及主体结构41.7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93.1连接管管径计算93.2防冲板103.3壳体103.4管板113.5端盖113.6支座123.7支撑板133.8拉杆133.9法兰类选择133.10垫片163.11螺栓173.12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1.1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，过热度，即吸入温度，冷凝器出口温度。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查R22压焓图得h1=405kJ/kg, h2=443kJ/kg, h3=418kJ/kg, h4=250kJ/kg,y4=0.886310-3m3/kg, y2s=0.02m3/kgwt=h2-h1=(443-405)kJ/kg=38kJ/kg1.2冷却水流量和平均传热温差的确定1.2.1冷却水流量确定冷却水进出口温度, , 平均温度，由水的物性表可得: 则所需水量1.2.2平均传热温差的确定由能量平衡，有各段对数平均温差（1）段：（2）段：整个过程的平均温差（积分平均温差）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2号滚轧低翅片管为传热管,有关结构参数为: 单位管长的各换热面积计算如下: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 应布置的有效总管长 1.5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, , 平均温度，由水的物性表可得: 则所需水量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,则每流程管数取整数Z=34根，即实际水流。 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有效单管长壳内径长径比2682.010.2169.3141361.000.2803.57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mm。为使传热管排列有序及左右对称,共布置68根管, 则每流程平均管数Z=34根，传热管的布置排列如图（1）所示: 图（1）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,运动粘度物性集合系数雷诺数, 即水在管内的流动状态为湍流, 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、2、4、4、4、4、4、4、4、4、4、4、4、4、4、4、2、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: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，其中环翅当量高度增强系数由小型制冷装置设计指导第76页表3-11, R22在冷凝温度 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其中(是管处壁面温度)1.7.3传热系数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、管内污垢层以及冷却水的传热过程，其传热温差 (其中是管外污垢外壁面的温度)。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)第一部分的热流密度第二部分的热流密度(其中是低翅片管翅管壁厚度, 是紫铜管热导率,取, 是低翅片管每米管长翅根管面平均面积, 即)因为传热是串联，则有。选取不同的(单位为)进行试凑,计算结果如表2所示:2.15916.76421.02.26126.86289.92.36334.56158.8表2当时, 与误差只为2.66%，小于3%，符合要求。此时，取,与前面假定的只相差6.58 % <15%，符合要求。传热系数：1.7.4传热面积与有效管长确定计算实际所需传热面积: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7.1%，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。则实际布置管外冷凝传热面积，较传热计算所需传热面积大6.8%，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：水的沿程阻力系数冷却水的流动阻力（其中是左右两管板外侧端面间的距离,此处=2.0m）考虑到外部管路损失，冷却水泵总压头约为取离心水泵的效率，则水泵所需的功率为：水泵所需的功率 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75页关于进出水管冷却水流速的规定，取冷却水流速度，故冷却水进出口连接管的直径。查 冷库制冷设计手册第604页得，选取无缝钢管，内径为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：冷凝器入口，冷凝器出口，制冷剂的质量流量制冷剂蒸气的体积流量制冷剂液体的体积流量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：查冷库制冷设计手册第603页，选取无缝钢管，内径则实际蒸气气流速度此时，根据GB151-1999管壳式换热器第78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：查冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管，内径则实际制冷剂液体流速此时，根据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：，直接焊与拉杆上。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,选择用的无缝钢管作为壳体材料。3.4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。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。由制冷机工艺P111经验公式(6-4)得管板厚度:实际可取t=30mm3.5端盖根据制冷机工艺第112页关于封头的规定（结构如下图）：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（相关尺寸如下）。查表3-9得，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：取。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)。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：冷却水进出口连接管法兰（A=108mm）： 制冷剂进气连接管法兰（A=42mm）： 制冷剂出液连接管法兰（A=42mm）：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，法兰外径法兰厚度螺栓所在圆的直径螺栓所在圆周长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）：3.10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钢制压力容器第95页表9-2，取厚度，得垫片系数，比压力。再根据以上法兰的结构，由GB150-1998钢制压力容器第93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。垫片的有效密封宽度 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B）操作状态下所需要的最小压紧力 (其中)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。根据后面所选螺栓的计算, 常温下35号钢的，螺栓实际面积: 。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，根据GB150-1998钢制压力容器第25页表4-7，螺栓材料选用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 由GB150-1998钢制压力容器第97页表9-3可知螺栓的最小间距由此可取螺栓间距。由前面可知螺栓所在圆的周长，故所需的螺栓数最少，为了便于布置螺栓,取n=18。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B) 操作状态下需要的最小螺栓载荷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，据机械设计基础第148页表10-6，取安全系数，。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B) 操作状态下需要的最小螺栓面积需要的螺栓面积 实际螺栓面积，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B)操作状态螺栓设计载荷3.12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。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，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.2007.5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 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8 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，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！