管殼式換熱器設(shè)計(jì)講解

目錄TOC\o"1-5"\h\z任務(wù)書 2摘要 4說明書正文 5一、設(shè)計(jì)題目及原始數(shù)據(jù) 5原始數(shù)據(jù) 5設(shè)計(jì)題目 5二、 結(jié)構(gòu)計(jì)算 5三、 傳熱計(jì)算 7四、 阻力計(jì)算 8五、 強(qiáng)度計(jì)算 9冷去卻水水管 9制冷劑進(jìn)出口管徑 9管板 104支座 105.密封墊片 106.螺釘 106.1螺釘載荷 106.2螺釘面積 106.3螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)載荷 107.端蓋 ii六、 實(shí)習(xí)心得 七、 參考文獻(xiàn) 八、附圖廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目名稱 35KW殼管冷凝器學(xué)生學(xué)院 材料與能源學(xué)院專業(yè)班級(jí) 熱能與動(dòng)力工程制冷xx班姓名 xx學(xué)號(hào) xxxx一、 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容設(shè)計(jì)一臺(tái)如題目名稱所示的換熱器。給定原始參數(shù)：1.換熱器的換熱量Q=35kw;2.給定制冷劑R22;3.制冷劑溫度tk=40°C4.冷卻水的進(jìn)出口溫度t=32（）Ct”=360C1 1二、 課程設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)1） 學(xué)生獨(dú)立完成設(shè)計(jì)。2） 換熱器設(shè)計(jì)要結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計(jì)計(jì)算正確。（換熱器的傳熱計(jì)算，換熱面積計(jì)算，換熱器的結(jié)構(gòu)布置，流體流動(dòng)阻力的計(jì)算）。3） 圖紙要求：圖面整潔、布局合理，線條粗細(xì)分明，符號(hào)國家標(biāo)準(zhǔn)，尺寸標(biāo)注規(guī)范，使用計(jì)算機(jī)繪圖。4） 說明書要求：文字要求：文字通順，語言流暢，書寫工整，層次分明，用計(jì)算機(jī)打印。格式要求：（1）課程設(shè)計(jì)封面；（2）任務(wù)書；（3）摘要；（4）目錄；（5）正文，包括設(shè)計(jì)的主要參數(shù)、熱力計(jì)算、傳熱計(jì)算、換熱器結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算布置及阻力計(jì)算等設(shè)計(jì)過程；對(duì)所設(shè)計(jì)的換熱器總體結(jié)構(gòu)的討論分析；正文數(shù)據(jù)和公式要有文獻(xiàn)來源編號(hào)、心得體會(huì)等；（6）參考文獻(xiàn)。三、 課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作1） 按照設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，編寫詳細(xì)設(shè)計(jì)說明書1份；2） 繪制換熱器的裝配圖1張，拆畫關(guān)鍵部件零件圖1?2張。四、課程設(shè)計(jì)進(jìn)程安排序號(hào)設(shè)計(jì)各階段內(nèi)容地點(diǎn)起止日期1學(xué)生分組；布置任務(wù)；根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)搜索有關(guān)的原始資料，并選定熱交換器的型式等。教-2-3166.27-6.272進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算（包括傳熱計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算、流動(dòng)阻力計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算等）教-2-3166.27-6.293編寫設(shè)計(jì)說明書（嚴(yán)格按照廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書撰寫規(guī)范編寫）教-2-316或?qū)W生自由安排地點(diǎn)6.28-7.14繪制換熱器裝配圖1張；拆畫零件圖1?2張教-2-316或?qū)W生自由安排地點(diǎn)7.2-7.85設(shè)計(jì)答辯及成績?cè)u(píng)定教-2-3167.9五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)史美中,王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2003吳業(yè)正.小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備（第2版）[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.余建祖.換熱器原理與設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.沈維道等工程熱力學(xué)（第三版）.[M].北京：高等教育出版社，2001.其它設(shè)計(jì)資料：包括各種換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、制冷工程設(shè)計(jì)手冊(cè)、制冷設(shè)備手冊(cè)、制冷機(jī)工藝、空氣調(diào)節(jié)等相關(guān)文獻(xiàn)資料。發(fā)出任務(wù)書日期：年6月27日 指導(dǎo)教師簽名：計(jì)劃完成日期： 年7月9日 基層教學(xué)單位責(zé)任人簽章:主管院長簽章：摘要本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)35kW管殼式冷凝器，其給定的條件是：換熱器的換熱量Q=35KW;制冷劑R22;制冷劑溫度七=400C，冷卻水的進(jìn)出口溫度進(jìn)口<=320C；出口t"=36oC。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括四大方面，即熱力計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算，阻力計(jì)算,強(qiáng)度校核等。通過冷凝器型式選擇、規(guī)劃結(jié)構(gòu)尺寸冷卻水流量q^的計(jì)算、初步規(guī)劃尺寸、管程與有效長度的選擇、管內(nèi)冷卻水與換熱管內(nèi)壁面的熱流密度的計(jì)算、換熱管平均管排數(shù)的計(jì)算、平均傳熱溫差七的計(jì)算、部件的強(qiáng)度校核等一系列過程，得到的主要參數(shù)如下：換熱面積Af=4.9m2、有效總管長L=35.97m、換熱管總數(shù)NZ=9根X4程=36根、長徑比i/d.=4.12、熱流密度q=5090W/m2、水泵功率P=338w等，并由此設(shè)計(jì)出一個(gè)平蓋端頭的管o e殼式冷凝器。在選用零部件上都嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)，包括GB150-1998、GB/T5782、GB8163-87等，這些標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用在強(qiáng)度計(jì)算方面，包括筒體、端蓋、管板、支座、支撐板、冷卻水接口連接管、制冷劑連接管口徑大小、墊片的選擇及螺釘?shù)妮d荷計(jì)算等。該型管殼式冷凝器主要應(yīng)用在小型的制冷場合。說明書正文一、設(shè)計(jì)題目及原始數(shù)據(jù)：1、 設(shè)計(jì)題目：35kW管殼式冷凝器2、 原始數(shù)據(jù):冷凝器的換熱量：Q=35KW；給定制冷劑：R22制冷劑溫度：t廣400C冷卻水進(jìn)出口溫度：進(jìn)口t'=32oC；出口t"=36oC二、結(jié)構(gòu)計(jì)算管型選擇。按《小型制冷裝置》表3-4選取3號(hào)滾軋低翅片紫銅管為傳熱管，有關(guān)參數(shù)為:d=10.4mmd=15.1mm§=0.4mmd=12.4mmS=1.2mm。i t t b f單位管長的各換熱面積計(jì)算如下：每米管長翅頂面積:a=兀a=兀d§/Stf="°.0151x0.0004/0.0012=0.0158吃每米管長翅側(cè)面積：a=k(12-d2)/2S=kx(0.001512-0.01242)/(2x0.0012)=0.0972^^每米管長翅間管面面積：a=兀d(s-§)/S=kx0.0124x(0.0012-0.0004)/(0.0012)=0.026m*每米管長管內(nèi)側(cè)面積：a=兀d=kx0.0104=0.0327m^m每米管長管外總面積：a=a+a+a=0.0158+0.0972+0.026=0.139m2/ofdfb m估算傳熱管總長。假定按管外面積計(jì)算的熱流密度q=5000Wm2，則應(yīng)o布置的傳熱面積及有效總管長分別為：

A=*=25000=5m2 ；l= =二=35.97mofq5000 a0.139確定每程管數(shù)Z、有效單管長l及流程數(shù)N。取冷卻水進(jìn)口溫度t1=32OC，出口溫度t=36OC,由水物性表可知，在平均溫度34°C時(shí)水的密度P=994.3kg/m3,比定壓熱容c=4174J/(kg-k)，則所需水量:25000.Q…25000v=PC(tk—t)=994.3x4174【(36-32)=0-0015^3^pw2w1取冷卻水流速w=2.0m/s，則每流程管數(shù)：Z=-^=4x0.00151=8.89根，取Z=9根穴- 兀x0.01042x2.0一d2w4i實(shí)際水流速度:q4x0.001511w==1.98m/s蘭d2Z兀x0.01042x9彳i對(duì)流程數(shù)N、總根數(shù)NZ、有效單管長l、殼體內(nèi)徑D.及長徑比l/D.進(jìn)行組合計(jì)算，組合計(jì)算如下表所示：表一、組合計(jì)算結(jié)果流程數(shù)N總根數(shù)NZ有效單管長l/m殼體內(nèi)徑D.mi長徑比l/D.2182.00.12416.134361.00.2434.12圖一、布管示意圖分析組合計(jì)算結(jié)果，為便于加工制造，宜選用4流程方案。圖一、布管示意圖傳熱管的布置排列及主體結(jié)構(gòu)。右圖為傳熱管布置排列示意圖，每程管數(shù)Z=9根，傳熱管按三角形排列，按《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》表2.3的要求，管板上相鄰管孔中心距為22mm，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的中心距為35mm。考慮到冷凝器可能需要一定的儲(chǔ)液功能，故在排管上左右對(duì)稱而上下不對(duì)稱，下半部分只布置兩排換熱管。按《熱交換器原

理與設(shè)計(jì)》第47頁的要求，最靠近殼體的換熱管與殼體內(nèi)壁的距離取8mm,則所需最小殼體內(nèi)徑為243mm，根據(jù)無縫鋼管規(guī)格（GB8163-87），選用外徑為273mm，壁厚為8mm，內(nèi)徑為257mm的無縫鋼管作為殼體材料。三、熱力計(jì)算傳熱計(jì)算及所需傳熱面積確定。水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算：從水物性表及《小型制冷裝置》表3-12可知，水在平均溫度t=34。。時(shí)，運(yùn)動(dòng)粘度u=0.7466x10一6m2/'，物性集合參數(shù)B=2178.2。.，‘s因?yàn)槔字Z數(shù)Re=業(yè)二=1.98x0.0104=27581>104，水在管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為湍u 0.7466x10-6流，按《小型制冷裝置》第78頁（3-5）式計(jì)算水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：W0.8 1.980.8"=BdT2178.2XE=9376.12W（m2.K）i制冷劑側(cè)冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算：根據(jù)管排布置，管排修正系數(shù)按《小型制冷裝置》第77頁（3-4）式計(jì)算：4X10.833+10X20.833+4X30.833g= =0.88TOC\o"1-5"\h\zn 36根據(jù)所選管型低翅片管傳熱增強(qiáng)系數(shù)按《小型制冷裝置》第77頁（3-2）式計(jì)算。其中環(huán)翅當(dāng)量高度為：h，=K（d2-d2）=兀（15.12-12.42）=386mm4db 4x15.1 .mmfd)—^1/4=螳+1.1x0.0158+0.0972 xf124、Ih'J0.1390.139[3.86Jt增強(qiáng)系數(shù)：1/4=1.384L鼻+1.1宇1/4=1.384of of查《小型制冷裝置》表3-11，R22在t=40OC時(shí)，B=1447.1，按《小型制k冷裝置》第76頁（3-1）式計(jì)算制冷劑側(cè)冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：a=0.725Bd-0.25薩(t—t)-0.25=0.725x1447.1x0.0124x1.384x0.88x(t—t)-0.25=3829.13。-0.25Wj-K)ko b nkwo kwo 「(m-K)對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算：。=\-"1=36—%=5.77°Cmt-1 40—32lntT-tWT 40-36w2

取水側(cè)污垢系數(shù)r.=0.00009（m2.k）/W，將有關(guān)各值代入《小型制冷裝置》第78頁（3-6）及（3-7）式計(jì)算熱流密度q （單位為Wm2）：oq=3655.0對(duì)0.755.77-0■o?！? 瞞加。：ng0.0010.139=1182.5x(5.77-0o)■oo( +0.00009)x + x 9376.12 0.0327 3930.0358選取不同的0 (單位為C)進(jìn)行試湊計(jì)算，結(jié)果見下表：o表二、試湊計(jì)算結(jié)果0o/C第式q(w-m-2o'第二式q/(w-m-2o1.45506051061.46508650951.4751125083當(dāng)°=1.46°C時(shí)，兩式q誤差已很小，取q=5090W/m2計(jì)算實(shí)際所需傳熱面° O 。積:A=g=綠=4mofq5090o四、阻力計(jì)算冷卻水側(cè)阻力計(jì)算。按《小型制冷裝置》第79頁（3-8）式計(jì)算冷卻水側(cè)流動(dòng)阻力，其中阻力系數(shù)為：0.3164 0.3164&= = =0.0246Re0.25 275810.25冷卻水側(cè)阻力：AP=0.5Pw2卜&+1.5(N+1)1- i=0.5x994.3=0.5x994.3x1.9820.0246x4x +1.5x(4+1)0.0104=34349Pa=0.034349Mpa式中，lt表示左、右兩管板外側(cè)端面間的距離，按照《制冷機(jī)工藝》第111頁表6-5的要求。取每塊管板厚度為35mm，則［=1.0+0.07=1.07m考慮到外部管路損失，冷卻水泵總壓頭約為:

△P'=0.1+△P=0.1+0.034349=0.134349Mpa取離心水泵的效率門=0.6，則水泵所需功率為:0.6p_qAP'_0.00151x0.134349x106_338小0.6五、強(qiáng)度計(jì)算1、冷卻水管管徑計(jì)算。取冷卻水在進(jìn)出水接管中的流速為w=1m/s，則進(jìn)出d=i4d=i4q4x0.00151=0.044m兀wY兀x12、制冷劑進(jìn)出口管徑計(jì)算。由《制冷原理及設(shè)備》附表13查R22飽和液體及蒸氣熱力性質(zhì)表，在忽略R22蒸氣在過熱區(qū)的冷卻過程，可知，t=40OC時(shí)，k制冷劑在冷凝器入口處（飽和蒸氣）比焓為h=416.561KJ/Kg，在出口處（飽和液體）的比焓為h2=249.686KJ/Kg。據(jù)此可算出制冷劑的質(zhì)量流量為：q=k= ~ =0.15kg/smh-h 416.561-249.6861 2t=40OC時(shí)，R22飽和氣體及飽和液體的比容分別為：u=15.1351x10-3m3;'kg，u=0.88392x10-3m3；'kg，于是可以算出制冷劑在進(jìn)1 ' 2出口處的體積流量分別為：q=qU=0.15x15.1351x10-3=2.27x10-3m^sq=qU=0.15x0.88392x10-3=1.33x10-4m^s選取制冷劑蒸氣在進(jìn)氣接管內(nèi)的流速為w1=12m/s，制冷劑液體在出液接管內(nèi)的流速為w2=1.0m/s，則制冷劑進(jìn)出口接管的內(nèi)徑分別為:d=叵Ti4x2.27x10-3x10-3=1552mm，圓整后取622X2的無縫鋼管;1\'kw 兀x121d=區(qū)=、I4x1.33x10-4x10-3=1301mm，圓整后取618X2的無縫鋼管；2 、，兀w\兀x1.023、管板。按《小型制冷裝置》表3-8及《制冷機(jī)工藝》表6-5的要求，并考

慮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《小型制冷裝置》表3-9，結(jié)合s<0.21=0.2x1070=214mm及s>D/4=(257+273)/4=16.25mm，可取支座鋼板厚度中線處與管板外側(cè)的距離s=200mm。5、 密封墊片。按照的GB150-1998的要求，墊片的材料可以選取石棉，厚度可取1.5mm。具體參數(shù)為：墊片系數(shù)m=2.75，比壓力y=25.5Mpa。墊片的寬度按《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》第47頁的要求確定，本設(shè)計(jì)殼體的內(nèi)徑D.=257mm<700mm，故可取墊片的寬度N=25mm，墊片基本密封寬度b=X=12.5mm>6.4mm，墊片的有效密封寬度b=2.53'b=8.945mm。o2 o6、螺釘。按照GB/T5782的要求，選取螺釘M16X70mm。螺釘?shù)臄?shù)量為33個(gè)。6.1螺釘載荷：預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小載荷為：W=3.14Dby=3.14x259x8.945x25.5=164015.8N操作狀態(tài)下需要的最小載荷為：W=0.785D2p+6.28Dbmp=0.785x2292x1.961+6.28x229x6.93x8.495x1.961=150099.1^6.2螺釘面積：預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小面積為:164015.8 mm2=309.5mm2530操作狀態(tài)下需要的最小面積為:Wb150099.1172=Wb150099.1172=872.7mm2螺釘?shù)膶?shí)際面積為:4 n兀d212x3.14x13.8352A=—4^= 4 =1803.1mm2>A=A=872.7mm2，符合要求。6.3螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)載荷：預(yù)緊狀態(tài)下：W=H[.]=竺+1^x172=230118.8N2b 2操作狀態(tài)下：w=W=150099.1N7、端蓋。按照《過程設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》P115頁中相關(guān)的要求，選端平板端蓋，端蓋厚度為S=6mm，螺釘連接處的厚度取30mm。六、心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)雖然只有短短的兩周，時(shí)間緊的同時(shí)任務(wù)也很重，但經(jīng)過兩周的時(shí)間，最終還是順利地完成本次設(shè)計(jì)，現(xiàn)在回想起來，可謂受益匪淺：1、 加深了對(duì)理論知識(shí)的理解與運(yùn)用。自己以前所學(xué)的知識(shí)大多僅僅停留在表面，缺乏必要應(yīng)用，因此，對(duì)于這些抽象性的知識(shí)，理解上往往并不深入，有時(shí)甚至是膚淺的。通過這次設(shè)計(jì)，自己可以很好地加深理解從課堂上學(xué)到的理論知識(shí)。2、 是對(duì)前段時(shí)間生產(chǎn)實(shí)習(xí)的很好應(yīng)用。上個(gè)月的生產(chǎn)實(shí)習(xí)后緊接著就是本次課程設(shè)計(jì)，可以說，前段時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)習(xí)為這次課程設(shè)計(jì)帶來了很大幫助，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的過程中可以時(shí)刻結(jié)合自己在實(shí)際中遇到的各種情況，遇到各種難題，也可以從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)進(jìn)行分析解決。3、 鍛煉了自己搜集信息的能力。剛接到設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，手頭上的資料不足以完成設(shè)計(jì)，因此在設(shè)計(jì)的開始階段，自己的工作重心放在了搜集必要的技術(shù)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及相關(guān)著作上，網(wǎng)絡(luò)以及圖書館就是我最常用的工具，這個(gè)貌似簡單的工作其實(shí)也很考驗(yàn)個(gè)人的能力，因?yàn)樽约阂鉀Q應(yīng)收集哪些資料、如何收集等實(shí)用性問題，這些能力的鍛煉對(duì)自己以后解決各種問題也很有幫助。4、 鍛煉了自己的計(jì)算機(jī)繪圖能力。由于自己平時(shí)比較少用CAD、UG等主流繪圖軟件，因此在剛開始畫圖時(shí)，自己遇到的問題可謂不少，甚至有時(shí)連一些最簡單的命令也不會(huì)使用，但通過自己的復(fù)習(xí)、摸索、再加上向其他同學(xué)請(qǐng)教，最終還是掌握了常用命令的使用要領(lǐng)，對(duì)