66kW水冷式管壳冷凝器 设计说明书.docx

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66kW水冷式管壳冷凝器设计说明书

课程设计

课程名称热交换器课程设计

题目名称66kW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）1班

学号3110007132

学生姓名赖峥

指导教师王长宏

2013年5月21日

课程设计

课程名称热交换器课程设计

题目名称66kW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）1班

学号3110007132

学生姓名赖峥

指导教师王长宏

2013年5月21日

广东工业大学课程设计任务书

题目名称

66KW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10制冷1班

姓名

赖峥

学号

3110007132

一、课程设计的内容

设计一台冷库用冷凝器。

冷凝器热负荷=66KW，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1～2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

4.15-5.05

2

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

5.06-5.09

3

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

5.10-5.12

4

绘制换热器装配图1张；拆画零件图1～2张

宿舍

5.13-5.20

5

设计答辩及成绩评定

指定教室

5.21

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（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：

2013年4月15日指导教师签名：

计划完成日期：

2013年5月21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66kW的水冷式管壳冷凝器。

本课程设计是在给定冷凝器换热量，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、流程数N=2，总管数，有效单管长，制冷剂蒸汽进口管径，制冷剂液体出口管径，冷却水进出口管径为，水泵最小功率为。

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

1.1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

1.2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3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

根据《小型制冷装置设计指导书》75页中指出，热流密度，所以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=24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

2

48

1.79

0.183

9.78

4

96

0.90

0.259

3.47

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48根管,则每流程平均管数Z=24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、4、2、4、4、4、4、4、4、4、2、4、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:

1.7

5299.1

5688.1

1.8

5531.2

5572.2

1.9

5760.0

5452.1

表[2]

当时,与误差只为0.74%，远小于3%，符合要求。

此时，取,与前面假定的只相差1.03%<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22.6%，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》P241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70mm。

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,