管壳式换热器设计.docx
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管壳式换热器设计
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…………………………………………………………………5
1.原始数据………………………………………………………………………………5
2.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……………………………………………………………………………9
1.冷却水水管……………………………………………………………………………9
2.制冷剂进出口管径…………………………………………………………………9
3.管板…………………………………………………………………………………10
4支座…………………………………………………………………………………10
5.密封垫片……………………………………………………………………………10
6.螺钉……………………………………………………………………………………10
6.1螺钉载荷…………………………………………………………………………10
6.2螺钉面积…………………………………………………………………………10
6.3螺钉的设计载荷…………………………………………………………………10
7.端盖……………………………………………………………………………………11
六、实习心得………………………………………………………………………………11
七、参考文献………………………………………………………………………………12
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.换热器的换热量Q=35kw;2.给定制冷剂R22;3.制冷剂温度tk=40℃
4.冷却水的进出口温度
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；根据设计任务搜索有关的原始资料，并选定热交换器的型式等。
教-2-316
6.27-6.27
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）
教-2-316
6.27-6.29
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）
教-2-316或学生自由安排地点
6.28-7.1
4
绘制换热器装配图1张；拆画零件图1～2张
教-2-316或学生自由安排地点
7.2-7.8
5
设计答辩及成绩评定
教-2-316
7.9
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，2003
[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]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.
[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]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：
摘要
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,冷却水的进出口温度进口；出口。
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。
通过冷凝器型式选择、规划结构尺寸冷却水流量的计算、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、有效总管长L=35.97m、换热管总数NZ=9根×4程=36根、长径比=4.12、热流密度、水泵功率等，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GB150-1998、GB/T5782、GB8163-87等，这些标准主要应用在强度计算方面，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：
冷却水进出口温度：
进口；出口
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：
。
单位管长的各换热面积计算如下：
每米管长翅顶面积：
每米管长翅侧面积：
每米管长翅间管面面积：
每米管长管内侧面积：
每米管长管外总面积：
估算传热管总长。
假定按管外面积计算的热流密度，则应布置的传热面积及有效总管长分别为：
；
确定每程管数Z、有效单管长l及流程数N。
取冷却水进口温度，出口温度，由水物性表可知，在平均温度34℃时水的密度，比定压热容，则所需水量：
取冷却水流速w=2.0m/s，则每流程管数：
，取Z=9根
实际水流速度：
对流程数N、总根数NZ、有效单管长l、壳体内径及长径比进行组合计算，组合计算如下表所示：
表一、组合计算结果
流程数N
总根数NZ
有效单管长l/m
壳体内径
长径比
2
18
2.0
0.124
16.13
4
36
1.0
0.243
4.12
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22mm，分程隔板槽两侧相邻管的中心距为35mm。
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8mm，则所需最小壳体内径为243mm，根据无缝钢管规格（GB8163-87），选用外径为273mm，壁厚为8mm，内径为257mm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，水在平均温度时，运动粘度，物性集合参数B=2178.2。
因为雷诺数，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：
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：
根据所选管型低翅片管传热增强系数按《小型制冷装置》第77页（3-2）式计算。
其中环翅当量高度为：
增强系数：
查《小型制冷装置》表3-11，R22在时，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：
对数平均温差计算：
取水侧污垢系数，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（单位为）：
选取不同的（单位为℃）进行试凑计算，结果见下表：
表二、试凑计算结果
/℃
第一式
第二式
1.45
5060
5106
1.46
5086
5095
1.47
5112
5083
当=1.46℃时，两式误差已很小，取计算实际所需传热面积：
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：
冷却水侧阻力：
式中，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35mm，则=1.0+0.07=1.07m
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，则水泵所需功率为：
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：
2、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，时，制冷剂在冷凝器入口处（饱和蒸气）比焓为，在出口处（饱和液体）的比焓为。
据此可算出制冷剂的质量流量为：
时，R22饱和气体及饱和液体的比容分别为：
，，于是可以算出制冷剂在进出口处的体积流量分别为：
选取制冷剂蒸气在进气接管内的流速为w1=12m/s，制冷剂液体在出液接管内的流速为w2=1.0m/s，则制冷剂进出口接管的内径分别为：
，圆整后取φ22×2的无缝钢管；
，圆整后取φ18×2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，结合及，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，故可取垫片的宽度N=25mm，垫片基本密封宽度，垫片的有效密封宽度。
6、螺钉。
按照GB/T5782的要求，选取螺钉M16×70mm。
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：
操作状态下需要的最小载荷为：
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