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1、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t = -15（，过热度事r= 5（，即吸入温度3 = -10七；过冷度 &k=5,冷凝器出口温度t5=tk - Atk=35(，则 tk =40 C .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) = 0.82h1 =405kJ/kgh2 =445kJ/kgs1 = s2 = 1.7672kJ / kg K3 .v1 =0.06535m /kgh3 =418kJ/kgh4 = 250kJ/kg33h5 =243kJ/kgv 0 0.8673 10 m /kgwt =h2 -几=445-
2、405=40kJ/kg(3.1)wt40wi48.8kJ / kgi 0.82a25h2s =h1 +w =405+48.8 =453.8kJ/ kg再查 R22MH含图得 12s =80Cv2s = 0.02m3/kg所需制冷剂流量为 qmo = Qk=81= 0.3834kg / sh2s-h5453.8 -2431.2冷却水流量qv评口平均传热温差的确定1.2.1 冷却水流量qvs确定冷却水进、出口温度t2 = 329，t2 = 36 C ，平均温度tm = 34 2 , 由传热学563页的水的物性表可得： -994.1kg/m3cp =4174J/(kg K) v =0.7466 10
3、_6m2/s =62.48 10，W/(m K)则所需水量:qvsQkK J -k:Cp t2 - t2381 103J3 3 =4.879 10 m3/s 994.3 4174 36 -321.2.2平均传热温差&Tm的确定由热平衡：qmo (h2s h3) = PCpqvs 父(t2 - ts)，有t3 = t2qmo(h2s -h3) *0.3834453.8-418=36 三 3 35.3 C?Cpqvs994.3 4.174 4.879 10p vsX J . qmo h4 -h5 t4 :七:Cpqvs=32 +0.3834250-243)=32 13 c994.3 4.174 4
4、.879 1。各段对数平均温差(1)段:(2)段:80EC(3)段:-tm3ru图1-2冷凝器流体温度变化简图tm1-3=40-3213 工35 32 = 5.05。ln24t5 -t235-32卫丝辿=6.15 C ,40 -32.13 ln 40 -35.3，七卡一耍，事工t2s -t2 - tk -t380 -36 - 40 -35.3,In达Wtk -t3lnJ0a40-35.3=17.57 C整个过程的平均温差（积分平均温差）,tmh2s _ h5h4 飞.h3 -九,h2s -h3 ：tm1- ：tm2 ：tm3453.8 -243250 -243 418-250 453.8-41
5、85.056.1517.57= 6.83 C1.3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，- 16mm104,即水在管内的流动状态为湍0.7466 10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：awi =bU5T =竺6丝等一=9411.6w/(m2 K) di 0.01041.8.2 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，布置在 4个四分之一的扇形内，每个 扇形分4行，每行的管子数依次为：5,5,5,6 o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：no.833 . n0.833
6、- .-.-n0.833 6 2 0.8335 4 0.833 1 4 6 0.833；n12z = = 0.765n1 n2-nz116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：h“二戒(dt2 d：)/4dt =或(15.12 -12.4 2)/(4 15.1 )mm = 3.86 mm增强系数：a。 1.1(ad向2/产/%八 =0.026/0.139 1.1(0.0158 0.0972)(12.4 /3.86)0.25 / 0.139 = 1.384由小型制冷装置设计指导第 76页表3-11,R22在冷凝温度 tk = 40
7、 *C , B = 1447.1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：0.250.25ako =0.725Bdb；n(tk - two)= 0.725 1447.1 0.0124425 1.384 0.765 (tk -two).25=3328.7 uj25其中8。= tk - two (two是管处壁面温度)1.8.3 传热系数Ko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，其传热温差为九二tk - two ；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 旬=two -tm = Atm -% =6.83-%
8、(其中two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ri = 0.000086( m 2 K ) / W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q (单位为W/m2)第一部分的热流密度qi =ak。飞=3328.7铲第二部分的热流密度6.836.83-入q2 71+、盟+9 现 7，+0.000086)39+3父皿a lai九 am19411.6”03273930.0358二1206.16 6.83-(其中6是低翅片管翅管壁厚度，人是紫铜管热导率，取九=393W/(mK),am是低翅片管每米管长翅根管面平均面
9、积，即am=n(di +db)/2)因为传热是串联，则有q1 -q2o选取不同的生(单位为口C )进行试凑，计算结 果如表1-2所小:表1-2cqq22.005598.15825.42.055702.85765.22.105806.85704.8当日。=2.05：C时，q与q2误差只为1.09%,小于3%符合要求。此时two =tk -% =40-2.05 =37.95 C ,取 q0 = q1 +q2 =5734W/m2 a 5000W / m2,与前 2面假定的5000W/m2相差12.3% ?魏侬(m )者；b)辘郴蝴脑下的耕山。喇m中端1 C 12 2222 目匚 p 7W此叼 P2s
10、u2 =u2 =乂13.4 = 8978kg/(m s ) 2230kg/(m s ),所以要v2s0.02设防冲板。(2)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u4=0.5m/s,则出液管的内径：di43.14 0.54 3.33 10=29.2mm查冷库制冷设计手册得，选取无缝钢管138M3.5 ,内径di5 =31mm4则实际制冷剂液体流速u5 =% =4 3.33 10 2 = 0.441m/s二di53.14 0.0312此时212122205出=一见=父 0.441 = 224.3kg/(m s ) 2230kg /(m s2),故需安装防 v2s 0.02冲板。
11、根据GB151-1999管壳式换热器第78页5.11.4规定，取厚度为3mmi不锈钢作为防冲板，规格为：a xa =88mmx88mm ,直接焊在拉杆上。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，和换热器原理与设计55页，选择用Di=305mm外径为Do=325mm厚度S=10mm 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。图18完选择管板兼做法兰，根据制冷机工艺第111页表6-6 ,查得与管子连接 方式有关的系数工=1.15,与管板兼做法兰有关的系数f2=1.3
12、0。由制冷机工艺P111经验公式(6-4)得管板厚度：t = f1 f2 (17 0.0083Di) =1.15 1.30 (17 0.0083 305)mm = 29.2mm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）：标准椭圆封头的的长短轴之比为 2:1 ,长轴R等于筒体的内径Di,Di 305选用 S = 6mm, R = 305mm, hi = 一 =mm = 76.25mm44h0 =hi S =76.25 6 =82.25mm, L =8%Di =0.08 305 =24.4mm封头3.6 支座3.6.1 支座选型根据小型制冷装置设计指导第 7
13、5页，选用如下支座（相关尺寸如下）阳3-9 克摩7| -查表 3-9 得，K = 200mm, L = 280mm3.6.2 支座定位:根据GB151-1999管壳式换热器第89页5.20.1的规定:图595.20.1鞍式支座如图59所示。鞍式支座在换热器上的布置应按下列原则确定:Q 当心言3 000 mm 时取 L= (0. 4O. 6)上：b)当 LS 000 mm 时取 理=(口. 5 - 0. 7)上：c)尽量使Lt和晨相近。MLB = 500mm, LC = Lc = 250mm（其中 L = 1000mm） 03.7 支撑板由换热管长l=1m得，(根据热交换器原理与设计第 50页表
14、2.5 ,对换热管外径为16mm勺最大无支撑跨距是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 2块 支撑板缺口上下方向交替排列均匀布置，此时换热管无支撑跨距为333.33mm根据热交换器原理与设计第51页表2.6 :取支撑板厚度为4mm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41g（布置如上图1-1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
15、（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：图2突血（RF）板式平焊剂制管法兰（通用PNO.6JPN1. O、PNL 6,PNZ B 利 PN4. 0 MH）冷却水进出口连接管法兰（A=89mmin =8,K = 160mm, D = 200mm, L = 18mm, B = 91mm, C = 20mm, f = 2mm.制冷剂进气连接管法兰（A=32mmrn = 4, K =85mm,D = 115mm, L = 14mm, B = 33mm,C = 16mm, f = 2mm.制冷剂
16、出液连接管法兰(A=38mm：n = 4, K =100mm, D = 140mm, L = 18mm, B = 39mm, C = 18mm, f = 2mm.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LA=20mm, Le =18mm表9-3人.”.上的最小值nun1 泄J豉飕b=LxT.Ca3桂公称直整品L.悭最小间距二爆检俗称It税也人.T羯拴最小间距EAfflB建AftB初123016163230443530701624翱183836483g3E80203Q24204fi4S5429
17、0法兰外径 Df =D0 (La - Le s) 2 =325 (20 18 10) 2mm =421mm法兰厚度 f =t-3 2 =30-3 2mm = 24mm螺栓所在圆的直径 Da = D0 (LA s) 2 =325 (20 10) 2mm = 385mm螺栓所在圆周长 Ca=Da=3.14 385mm = 1208.9mm3.9.3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图1平密封面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 GB150-19
18、98钢制压力容器第95页表9-2 ,取厚 度S =1.5mm ,得垫片系数m=2.75,比压力y = 25.5MPa。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=305mm6.4mm。2垫片的有效密封宽度b= 2.53 =2.5310mm = 8.00mm3.10.2 垫片压紧力作用中心圆直径因为bo =? =1 0m m 6. 4m m取垫片接触面外径Df。= 260mm ,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DG = Dfo _2b =
19、260 2x8.00= 244mm3.10.3 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FG =3.14DGby =3.14 244 8.00 25.5 = 156297NB）操作状态下所需要的最小压紧力（其中pc =1.6MPa为冷凝压力）Fp =6.28DGbm住=6.28 244 8.00 2.75 1.6-53937.7N3.10.4 垫片宽度校核由于螺栓面积还没有决定，所以要先决定螺栓后，再校核垫片宽度。垫 片宽度校核在后面。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
20、表11.6,选取螺栓 GB/T5780-2000M16M80 ,由机 械设计基础第137页表10-1得：小径 di =13.835mm,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Lmax =2d6、fm 0.5c/c 6 24=2 16 = 76.31mm2.75 0.5由GB150-1998钢制压力容器第 97页表9-3可知螺栓的最小间距Lmin =38mm由此可取螺栓间距L =60mm。由前面可知螺栓所在圆的周长Ca=1208.9mm,故所需的螺栓数最少n
21、 =120=20.15 ,为了便于布置螺栓，取60n=2203.11.3 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双=3.14DGby = 3.14 0.244 0.008 25.5 106 = 156296.6NB）操作状态下需要的最小螺栓载荷，_2WP =F FP =0.785Dg pc 6.28DGbmpc= 0.785 0.2442 1.6 106 6.28 0.244 0.008 2.75 1.6 106= 128714.9N3.11.4 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
22、M16螺栓材 料的% =530Mpa , % =315Mpa ,设计温度下螺栓的许用应力Pb=114MPa ,二- 315二b=2 =105 MPa据机械设计基础第148页表10-6,取安全系数S=3, S 3。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 A =旦 =156296 = 1488.533mm25105B)操作状态下需要的最小螺栓面积 %= =128714.9 =1129.1mm2 e；114需要的螺栓面积 Am =max(Aa,Ap) = A a = 1488.533mm2实际螺栓面积如，八 1, 2 ，八 1 八，
23、，八2 -八 ，22Ab =16 二 di =163.14 13.835 = 2404.1mm 1488.533mm44,符合要与之配合的孔径为：1.1D = 17.6mm3.11.5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A A 1W = m 二；（1488.533 2404.1） 114 =221880.1N22B）操作状态螺栓设计载荷 W=Wp =221880.1N3.11.6 对于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Nmin二。315口 =105 MPa
24、根据后面所选螺栓的计算，常温下35号钢的 S 3，螺2栓实际面积：A =2404.1mm 。N minA%6.28DGy2404.1 105 1066.28 244 25.5 106mm = 6.46mm : N = 20mm故所选的垫片宽度符合要求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8 =8mm 。四、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
25、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/T9119-2000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
26、献资料心得体会经过两个多礼拜的奋斗,终于完成了这课程设计。个人感觉在今次课程设计中收获很多， 还有感觉今次课程设计完成的还算理想，同时也有很多感触。首先，在学期开始时老师就说了这门课是做课程设计来考核，这时我觉得这样很容易， 应该比考试容易，但当我上课看到书里的内容还有看到老师在课堂上说的内容时，我发现这门课不是我想象中的那么容易，但这时我还没有觉得有多大的挑战。直到前几周，我开始搞课程设计时，我开始发现要搞好这门课真的不容易。首先，接到任务书时，脑里面是一片空 白，接着找书来看，越看越觉得复杂，脑里面乱得一团糟。经过一个多星期的思考，还有参 考往届师兄的作品、和同学之间的讨论。思路终于清晰了
27、，开始编写设计书。在编写设计书 时，由于参数太多，很有经常的计算，走路不少错路，废了不小时间。编写任务书时，查阅 了很多资料，终于知道要设计好这个课程设计涉及的知识真的很多，终于知道为什么学校会安排我们上这些课。这边写任务书时，令我最深刻的是在算换热面积还有热流量换热系数时， 由于换热系数与换热面积互相影响，算了很多次才勉强算好。接下来就是电脑画图阶段了， 这时我觉得更又t了，对于 autoCAD本来就接触的不多，更不用说熟练运用来作图了，开始 画的时候，遇到不少问题，不会操作，于是只用一边看书，一边学习，一边操作。经过几天 的摸索，终于熟悉了不小，作图速度也快起来了。经过一个多星期的作图，终
28、于把图画完。经过这次的课程设计， 我也学到了不少东西， 首先是对换热器的了解加深了不少， 了解到换 热器的设计基本流程和涉及到的知识、需要查阅的资料。认识到，做设计真的不容易， 做好设计更不容易。第二，对电脑作图 CAD 了解可不少，基本可以熟练操作它来作图，对自己的作图技术 提高了不少，大一时，学的工程制图知识，在这几年已经忘得差不多了，经过这次作图，经 本把那些忘掉的知识找回来了。以后如果是想从事技术工作的，那就要对电脑作图熟悉，而今次的操作把我的电脑作图技能提高了不少，这时这次的一个大收获。最好，我觉得，经过这次课程设计， 对我的意志力，耐心是一个很好的锻炼， 在整个过程中， 难免会遇到一些难以解决的难题，难免会心情不好，心浮气躁。但无论怎样，我还是坚持下来了，我把难题解决了，我耐心的完成了任务。我发现我的忍耐力，耐心有了提高。同时， 我也发现我有不少问题， 首先，我自己安排你时间有些问题，阶段目标经常完成不了， 最后把整个进度拖慢，时间浪费，效率不高。关于这些问题，我后期做了调整，进度终于赶上， 效率提高不小。最后，想说一句，想有所成就，不用心、不下苦工、不思考，想也不用想。