壳管式干式蒸发器设计说明书(共53页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上毕业设计(论文) 题目名称:50kW壳管式干式蒸发器设计 学院名称:能源与环境学院 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 2014年5月论文编号:0 50kW壳管式干式蒸发器设计 50kW tubular DX evaporator design学院名称:能源与环境学院 班 级: 学 号: 学生姓名:指导教师: 2014年5月专心-专注-专业摘 要换热器是化工生产中重要的设备之一,它是一种冷热流体间传递热量的设备,其中壳管式换热器应用最为广泛。本设计为壳管式干式蒸发器的设计,换热器类型选择为U型管式换热器。U型管式换热器仅有一个管板,两端均固定于同一管板上,管子
2、可以自由伸缩,无热应力,热补偿性能好;管程采用双管程,流程较长,流速较高,传热性能较好,承压能力强,结构比较简单、价格便宜,适用于管、壳壁温差较大或者壳程介质易结垢需要清洗又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合,特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性强的物料。U型管式换热器的主要结构包括管箱、筒体、封头、换热管、接管、折流板、防冲板和导流筒、防短路结构、支座及管壳程的其他附件等。随着国家对节能产品的提倡,满液式机组也越来越受到欢迎。满液式机组与普通冷水机组的区别就在于蒸发器采用了满液式蒸发器,而普通冷水机组采用干式蒸发器。满液式蒸发器与干式蒸发器二者的明显区别在于制冷剂流程的不同,满
3、液式蒸发器制冷剂走壳程,制冷剂从壳体下部进入,在传热管外流动并受热沸腾,蒸汽从壳体上部排出。干式蒸发器中制冷剂走管程,即制冷剂从端盖下部进入传热管束,在管内流动受热蒸发,蒸汽从端盖上部排出。换热器作为传热设备随处可见,在工业中应用非常普遍,特别是耗能用量十分大的领域,随着节能技术的飞速发展,换热器的种类开发越来越多。关键词:干式蒸发器,U型管式换热器,结构,设计计算AbstractHeat exchanger is one of the important equipment in chemical industry ,it transfer heat between cold and hea
4、t fluid. In this heat exchanger the tubular heat exchanger is most widely used. This design is a tubular DX evaporator. The type of the heat exchanger is the U typeheatexchanger. U type heat exchanger with a tube plate, both ends of which are fixed on the same tube plates, tubes can be freely telesc
5、opic, thermal stress, thermal compensation performance is good; tube with double tube pass, longer process, the flow velocity is higher, the heat transfer performance is good, strong bearing ability, simple structure, cheap price, applied to the tube, the larger temperature difference between the sh
6、ell wall or shell pass medium easy scaling needs cleaning and not suitable for floating head type and fixed tube plate occasions, especially suitable for the tube away clean and not easy to scale the high temperature, high pressure, strong corrosive materials. U type heat exchanger main structure co
7、nsists of a tube box, cylinder, head, tube, pipe, baffle plate, front panel and draft tube, short circuit protection structure, support and other accessories such as pipe shell.Flooded chiller is being more and more popular with our governments promotion of energy saving productsThe major difference
8、 between flooded chiller and normal chiller is their evaporator installed inside,flooded evaporator was installed in flooded chiller while DX evaporator in normal chillerThe obvious difference of these two kinds of chillers is their refrigeration passesIn the flooded chiller,refrigerant runs into sh
9、ell from the bottom,then flows outside of heat exchanging piping,being heated and boiled, turns into vapor and being discharged from the top of shel1In DX evaporator, refrigerant runs inside tubesIt enters tube bundles from the bottom of end cover,flows inside the tubes,being heated and evaporates,t
10、hen being discharged from top of end coverHeat exchanger is wide used in industry,special in energy consumption field. As energy-saving technology moving,,more serious heart exchanger will appear.Keywords:DX evaporator,U type heat exchanger,structure,design and calculation目 录1 绪 论换热器是一种实现物料之间传递热量的节能
11、设备,在石油,化工,动力,食品,轻工等行业应用普遍。在炼油,化工装置中换热器占总设备数量的40%左右,占总投资的30%45%。近年来随着节能技术的发展,换热器的应用领域不断扩大带来了显著的经济效益。换热器的种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三大类,即间壁式、混合式和蓄热式。在三大类换热器中,间壁式换热器应用最多。间壁式换热器又可分为夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、套管式换热器和壳管式换热器。其中壳管式换热器(又称列管式)是最典型的间壁式换热器,它在工业应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占有主导的地位。1.1 课题的提出和研究内容1.1.1 课题背
12、景目前在国内的冷水机组中,蒸发器主要有以下几种形式:满液式、干式、降膜式、板式和套管式。在大中型的冷水机组中,壳管式换热器是最主要的换热器形式,考虑到成本和结构尺寸的限制,板式和套管式换热器主要应用于小型的涡旋和螺杆机组。壳管式蒸发器主要有干式和满液式两种,对于热泵机组,考虑到能够在制冷制热两种工况下运行,干式换热器还是绝对的首选,满液式蒸发器在热泵上的应用相对来说还不成熟。对于冷水机组,由于满液式蒸发器具有更高的换热性能,已经受到越来越多的制冷设备制造商的青睐,但是其致命的弱点是机组的回油问题,特别是在低温工况下尤为严重,增加回油设备一方面增加了成本另一方面也降低了机组的可靠性。干式蒸发器的
13、应用则相对要成熟很多,采用干式蒸发器不需要单独的换热器回油设计,但是其缺点是系统效率却会有所降低。干式换热器性能接近板式换热器,但对于像R134a这类环保的替代工质,板式换热器在稍大的冷量范围内性能会因为制冷剂分配不均而有所降低而且价格一般偏贵。随着国内空调行业的迅猛发展和新的国家强制性空调能效标准的颁布,高效和环保已经成为制冷空调行业的发展方向,因此对于在新型工质下如何提高这种运行可靠的传统换热器型式干式蒸发器性能的研究是个很有意义的课题。1.1.2 课题任务本次设计的蒸发器是50kW壳管式干式蒸发器,主要完成的是冷冻水和制冷剂之间的热量交换,在设计工况下能够正常运行,达到预期的标准,材料选
14、择达到设计压力的要求,换热器尽可能的减少泄漏。同时在保证技术条件的前提下,换热器外观设计尽量美观,整体尺寸尽量小。主要设计任务包括设计条件的确定、设计方案的选择、换热计算、结构设计,其中结构设计又包括管板、端盖、折流板、拉杆、定距杆、法兰、进出口的设计等几个方面。具体设计条件见表1-1-1。表1-1-1 设计条件制冷剂负荷蒸发温度冷凝温度冷冻水进口温度冷冻水出口温度R2250kW2321271.2 干式蒸发器1.2.1 干式蒸发器简介是液体制冷剂经节流后从蒸发器一端的端盖进入管程,端盖上铸有隔板,制冷剂经过两个或多个流程蒸发并吸收载冷剂的热量后从同一个端盖出来后进入压缩机。如果端盖隔板垫片泄漏
15、,会使制冷剂短路,造成回液及制冷能力下降。这种蒸发器的主要特点是:制冷剂在管内完全蒸发并过热成为过热气体,这有利于使用热力膨胀阀自动调节供液量。通常使用的制冷剂有R22、R134a、R407c、R410a等。因为制冷剂在管内蒸发,只要管内流速超过4m/s,就可以把管内的润滑油带回压缩机,回油方便。在设计当中,壳程采用GB151或TEMA规定的E型结构(折流板型式),折流板的缺口大小根据载冷剂的物理性质与流量大小开15%50%的缺口,通常情况下,折流板缺口的流速与载冷剂横向掠过管束的流速大致相等,为了保证换热效果,折流板与壳体内壁的间隙、换热管与折流板的间隙要小于或等于GB151或TEMA规定的
16、最小间隙,特别是在低温情况下,这些间隙显得尤为重要,由于在低温情况下,载冷剂一般为高粘度流体,流速慢,热阻相对增大,间隙泄漏更加明显,所以在低温情况下对间隙的控制一定要更加严格。1.2.2 干式蒸发器与满液式蒸发器的区别干式蒸发器的制冷剂在管内流动,水在管簇外流动。制冷剂流动通常有几个流程,由于制冷剂液体的逐渐气化,通常越向上,其流程管数越多。为了增加水侧换热,在壳体内传热管的外侧设有若干个折流板,使水多次横掠管簇流动。干式蒸发器的优点:(1)润滑油随制冷剂进入压缩机,一般不存在积油问题;(2)充灌的制冷剂少,一般只有满液式的1/3左右;(3)蒸发温度t0在0附近时,水不会冻结。使用这种蒸发器
17、必须注意:(1)制冷剂有多个流程,在端盖转弯处如处理不好会产生积液,从而使进入下一个流程的液体分配不均匀,影响传热效果;(2)水侧存在泄漏问题,由于折流板外缘与壳体间一般有13mm间隙,与传热管之间有2mm左右的间隙,因而会引起水的泄漏。实践证明,水的泄漏会引起水侧换热系数降低20%30%,总的传热系数降低5%15%。满液式壳管蒸发器在管内走水,制冷剂在管簇外面蒸发,所以传热面基本上都与液体制冷剂接触。一般壳体内充注的制冷剂量约为壳体有效容积的55%65%,制冷剂液体吸热气化后经筒体顶部的液体分离器,回入压缩机。满液式蒸发器的优点是结构紧凑,操作管理方便,传热系数较高。满液式蒸发器的缺点:(1
18、)制冷系统蒸发温度低于0时,管内水易冻结,破坏蒸发管;(2)制冷剂充灌量大;(3)受制冷剂液柱高度影响,筒体底部的蒸发温度偏高,会减小传热温差;(4)蒸发器筒体下部会积油,必须有可靠的回油措施,否则影响系统的安全运行。1.3 壳管式换热器1.3.1 壳管式换热器简介壳管式换热器又称为列管式换热器,是最典型的间壁式换热器。壳管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。壳管式换热器优点:单位体积设备所能提供的传热面积大,传热效果好,结构坚固,可选用的结构材料范围宽广,操作弹性大,大型装置中普遍采用。壳管式换热器结构:由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形,
19、内部装有管束,管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体,一种在管内流动,称为管程流体;另一种在管外流动,称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数,通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度,迫使流体按规定路程多次横向通过管束,增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑,管外流体湍动程度高,传热分系数大;正方形排列则管外清洗方便,适用于易结垢的流体。流体每通过管束一次称为一个管程;每通过壳体一次称为一个壳程为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板,将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子,因而在管束中往返多次,这称为多管程。同样,为提高
20、管外流速,也可在壳体内安装纵向挡板,迫使流体多次通过壳体空间,称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。1.3.2 壳管式换热器分类由于管内外流体的温度不同,因此换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大,换热器内将产生很大热应力,导致管子弯曲、断裂,或从管板上拉脱。因此,当管束与壳体温度差超过50时,需采取适当补偿措施,以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施,壳管式换热器可分为以下几种主要类型:(1)浮头式换热器浮头式换热器两端的管板,一端不与壳体相连,该端称浮头。管子受热时,管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩,完全消除了温差应力。新型浮头式换热器浮头端结构,它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头
21、管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成,其特征是:在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面,并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布,浮头处取消钩圈及相关零部件,浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心,半径稍大于管束外径的梯型凹槽,且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通,而不与凹型槽相连通;在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布,设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封,分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰,且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配,该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖,其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或
22、螺杆相组配,用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片,该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径,同时相应变更加大相关零部件的尺寸;另配置一无外力辅助钢圈,其圈体内径大于浮头管板外径,钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封,另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。浮头换热器的特点:浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间,另一端管板可以在壳体内自由移动,这个特点在现场能看出来。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的,管束可以抽出,便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂,造价高(比固定管板高20%),在运行中浮头处发生泄漏,
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