满液式蒸发器的设计说明

3满液式蒸发器的设计
3.1制冷剂流量的确定
制冷剂压焓图： P h
图3.1
由蒸发温度50=t
k g 》附表13〔P 341〕和附图5〔P 373〕查得：
1407.143/(.)h kJ kg K =,)./(050.4302K kg kJ h =,)./(686.24943K kg kJ h h ==
)./(963.242,
4,3K kg kJ h h ==,kg m /103556.40331-⨯=ν,kg
m /109876.17332-⨯=νkg m /1088392.0333-⨯=ν, kg m /100003.933,4-⨯=ν 单位制冷量：
)./(180.164963.242143.407,
410K kg kJ h h q =-=-=〔P 31〕 <3.1> 制冷剂流量：
00700.4263/164.180
m Q q kg s q =
== 〔P 31〕 <3.2> 3.2载冷剂流量的确定
3301270
3.343610/()1000
4.1875
vs p s s Q q m s c t t ρ-=
==⨯-⨯⨯ 〔P 246〕 <3.3>
3.3传热管的确定
选用φ10×1低螺纹铜管,取水流速度s m u /2.1=,则每流程的管子数Z 为
3
226
44 3.34361055.463.14(102)10 1.2
vs i q Z d u π--⨯⨯===⨯-⨯⨯根 <3.4> 圆整后,Z=56根。

实际水流速度
3
226
44 3.343610 1.1884/ 1.2/3.14(102)1056vs i q u m s m s d Z π--⨯⨯===≈⨯-⨯⨯ <3.5> 3.4管程与有效管长
假定热流密度q=6600W /m 2,则所需的传热面积
3
20701010.616600
k Q F m q ⨯=== <3.6>
管子与管子有效长度的乘积
0010.61
6.033.140.0156
c F NI m
d Z π=
==⨯⨯<3.7> 采用管子成正三角形排列的布置方案,管距s=14mm,对不同流程数N,有效单管长c l ,总根数NZ,壳体直径D 与长径比D l c /进行组合计算,组合计算结果如表3.1所示： 表3.1组合计算结果
表3.1不同流程数N 对应的管长c l 与D l c /
从D 与D l c /值看, 4流程是可取的。

3.5传热系数的确定 3.5.1蒸发器中污垢的热阻
由文献1《制冷原理与设备》表9-1可知： 管外热阻W C m /1090250•⨯=-γ 管内热阻W C m i /105.4025•⨯=-γ 3.5.2平均传热温差
平均传热温差：
17.649
ln 5
ln
20121==---=
t t t t t t s s s s m θ℃ <3.8>
3.5.3管内换热系数
管内强制对流换热系数由文献5《传热学》〔P 248〕公式 <6-21a>式可知：
i t f f
i d c l d f f λα⎥⎦⎤⎢⎣
⎡
+-+-=
3/23/2)(1)1(Pr 8/7.121Pr )1000)(Re 8/( <3.9> 其中 01.0)Pr Pr (
w
f t c =2)64.1Re l
g 82.1(--=f
冷却水的定性温度t s ：
5.112
9
14221=+=+=
s s s t t t ℃<3.10> 查饱和水物性表得：
3/25.999m kg =ρ,s m /10216.126-⨯=υ 258.1510/()W m k λ-=⨯⋅,77.8Pr =f
则: Re ＝ν
i
ud ＝3
6
1.28101.21610--⨯⨯⨯＝7895 <3.11> 假设壁温w t 为8.5℃,查水的物性表,得Pr 11.75w =,假设管长为1.8m, 于
是
有
0336.0)64.17895lg 82.1(2=-=-f
<3.12>
5146.5= W/<m 2·K> <3.13> 3.5.4管外换热系数
管外换热系数按下式计算：
)/(2.3245.0082.000C m W P ⋅=θα <3.14>
其中50-=w t θ
3.5.5壁温和热流密度的估算
传热过程分为两部分：第一部分是传热量经过制冷剂的传热过程；第二部分是传热量经过污垢层、管壁、管内污垢层以与冷却水的传热过程。

第一部分的热流密度：
30.4 1.823.2(583.7810)(5)W t =⨯⨯-〔查R22热力性质表P 0＝583.78kPa 〕 1.822648.11(5)/W t W m =- <3.15>
第二部分的热流密度：
0000
,)1
(γλδγαθθ+++-=
m
i i i m d d d d q <3.16>
其中92
10
820=+=+=
d d d i m mm,)/(3982K m W ⋅=λ
代入数据得：
=2551.5(11.17)w t - W/m 2
根据设计要求估算w t 的值, 来确定热流密度。

具体估算数值如表3.2所示：
表3.2热流密度的估算
tw 8.0 9.0 8.5 8.6 8.58 q 4786.41 8079.75 6336.55 6669.90 6602.61 q ,
8088.26
5536.76
6812.51
6557.36
6607.35
由表格中数据可知,当w t =8.580C 时,与前面假设的6.7=w t 0C 接近,q 与q’ 的值相差约为 4.74,取q =6605)./(2K m W ⋅,误差0.08%,合理,故q 可取为6605)./(2K m W ⋅,即为所求热流密度。

所以有：w t = 8.580C
q =6605)./(2K m W ⋅
3.5.6传热系数
2066051071/()6.17
m q K W m K t =
==⋅∆ <3.17> 3.6传热面积和管长确定
根据q 求传热面积F 0:
3
200701010.656605
Q F m q ⨯=== <3.18>
管子的有效长度:
0010.65
1.513.140.01456
F l m d NZ π=
==⨯⨯⨯<3.19>
适当调整后,取1.8m
3.7冷却水流动阻力
冷却水的流动阻力系数按文献1《制冷原理与设备》P 232公式<9-71>计算： 其中沿程阻力系数ξ为
0.250.25
0.31640.3164
0.0336Re 7895ξ=
== <3.20> 冷却水的总流动阻力p ∆为
⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=
∆)1(5.1212N d l
N u p i ξρ <3.21> =0.0163Mpa
考虑到外部管路损失,冷却水泵的总压头损失约为
=∆+=∆p p 1.0,0.1+0.0163＝0.1163 MPa <3.22>
取离心水泵的效率,6.0=η则水泵所需功率e P 为
,
36
3.3436100.1163106480.6
Vs q p Pe W η
-∆⨯⨯⨯=
== <3.23>
3.8结构设计计算 3.8.1 筒体
根据文献4《热交换器原理与设计》表2.3可知,当换热管外径d 0=10mm 时,换热管中心距为s=14mm,分程隔板槽两侧相邻中心距I E =28mm
根据文献4《热交换器原理与设计》P 47可知,热交换器管束最外层换热管表面至壳体内壁的最短距离b=0.25d 且不小于8mm,故本设计取8mm
图3.2 蒸发器管板
根据[10]表6-3,选用壳体壁厚6mm,故从上面计算得到的筒径为277.16mm 又根据满液式蒸发器上程管排顶部应预留一定空间的特殊性,由作图可知壳体外径至少应选为：D=325mm 〔国家标准规格〕.
由于壁厚取6mm,所以内径为：D i =325-2×6=313mm 。

此时长径比为
1.8 5.750.325
l D == <3.24> 根据文献4《热交换器原理与设计》P 55,目前所采用的换热管长度与壳体直径之比,一般在4～25之间,通常为6～10,故合理 管板
管板选用直接焊于外壳上并延伸到壳体周围之外兼作法兰,管板与传热管的连接方式采用胀接法。

根据文献3《小型制冷装置设计指导》表3-8,换热管外径为10mm 时,管板最小厚度不小于10mm,根据文献10《制冷机工艺》表6-6,查得与管子连接方式有关的系数1f =1.15,与管板兼做法兰有关的系数2f =1.30,由文献文献10《制冷机工艺》公式〔6-4〕得管板厚度：
t
=
1
f ·
2
f ·<17+0.0083
i
D >
<3.25>
=1.15×1.30×<17+0.0083×313> =29.3
实际可取t =30 mm.
管孔直径d p ,根据文献3《小型制冷装置》表3-5得： 换热管外径d 0：10mm 允许偏差0-0.10
管板管孔径d p ：10.18mm 允许偏差+0.05-0.10 法兰
如图4.2,取法兰外径f D =313+<24+18>×2=397mm, 法兰厚度
f
δ=30-5-3=22mm,则
螺栓所在圆的直径 D a =313+24×2=361mm, 螺栓所在圆的周长 C a =361×3.14=1133.54mm
3.8.4端盖
如图4.2,根据文献10《制冷机工艺》选端盖厚度为S=10mm,连接螺栓处厚度
'f δ=20mm,球面半径R=250mm,球面高度h i =45mm
分程隔板
根据文献10《制冷机工艺》表6-8,分程隔板厚度选mm 8=δ 支撑板与拉杆
根据文献4《热交换器原理与设计》表2.5和表2.6,换热管外经d=10mm,支撑板最大无支撑跨距为750mm,支撑板厚度为8mm,直接焊在拉杆上固定。

根据文献文献4《热交换器原理与设计》P 51可知,换热管外径10≤d≤14,拉杆直径d n =10mm,公称直径DN=325﹤400,拉杆数量为4。

3.8.7封头和支座
根据文献10《制冷机工艺》表6-8取封头的厚度为10 mm 根据文献3《小型制冷装置设计指导》表3-9得支座尺寸：
L=280mm K=200mm
图3.3 端盖
材料：石棉,具有适当加固物〔石棉橡胶板〕；基础参数为厚度δ=1.5mm , P ＝1.569MPa, 垫片系数m=2.75,比压力y=25.5MPa ；宽度：本设计筒体内径D i =365mm 〈700 mm,故可取垫片宽度N=12mm,垫片基本密封宽度
mm mm N
b 4.662
0<==
,垫片的有效密封宽度mm b b 60==. 求垫片压紧力作用中心圆直径D G ：因为mm mm N
b 4.662
0<==
,所以垫片压紧力作用中心圆直径即为垫片接触面的平均直径,即
D G =313+1×2+6×2=327mm.<3.26>
垫片压紧力: 预紧状态所需的最小压紧力：
G F =3.14 D G by=3.14×327×6×25.5=1.57×105N <3.27>
操作状态下所需的最小压紧力
p F =6.28 D G bmp=6.28×327×6×2.75×1.569=5.32×104N <3.28>
其中P=1.569 MPa 为蒸发器的设计压力。

垫片宽度校核
常温下的强度指标σ=530MPa,安全系数b n
=2.7,故许用应力
[]σb =b
n σ=MPa 3.1967
.2530=,<3.29>
一定温度下的许用应力[]MPa t
b 117=σ,实际螺栓面积A b =1502.62mm 〔见后
面计算〕.所需的垫片的最小厚度
N m in =
[]1502.6196.3
9.7126.28 6.2819225.5
b b G A mm N mm D y
σ⨯=
=<=⨯⨯ <3.30>
所以最初选的垫片厚度符合要求。

根据9《画法几何与机械制图》法兰与端盖的厚度,选螺栓GB/T5782 M12×80,其小i d =10.106mm.,S=18mm,Sa=16mm,螺栓最小间距S min ＝38mm,法兰有效宽度δf =22mm
螺栓的最大间距
m ax s =5
.062++
m d f p δ=2×16+
5
.075.222
6+⨯=72.6mm <3.31>
因为螺栓所在圆的周长C a =1133.54mm,取螺栓间距为72mm ,故所需要的
螺栓个数 1133.5415.7472n ⎡⎤
==⎢⎥⎣⎦
个 圆整后,取16个,则 1133.54
70.8472.616
S mm mm =
=<,合理 螺栓载荷
预紧状态下需要的最小载荷
53.14 3.14327625.5 1.5710G Wa D by N ==⨯⨯⨯=⨯ <3.32>
操作状态下需要的最小载荷
W p =bmp D p D G G
28.6785.02
+ <3.33> =0.785×3272×1.569 +6.28×327×6×2.75×1.569 =1.65×105N
螺栓面积： 预紧状态下需要的最小面积
[]5
21.5710799.8196.3
a
a b
w A m σ⨯=
==<3.34>
其中σb ＝530MPa n b =2.7 [σb ]=
b
b n σ=196.3 []MPa b l
117=σ 操作状态下需要的最小面积
[]521.65101410.3117
p
p l b w A mm σ⨯===<3.35> 需要的螺栓面积： A m = A p =1410.32mm
而螺栓的实际面积
22
21 3.1413.835121502.644
b n d A mm π⨯==⨯=＞A m 符合要求 <3.36> 螺栓的设计载荷： 预紧状态下需要的螺栓设计载荷：
[]51410.31502.6196.3 2.861022m b b A A W N σ++=
⨯=⨯=⨯
<3.37> 操作状态下需要的螺栓设计载荷： 51.6510p W W N ==⨯
连接管的确定
冷却水进出口连接管
水的流量vs q =33.343610-⨯3/m s ,选流速s m u /2.1=,故管内径
0.059559.5i d m mm ====<3.38> 根据标准可取无缝钢管70 3.5mm Φ⨯。

〔文献2《制冷技术与应用》表8.3选取〕
制冷剂连接管
由原始数据查R22的h p -lg 图得,蒸发器进口处kg m /100003.933,
4-⨯=ν,蒸发器出口kg m /103556.40331-⨯=ν,制冷剂的质量流量已求出m q =0.4263/kg s 液体的体积流量。

根据文献2《制冷技术与应用》表8.3选取相应的紫铜管。

1v q =,3340.42639.000310 3.83710m q ν--=⨯⨯=⨯s m /3<3.39>
蒸气的体积流量： 33210.42631040.355617.2010v m q q ν--==⨯⨯=⨯s m /3<3.40> 进液接管的内径〔选液体流速为s m u /8.01=〕
1
0.07878
i
d m mm
====<3.41>
圆整后,取紫铜管85 3.5mm
Φ⨯
出气接管内径〔选蒸汽流速为s
m
u/
12
2
=
〕
2
0.04343
i
d m mm
====<3.42>圆整后,取紫铜管55 2.5mm
Φ⨯。