50kW壳管式干式蒸发器设计.doc

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1、中原工学院能源与环境学院毕业论文（设计） 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

2、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

3、器，U型管式换热器，结构，设计计算IAbstractHeat exchanger is one of the important equipment in chemical industry ，it transfer heat between cold and heat 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 typehe

4、atexchanger. U type heat exchanger with a tube plate, both ends of which are fixed on the same tube plates, tubes can be freely telescopic, thermal stress, thermal compensation performance is good; tube with double tube pass, longer process, the flow velocity is higher, the heat transfer performance

5、 is good, strong bearing ability, simple structure, cheap price, applied to the tube, the larger temperature difference between the shell 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 awa

6、y clean and not easy to scale the high temperature, high pressure, strong corrosive materials. U type heat exchanger main structure consists 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

7、pipe shell.Flooded chiller is being more and more popular with our governments promotion of energy saving productsThe major difference between flooded chiller and normal chiller is their evaporator installed inside，flooded evaporator was installed in flooded chiller while DX evaporator in normal chi

8、llerThe obvious difference of these two kinds of chillers is their refrigeration passesIn the flooded chiller，refrigerant runs into shell 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，

9、 refrigerant runs inside tubesIt enters tube bundles from the bottom of end cover，flows inside the tubes，being heated and evaporates，then being discharged from top of end coverHeat exchanger is wide used in industry，special in energy consumption field. As energy-saving technology moving,，more seriou

10、s heart exchanger will appear.Keywords：DX evaporator，U type heat exchanger，structure，design and calculationII目 录1 绪 论11.1 课题的提出和研究内容11.1.1 课题背景11.1.2 课题任务21.2 干式蒸发器21.2.1 干式蒸发器简介21.2.2 干式蒸发器与满液式蒸发器的区别21.3 壳管式换热器31.3.1 壳管式换热器简介31.3.2 壳管式换热器分类41.3.3 壳管式换热器的发展62 设计与计算的理论概述82.1 壳管式换热器的结构82.1.1 管程结构82.2.

11、2 壳程结构82.2 管程和壳程数的确定92.3 流动空间的选择92.4 流体流速的选择112.4 流体流动方式的选择122.5 流体温度和流体终温的确定122.6 材质的选择123 结构初步设计计算133.1 设计方案确定/133.2 设计条件确定133.3 制冷剂质量流量计算133.4 冷冻水流量计算133.5 对数传热温差初步计算143.6 管长初步计算143.7 结构初步设计154 换热器计算174.1 壳程换热系数计算174.2 管内换热系数的计算184.3 制冷剂流动阻力及传热温差的计算194.3.1 制冷剂的流动阻力计算194.3.2 实际对数平均温差204.4 传热系数及按内表

12、面计算的热流密度214.4.1 传热系数214.4.2 按内表面计算的实际热流密度214.5 所需传热面积225 总体结构设计235.1 换热管设计235.2 壳体结构设计255.2.1 壳体壁厚的确定255.2.2 壳体直径的确定265.3 进出口设计275.3.1 壳程接管设计275.3.2 管程接管设计285.3 端盖设计285.4 管板设计285.5 折流板设计305.5.1 折流板型式305.5.2 折流板尺寸305.6 拉杆和定距管325.6.1 拉杆的直径和数量325.6.2 拉杆的位置335.6.3 定距管尺寸335.7 结构部件明细表346 U型管换热器的制造、检验和验收35

13、6.1 换热器的制造356.1.1 换热器的主要受压部分的焊接接头356.1.2 管箱、壳体和头盖356.1.3 换热管356.1.4 管板366.1.5 换热管与管板的连接366.1.6 折流板、支撑板366.1.7 管束的组装376.1.8 换热器的密封面376.1.9 换热器的组装376.1.10 无损检测376.1.11 压力试验376.1.12 铭牌386.2 安装、试车和维护386.2.1 安装386.2.2 试车396.2.3 维护39结论40致谢41附录42附录1 换热器设计计算表42附录2 换热器整体结构图45参考文献461 绪 论换热器是一种实现物料之间传递热量的节能设备，

14、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 课题背景目前

15、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。干式蒸发器的应用则

16、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，材料选择达到

17、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 干式蒸发器简介干式蒸发器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

18、泄漏,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

19、定的最小间隙，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

20、发器必须注意：（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：

21、（1）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

22、形，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

23、提高管外流速，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、

24、浮头管板、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

25、孔或螺杆相组配，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

26、漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。（2）固定管板式换热器固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了

27、若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀

28、节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6MPa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。固定管板式换热器的特点：1、 旁路渗流较小；2、 造价低；3、 无内漏；固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。（3）U型管式换热器U形管换热器的管束结构由U字形弯管组成。管子两端固定在同一块管板上，弯曲端不加固定，使每根管子具有自由伸缩的余地而不受其它管子及壳体的影响。这种热交换器在需要清洗时可将整个管束抽出，但要清除管子内壁的污垢却比较困

29、难；因为弯曲的管子需要一定的弯曲半径，因而在制造时需用不同曲率的模子弯管，而使管板的有效利用率降低；此外，损坏的管子也难于调换，U形管管束的中心部分空间对换热器的工作有着不利的影响。由于这些缺点的存在，使得它的应用受到很大的限制。这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。本次干式蒸发器设计采用型式的就是U形管换热器。（4）填料函式换热器这是一种使一端一端管板固定而让另一端管板可在填料函中滑动的热交换器，其结构如图所示，实际上它是将浮头露在壳体外面的浮头式热交换器，所以又称外浮头式热交换器。由于填料密封

30、处容易泄露，故不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒和高压流体的热交换。而且由于制造复杂，安装不便，因此此结构不常采用。这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。1.3.3 壳管式换热器的发展壳管式换热器的发展总体上是支承形式的发展，从板式支承到折流杆式支承，再到空心环支承，最后到管子的自支承，当然期间也有交错发展的情况。随着支承形式的发展，壳管式换热器的壳程给热系数呈现不断提高的趋势，压降呈现不断下降的趋势，换热器的传热综合性能得到很大的提高。从壳管式换热器的发展可知，新的支承结构的出现，绝大多数是为

31、了是流体的流动方式尽可能的变为纵向流，这样有利于管程与壳程热交换，从而提高了传热系数，同时伴随着压降的降低，使得传热综合性能得到很大的提高。其次，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水氯碱醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。近年来国内在节能增效等方面改进换热器

32、性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。462 设计与计算的理论概述2.1 壳管式换热器的结构2.1.1 管程结构（1）换热管规格和排列的选择换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。我国生产的钢管长度多为6m、9m，故系列标准中管长有1.5

33、m，2m，3m，4.5m，6m和9m六种，其中以3m和6m更为普遍。同时，管子的长度又应与管径相适应，一般管长与管径之比，即L/D约为46。（2）管板固定管板式换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。（3）封头和管箱封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体（一般小于400mm），圆形用于大直径的壳体。管箱 壳管式换热器管箱即换热器的端盖，也叫分配室。用以分配液体和起封头的作用。压力较低时可采用平盖，压力较高时则采用凸形盖，用法兰与管板连接。检修时可拆下管箱对管子进行清洗或更换。 2.2.2 壳程结构（1）壳体换热器壳体

34、的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可用作图法确定壳体的内径。但是，当管数较多又要反复计算时，作图法太麻烦费时，一般在初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。待全部设计完成后，仍应用作图法画出管子排列图。为了使管子排列均匀，防止流体走短路，可以适当地增加一些假管或安排一些拉杆。（2）折流挡板安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使

35、湍动程度大为增加。常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。切去的弓形高度约为外壳内径的1040，一般取2025，过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离（板间距）h为外壳内径D的（0.21）倍。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。弓形缺口太大或太小都会产生死区，既不利于传热，又往往增加流体阻力。 挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径

36、的0.21.0倍。（3）缓冲板缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。（4）拉杆、定距杆拉杆、定距杆起到固定折流板和保证折流板间距离的作用，另一个重要作用就是减少管束震动。2.2 管程和壳程数的确定当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，就得排列较多的管子，为了提高流体在管内的流速，需将管束分程。但是程数过多，导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有 1、2、4、6 四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。2.3 流动空间的选择在管壳式换热器的设计中，首先要决定哪种流体走管程，哪种流

37、体走壳程。这需要遵循一些一般原则。（1）应尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。（2）在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量的损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量的损失。（3）管、壳程的决定应尽量做到易于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。（4）应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。从这个角度来说，顺流式就优于逆流式，因为顺流式进出口端的温度比较平均不像逆流式那样，热、冷流体的高温段都集中在一端，低温部分集中于另一端，易于因两端收缩不同而产生热应力。（5）流量小而粘度大（）的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许

38、，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。（6）对于有毒的介质或气体介质，必使其不泄露，应特别注意其密封，密封不仅要可靠而且还要求方便和简单。（7）应尽量避免采用贵金属，以降低其成本以上这些原则有的是相互矛盾的，所以在具体设计时应综合考虑，决定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。适于通入管内空间（管程）的流体：（1）不清洁的流体 因为在管内空间得到较高的流速并不困难，而流速高时，悬浮物不易沉淀，且管内空间也易于清洁。（2）体积小的流体 因为管内空间的流动截面往往比管外空间的流动截面小，流体易于获得必要的理想流速，而且也便于做多程流动。（3）有压力的流体 因为管子承压能力

39、强，而且简化了壳体的密封要求。（4）腐蚀性强的流体 因为只有管子及管箱才需要用耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的所有零件均可用普通材料制造，所以可以降低造价。此外，在管内空间装设保护用的衬里或覆盖层也比较翻遍，并容易检查。（5）与外界温差较大的流体 因为可以减少热量的散失。 宜于通入管间空间（壳程）的流体：（1）当两流体温度相差较大时，值较大的流体走管间 这样可以减少管壁与壳壁间的温度差，因而也减少了管束与壳体间的相对伸长量，故温差应力可以降低。（2）若两流体的给热性能相差较大时，值较小的流体走管间 此时可用翅片管来平衡传热面两侧的给热条件，使之相互接近。（3）饱和蒸汽 以便于及时排除冷凝液，且

40、蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。（4）粘度大的液体 管间的流动截面与方向都在随时变化，在低雷诺准数下，管外给热系数比管内大。（5）被冷却的流体 可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。（6）泄漏后危险性大的流体 可以较少泄露机会，以保安全。此外，易析出结晶、沉渣、淤泥以及其它沉淀物的流体，最好通入比较更容易清洗的流动空间，在管壳式换热器中，一般易清洗的是管内空间。但在U形管、浮头式换热器中，易清洗的都是管外空间。2.4 流体流速的选择增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速

41、增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。表2-4-1 列管换热器内常用的流速范围流体种类流速m/s管程壳程一般液体0.51.30.21.5易结垢液体10.5气体530315表2-4-2 液体在列管换热器中流速（在钢管中）液体粘度最大流速m/s15000.6100015000.755001001.1100531.53511.812.4此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考

42、虑的问题。2.4 流体流动方式的选择除逆流和并流之外，在壳管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或壳程越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。2.5 流体温度和流体终温的确定冷却介质（或加热介质）终温的选择在换热器的设计中，进、出换热器物料的温度一般是由工艺确定的，而冷却介质（或加热介质）的进口温度一般为已知，出口温度则由设计者确定。如用冷却水冷却某种热流体，水的进口温度可根据当地气候条件作出估计，而出口温度需经过经济权衡确

43、定。为了节约用水，可使水的出口温度高些，但所需传热面积加大；反之，为减小传热面积，则可增加水量，降低出口温度。一般来说，设计时冷却水的温度差可取310。缺水地区可选用较大温差，水源丰富地区可选用较小的温差。若用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。2.6 材质的选择壳管式换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。

44、 3 结构初步设计计算3.1 设计方案确定/本次设计题目为壳管式干式蒸发器设计，制冷剂走管程，水走壳程，逆流换热，换热器类型选择U型管式换热器，两管程一壳程结构。换热管采用9.520.5mm规格的内螺纹铜管。3.2 设计条件确定制冷剂 R22换热量 蒸发温度 冷凝温度 冷冻水进口温度 冷冻水进口温度 3.3 制冷剂质量流量计算制冷剂进口焓值制冷剂进口焓值制冷剂侧制冷流量 3.4 冷冻水流量计算冷冻水比热容水侧的质量流量水侧的体积流量3.5 对数传热温差初步计算平均传热温差 3.6 管长初步计算取换热系数（采用一般的铜光管时，换热器的传热系数为523580，如果采用小直径铜管密排时，传热系数可提

45、高为10001160，采用强化管传热系数会有更大的提高，能提高多少，根据铜光管时的水速和制冷剂的质量流速而定，即为水侧的换热系数和制冷剂侧换热系数而定）。则在此换热系数下换热器的换热面积考虑过热、折流板和管板30%的安全余量（初步规划的换热面积要考虑过热度对传热系数的影响，因此规划的换热面积要比校核计算的换热面积提高15%30%左右，根据过热度的大小，选择合适的范围，另外，管板及折流板占据了换热面积不参与换热，因此初步规划的换热面积要再提高5%左右），则换热面积假定制冷剂质量流速（为了保证润滑油带回压缩机，制冷剂在换热管的出口流速要大于4m/s，此时制冷剂的质量流速一般为左右，质量流速越大，制

46、冷剂侧和整体的换热系数越高，该假定值后面会有校核）。单管程热交换器的管程流通截面积单管程的管数根取整为54根。为满足热计算所需的传热面积，每根管子的长度已知管程数为，则每一程的换热管长总管数根实际的制冷剂质量流速为与假设值接近，故假设值合理。 3.7 结构初步设计管板厚度mm折流板数折流板直径mm折流板厚度mm上缺口高mm下缺口高mm上缺口管数根下缺口管数根折流板间距mm管板与第一个折流板间距mm最后一个折流板距与换热管管端间距mm壳体直径附近的管数根据作图法得到壳体内径mm实际管长m该值与初步计算的管长1.30m相等，故初步设计合理。实际参与换热的管长 m实际有效传热面积以上结构尺寸在后面结构总体设计中均有校核。4 换热器计算4.1 壳程换热系数计算折流板的平均间距横向流通截面积横向流速折流板上、下缺口面积按下面两个公式计算。计算时值取自表4-1-1中。 表4-1-1 的数值H/Ds0.150.200.250.300.350.400.