干式殼管式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明書

1、干式殼管式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)摘要 干式殼管式蒸發(fā)器是一種在制冷、空調(diào)、化工等工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛采用的一種換熱器。本文詳細(xì)介紹了干式殼管式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與計(jì)算步驟。首先按照假定的幾何形狀和參數(shù)計(jì)算理論換熱面積。然后計(jì)算換熱管內(nèi)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，得到總傳熱系數(shù)。由于管內(nèi)傳熱系數(shù)與管內(nèi)熱流密度有關(guān)，所以計(jì)算所得為總傳熱系數(shù)與管內(nèi)熱流密度的關(guān)系式。之后計(jì)算阻力及對(duì)數(shù)平均溫差。根據(jù)熱平衡方程得到管內(nèi)熱流密度與總傳熱系數(shù)的另一關(guān)系式，聯(lián)立求解就可以得出管內(nèi)外的熱流密度和總傳熱系數(shù)。根據(jù)管外熱流密度計(jì)算出實(shí)際換熱面積，與假定的理論換熱面積進(jìn)行校核，如果誤差在5%以內(nèi)，就說明假設(shè)成立。反之，則說明假設(shè)不成立，重新迭代計(jì)算，

2、直到誤差在5%以內(nèi)。關(guān)鍵詞：殼管式蒸發(fā)器、干式、換熱面積、熱流密度、傳熱系數(shù)Design of dry-type shell and tube evaporatorAbstract Dry shell and tube evaporator is a widely used heat exchanger in the industrial field of refrigeration, air conditioning, chemical etc.The design and calculation procedures of dry-type shell and tube evaporato

3、r in detail are introduced in this paper. Firstly, the theoretical heat transfer area is calculated according to the assumed geometry and parameters. Through the calculation of heat exchange tube inside and outside surface heat transfer coefficient, we can get the total heat transfer coefficient. Du

4、e to the tube heat transfer coefficient associated with tube heat flux density, so the calculation is the total heat transfer coefficient and tube heat flux relationship. And then calculate the resistance and the logarithmic mean temperature difference. According to the heat balance equation, we can

5、 get tube heat flux and total heat transfer coefficient of another relation. Simultaneous solution can be drawn on the inner and outer tube heat flux and total heat transfer coefficient. According tube heat flux density to calculate the actual heat transfer area, put it to check with the assumed the

6、oretical heat exchange area. If the error is less than 5%, it shows that the hypothesis is true. On the contrary, it indicates that assumption does not hold, re-iteration until the error is less than 5%.Key words: Shell and tube evaporator, dry, heat transfer area, heat flux, heat transfer coefficie

7、nt 目錄第1章 緒論1.1研究背景及意義.11.2蒸發(fā)器的工業(yè)應(yīng)用.11.3蒸發(fā)器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.31.4蒸發(fā)器的分類.31.5殼管式蒸發(fā)器的分類及特點(diǎn).31.6干式殼管式蒸發(fā)器的應(yīng)用.41.7干式殼管式蒸發(fā)器的原理及結(jié)構(gòu).51.8干式蒸發(fā)器的優(yōu)化.7 1.8.1設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化.7 1.8.2 換熱管型的優(yōu)化.7 1.8.3 兩相流分布的優(yōu)化.8 1.8.4 計(jì)算過程的優(yōu)化.9 1.8.5 其他設(shè)計(jì)因素.91.9本章小結(jié).9第二章 確定設(shè)計(jì)的主要參數(shù).112.1確定制冷劑的質(zhì)量流速.112.2確定制冷劑和載冷劑的相對(duì)流向.122.3確定制冷劑側(cè)的流程數(shù).122.4確定載冷劑溫降.132.5確

8、定載冷劑折流板形式及數(shù)量.132.6確定載冷劑側(cè)污垢熱阻.14 2.6.1污垢對(duì)傳熱的影響.14 2.6.2選用污垢系數(shù).15 2.7確定傳熱管形式.162.8管子在管板上的排列.162.9換熱管中心距的確定.172.10本章小結(jié).17第三章 設(shè)計(jì)與計(jì)算.183.1工程概況.183.2制冷劑與載冷劑的流量計(jì)算.193.3蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的初步規(guī)劃.20 3.3.1有效傳熱面積的計(jì)算.20 3.3.2計(jì)算管外水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù).21 3.3.3計(jì)算管內(nèi)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù).24 3.3.4計(jì)算阻力及傳熱溫差.25 3.3.5計(jì)算熱流密度及傳熱系數(shù).27 3.3.6計(jì)算傳熱面積.293.4本章小結(jié).29第四章

9、 總結(jié)與展望.314.1本文總結(jié).314.2展望.31致謝.32附錄.33參考文獻(xiàn).34第一章 緒論1.1研究背景及意義蒸發(fā)器是制冷四大件中很重要的一個(gè)部件，低溫的冷凝“液”體通過蒸發(fā)器，與外界的空氣進(jìn)行熱交換，“氣化”吸熱，達(dá)到制冷的效果。蒸發(fā)器是制冷、熱泵裝置中最重要的組成部分之一，它的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，因此，蒸發(fā)器的研究一直受到國內(nèi)外學(xué)者的密切關(guān)注。殼管式蒸發(fā)器是應(yīng)用廣泛，且較成熟的一種換熱器形式。換熱器是空調(diào)機(jī)組的重要組成部件，它與機(jī)組的效率有著密切的關(guān)系，同時(shí)又是占機(jī)組總成本比重較大的部件。殼管式蒸發(fā)器采用內(nèi)螺紋式高效換熱銅管。銅管外表面螺旋光滑以及水側(cè)折流板采取

10、非短路設(shè)計(jì)，使冷凍水混合換熱效率提高。耐腐蝕型不銹鋼(鈦管)蒸發(fā)器產(chǎn)品采用耐酸腐蝕的不銹鋼(鈦管)換熱管，具有極強(qiáng)耐腐蝕性能，制冷換熱能力保證，使用壽命長(zhǎng)，可廣泛應(yīng)用于酸池、電鍍、化工等制冷設(shè)備。殼管式蒸發(fā)器是應(yīng)用廣泛，且較成熟的一種換熱器形式。換熱器是空調(diào)機(jī)組的重要組成部件，它與機(jī)組的效率有著密切的關(guān)系，同時(shí)又是占機(jī)組總成本比重較大的部件，所以許多產(chǎn)品提高機(jī)組效率首先從蒸發(fā)器優(yōu)化開始。另外，隨著新型環(huán)保型制冷劑的出現(xiàn)也給殼管式蒸發(fā)器的發(fā)展提供了不少改進(jìn)的機(jī)會(huì)?？傊?，殼管式蒸發(fā)器技術(shù)已經(jīng)比較成熟，隨著人們的要求和技術(shù)的發(fā)展還在不斷發(fā)展。隨著時(shí)代的要求不斷提高，殼管式蒸發(fā)器有必要進(jìn)行二次開發(fā)或優(yōu)

11、化，以便達(dá)到降低耗材，提高效率的目的。隨著國內(nèi)空調(diào)行業(yè)的迅猛發(fā)展和新的國家強(qiáng)制性空調(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)的頒布,高效和環(huán)保已經(jīng)成為制冷空調(diào)行業(yè)的發(fā)展方向。1.2蒸發(fā)器的工業(yè)應(yīng)用蒸發(fā)就是用加熱的方法，將含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液加熱至沸騰狀況，使部分溶劑汽化并被移除，從而提高溶劑中溶質(zhì)濃度的單元操作。蒸發(fā)所采用的設(shè)備稱為蒸發(fā)器。蒸發(fā)本身是一個(gè)熱傳遞過程，傳熱速率是蒸發(fā)過程的控制因素，所以蒸發(fā)器屬于熱交換設(shè)備。蒸發(fā)操作于廣泛應(yīng)用化學(xué)工業(yè)、食品工業(yè)、制藥、原子能等工業(yè)中。工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用蒸發(fā)操作有以下幾種場(chǎng)合： （1）濃縮稀溶液直接制取產(chǎn)品或?qū)馊芤涸偬幚恚ㄈ缋鋮s結(jié)晶）制取固體產(chǎn)品，例如電解燒堿液的濃縮，食糖水溶液的

12、濃縮及各種果汁的濃縮等；（2）回收溶劑，例如有機(jī)磷農(nóng)藥苯溶液的濃縮脫苯，中藥生產(chǎn)中酒精浸出液的蒸發(fā)等；（3）蒸發(fā)溶液以獲得純凈的溶劑，例如海水淡化，丙烷脫瀝青，雙乙烯酮脫高沸物等。 蒸發(fā)操作可在加壓，常壓及減壓下進(jìn)行，具體操作壓力要視物料性質(zhì)等因素而定。例如在丙烷脫瀝青過程中，為保護(hù)產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)壓力，一般需要加壓蒸發(fā)。但工業(yè)上的蒸發(fā)操作大多數(shù)是在常壓下進(jìn)行的。而由于在真空條件下溶液的沸點(diǎn)較低，不僅有利于保證熱敏性物料的質(zhì)量，而且可以利用低壓強(qiáng)蒸汽或廢蒸汽余熱作熱源。但真空操作溶液沸點(diǎn)降低，溶液粘度增大，總傳熱系數(shù)下降。而且粘度增大往往使得真空操作單元需要附加設(shè)備和動(dòng)力，造成系統(tǒng)投資和

13、操作費(fèi)用的增加，因而在對(duì)料液沒有特殊要求時(shí)，往往采用常壓操作。在實(shí)際的上工業(yè)生產(chǎn)過程中，這三種壓力工況并不是完全脫離，互不相干的，以蒸發(fā)水溶液為例（實(shí)際蒸發(fā)可為其他溶劑），如將二次蒸汽直接冷凝，則在蒸發(fā)器中每蒸汽1kg的水要消耗1kg多一點(diǎn)的加熱生蒸汽。生蒸汽是指從鍋爐或其他蒸汽發(fā)生器中提供出來的新鮮加熱蒸汽。而二次蒸汽是相對(duì)于生蒸汽來說的，它是指溶液受熱后溶劑蒸發(fā)而產(chǎn)生的蒸汽。如果溶液受生蒸汽加熱產(chǎn)生的二次蒸汽直接被冷凝，這樣的蒸發(fā)操作稱為單效蒸發(fā)。在單效蒸發(fā)中蒸發(fā)溶劑要消耗大量的生蒸汽，如忽略熱損失和各種溫差損失以及不同壓強(qiáng)下的汽化潛熱差別，而且假設(shè)原料液在沸點(diǎn)下進(jìn)入，則單效蒸發(fā)的D/W近

14、似等于1。為了減少加熱蒸汽耗量，節(jié)約能源，工業(yè)中均采用多效蒸發(fā)，多效蒸發(fā)就是將前效的二，次蒸汽作為后效的加熱介質(zhì)，這樣就只需在第一效消耗生蒸汽，而多次分段吸收溫差熱，提高了蒸汽的利用率。在同樣忽略熱損失和溫差損失以及汽化熱恒定，沸點(diǎn)進(jìn)入的條件下，理論上n效的D/W近似等于1/n。即使在考慮了各項(xiàng)損失以后，多效蒸發(fā)的經(jīng)濟(jì)性仍很明顯，表1-1為各效數(shù)的D/Wmin值。表 1-1 單位蒸汽消耗量效數(shù)單效雙效三效四效五效1.10.570.40.30.21.3蒸發(fā)器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外對(duì)蒸發(fā)的研究十分活躍，主要研究方向有三個(gè)方面：（1）裝置大型化：隨著現(xiàn)代工業(yè)規(guī)模的日益擴(kuò)大和基于金屬耗量，安裝空間，

15、能量消耗及管理控制方面的考慮，裝置大型化是必然的趨勢(shì)。為適應(yīng)大型化的需要，不僅要從操作方式，殼體與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等方面進(jìn)行改進(jìn)，而且為使設(shè)備緊湊，更多地需要進(jìn)行提高傳熱性能的研究，即增大傳熱系數(shù)以及能使傳熱面被充分利用的配管排列，目前國內(nèi)這方面做出一定成果的是華南理工大學(xué)化工研究所。主要是通過改變傳熱管表面的形狀，如采用雙面縱槽管后，可使K提高6-12倍，早期該所還利用在管內(nèi)添加輔助元件來強(qiáng)化傳熱也收到了很好的效果； （2）最佳化：蒸發(fā)器是大的耗能裝置，因此必須研究在蒸發(fā)裝置本身和系統(tǒng)過程中，如何降低和合理分配熱能，有效利用余熱，這方面研究近來趨熱，已有不少這方面的專著。主要方法是通過對(duì)動(dòng)態(tài)規(guī)劃，經(jīng)

16、濟(jì)參數(shù)相對(duì)值，年經(jīng)營費(fèi)最小值的研究提出以效數(shù)，溫差，濃度比，年經(jīng)營費(fèi)等為最優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法及程序；（3）改進(jìn)和創(chuàng)制新結(jié)構(gòu)，新設(shè)備：通過改進(jìn)蒸發(fā)器，擴(kuò)大蒸發(fā)器的用途，如用來干燥，分餾等，做到一機(jī)多用，提高設(shè)備利用率，節(jié)省設(shè)備投資；減少蒸發(fā)器的結(jié)垢，蒸發(fā)器的結(jié)垢現(xiàn)象集中在加熱室加熱管內(nèi)，結(jié)垢后蒸發(fā)器的傳熱效果嚴(yán)重惡化，傳熱系數(shù)迅速下降。1.4蒸發(fā)器的分類根據(jù)被冷卻介質(zhì)的種類不同，蒸發(fā)器可分為兩大類： （1）冷卻液體載冷劑的蒸發(fā)器。用于冷卻液體載冷劑水、鹽水或乙二醇水溶液等。這類蒸發(fā)器常用的有臥式蒸發(fā)器、立管式蒸發(fā)器和螺旋管式蒸發(fā)器等。 （2）冷卻空氣的蒸發(fā)器。這類蒸發(fā)器有冷卻排管和冷風(fēng)機(jī)。以下主

17、要介紹臥式蒸發(fā)器中的殼管式蒸發(fā)器。1.5殼管式蒸發(fā)器的分類及特點(diǎn)殼管式蒸發(fā)器按供液方式可分為滿液式和干式兩種：滿液式蒸發(fā)器在管內(nèi)走水，制冷劑在管簇外面蒸發(fā)，所以傳熱面基本上都是與液體制冷劑接觸。一般殼體內(nèi)充注的制冷劑量約為筒體的有效容積的55%65%，制冷劑液體吸熱氣化后經(jīng)筒體頂部的液體分離器，回入壓縮機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是： （1）結(jié)構(gòu)緊湊，操作管理方便。 （2）傳熱系數(shù)較高。 （3）水垢在銅管內(nèi)壁，打開端蓋容易清洗及水處理。其缺點(diǎn)是： （1）制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度低于0時(shí)，管內(nèi)水易凍結(jié)，破壞蒸發(fā)管。（2）制冷劑充灌量大。 （3）受制冷劑液注高度影響，筒體底部的蒸發(fā)溫度偏高，會(huì)減小傳熱溫差。 （4）蒸發(fā)器筒

18、體下部會(huì)積油，必須有可靠的回油措施，否則影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。干式蒸發(fā)器即非滿液式蒸發(fā)器的制冷劑在管內(nèi)流動(dòng)，水在管簇外流動(dòng)。制冷劑流動(dòng)通常有幾個(gè)流程，由于制冷劑液體的逐漸氣化，流程越向上，其流程管越多。為了增加水側(cè)換熱，在筒體傳熱管的外側(cè)設(shè)有若干個(gè)折流板，使水多次橫掠管簇流動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是： （1）潤(rùn)滑油隨制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，一般不存在積油問題。 （2）充灌的制冷劑少，一般只有滿液式的1/3左右。 （3）t0在0附近時(shí)，水不會(huì)凍結(jié)。其缺點(diǎn)是： （1）制冷劑有多個(gè)流程，在端蓋轉(zhuǎn)彎處如處理不好會(huì)產(chǎn)生積液，從而使進(jìn)入下一個(gè)流程的液體分配不均勻，影響傳熱效果。 （2）水側(cè)存在泄露問題，由于折流板外緣與殼體間一

19、般有13mm間隙，與傳熱管之間有2mm左右的間隙，因而會(huì)引起水的泄露。（3）實(shí)踐證明，水的泄露會(huì)引起水側(cè)換熱系數(shù)降低2030%，總的傳熱系數(shù)降低5%15%。（4）水在蒸發(fā)器內(nèi)流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生水垢易付在蒸發(fā)器銅管表面，而且不易清洗。1.6干式殼管式蒸發(fā)器的應(yīng)用干式殼管式蒸發(fā)器是一種在制冷、空調(diào)、化工等工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛采用的一種換熱器形式。目前，在國內(nèi)的冷水機(jī)組中，蒸發(fā)器主要有以下幾種形式：滿液式、干式、降膜式、板式和套管式。對(duì)于單回路系統(tǒng)它們的冷量應(yīng)用范圍如圖1-1所示。在大中型的冷水機(jī)組中，殼管式換熱器是最主要的換熱器形式?？紤]到成本和結(jié)構(gòu)尺寸的限制，板式和套管式換熱器主要應(yīng)用于小型的渦旋和螺桿機(jī)組

20、。圖1-1不同類型蒸發(fā)器的應(yīng)用范圍殼管式蒸發(fā)器主要有干式和滿液式2種。對(duì)于熱泵機(jī)組，考慮到能夠在制冷制熱兩種工況下運(yùn)行，干式換熱器還是首選，滿液式蒸發(fā)器在熱泵上的應(yīng)用相對(duì)來說還不成熟。對(duì)于冷水機(jī)組，滿液式蒸發(fā)器具有更高的換熱性能。而干式蒸發(fā)器中制冷劑在管內(nèi)流動(dòng)，而載冷劑在管外流動(dòng)。節(jié)流后的氟利昂液體從一側(cè)端蓋的下部進(jìn)入蒸發(fā)器，經(jīng)過幾個(gè)流程后從端蓋的上部引出，制冷劑在管內(nèi)隨著流動(dòng)而不斷蒸發(fā)，所以壁面有一部分為蒸氣所占有，因此它的傳熱效果不如滿液式。但是其致命的弱點(diǎn)是機(jī)組的回油問題，特別是在低溫工況下尤為嚴(yán)重。增加回油設(shè)備一方面增加了成本；另一方面也降低了機(jī)組的可靠性。干式蒸發(fā)器的應(yīng)用則相對(duì)要成熟

21、很多，但是它無液柱對(duì)蒸發(fā)溫度的影響，且由于氟利昂流速較高，回油較好。所以采用干式蒸發(fā)器不需要單獨(dú)的換熱器回油設(shè)備。此外，由于管外充入的是大量的載冷劑，從而減緩了凍結(jié)的危險(xiǎn)。這種蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的充注量只需滿液式的1/2l/3或更少，但是其系統(tǒng)效率會(huì)有所降低。干式換熱器性能接近板式換熱器，但對(duì)于像R134a這類替代工質(zhì)，板式換熱器在稍大的冷量范圍性能會(huì)因?yàn)橹评鋭┓峙洳痪兴档停覂r(jià)格一般偏貴。因此干式殼管式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)是個(gè)很有意義的課題。1.7干式殼管式蒸發(fā)器的原理及結(jié)構(gòu) 干式蒸發(fā)器是液體制冷劑經(jīng)節(jié)流后從蒸發(fā)器一端的端蓋進(jìn)入管程，端蓋上鑄有隔板，制冷劑經(jīng)過兩個(gè)或多個(gè)流程蒸發(fā)并吸收載冷劑的熱量

22、后從同一個(gè)端蓋出來后進(jìn)入壓縮機(jī)。這種蒸發(fā)器的主要特點(diǎn)是：制冷劑在管內(nèi)完全蒸發(fā)并過熱成為過熱氣體，這有利于使用熱力膨脹閥自動(dòng)調(diào)節(jié)供液量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-2所示。圖1-2干式殼管式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖干式管殼式蒸發(fā)器屬于冷卻液體載冷劑大類的蒸發(fā)器，主要用于氟利昂制冷系統(tǒng)中。這種蒸發(fā)器的制冷劑液體走管程，因而制冷劑的充注量較少。其結(jié)構(gòu)與滿液式蒸發(fā)器相似，不同的是換熱管為外徑1216mm的紫銅管，管內(nèi)有縱向翅片，以增加管內(nèi)制冷劑的流速，制冷劑液體經(jīng)節(jié)流后從蒸發(fā)器一端端蓋的下方進(jìn)口進(jìn)入管程內(nèi)，經(jīng)24個(gè)流程吸熱后由同側(cè)端蓋上方出口引出?？偟膩碚f其優(yōu)點(diǎn)是充液量少、不許儲(chǔ)液器或需小的儲(chǔ)液器，便于把蒸發(fā)器中的潤(rùn)滑油排

23、回壓縮機(jī)、冷量損失小、可減少結(jié)凍的危險(xiǎn)。缺點(diǎn)是傳熱系數(shù)低。其工作過程如圖1-3所示。 圖1-3干式管殼式蒸發(fā)器工作過程1.8干式蒸發(fā)器的優(yōu)化1.8.1設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化 要設(shè)計(jì)一個(gè)干式蒸發(fā)器，除了給定負(fù)荷，還要給定蒸發(fā)溫度、過熱度以及進(jìn)膨脹閥前的液體溫度。首先說一下蒸發(fā)溫度對(duì)干式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)的影響。一般來講， 越是高的蒸發(fā)溫度，系統(tǒng)效率就會(huì)越高，但是干式蒸發(fā)器的尺寸也會(huì)急劇上升， 這樣總的機(jī)組成本就很有可能隨之急劇增加。另外，由于干式蒸發(fā)器本身結(jié)構(gòu)形式的局限，經(jīng)驗(yàn)表明在標(biāo)準(zhǔn)工況下其極限蒸發(fā)溫度（滿負(fù)荷下蒸發(fā)器出口飽和溫度）約為3.6，所以一般情況下，干式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)溫度一般不超過3.6。再來看看過熱

24、度對(duì)設(shè)計(jì)的影響。圖1-4是根據(jù)設(shè)計(jì)好的干式蒸發(fā)器計(jì)算出的蒸發(fā)溫度和過熱度的關(guān)系（制冷劑為R134a，初始蒸發(fā)溫度設(shè)計(jì)值為3）。圖1-4蒸發(fā)溫度和過熱度的關(guān)系由圖1-4可以看出隨著過熱度的增加，飽和溫度急速下降。因此在具體的設(shè)計(jì)中，對(duì)于給定的飽和溫度，當(dāng)過熱度增加，所需換熱面積就要急劇增加?？梢姼墒綋Q熱器對(duì)過熱度的選取非常敏感，過熱度太低，膨脹閥開度不容易控制，容易造成液擊；過熱度太高，成本又會(huì)升高。所以對(duì)系統(tǒng)而言，選取適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)溫度和過熱度，是優(yōu)化系統(tǒng)和換熱器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵，要綜合考慮成本和性能因素。1.8.2 換熱管型的優(yōu)化現(xiàn)在絕大部分的換熱器都采用了高效傳熱管，對(duì)于干式換熱器，主要是高效內(nèi)

25、螺紋管，管外考慮到水垢不容易清洗一般為光管。試驗(yàn)表明,高效內(nèi)螺紋管管內(nèi)換熱系數(shù)至少是光管的2倍以上。所以下面的分析主要基于高效內(nèi)螺紋管。以某型號(hào)內(nèi)螺紋管為例，圖1-5是對(duì)于相同制冷劑、不同管徑的管內(nèi)傳熱系數(shù)比較。從圖上可以發(fā)現(xiàn)9.5mm管徑的管內(nèi)傳熱系數(shù)明顯要高于15.9mm管徑的管內(nèi)傳熱系數(shù)。因此，如果采用小管徑換熱管，優(yōu)勢(shì)有2 點(diǎn)：第一就是傳熱系數(shù)高，所需換熱面積少，而且管徑小管束也會(huì)比較緊湊，這樣可以有效地減小筒體的尺寸、降低成本；第二，對(duì)于小管徑，比如9.52mm的換熱管，通常都是采用U形管式結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的直管式，這種結(jié)構(gòu)少了一個(gè)管板和水室，可以節(jié)約成本， 而且制冷劑在管內(nèi)的壓降會(huì)

26、有所降低。當(dāng)然U形管的加工制造對(duì)工藝要求也相對(duì)比較高，對(duì)于不同的U形彎頭需要不同的加工模具。另外由于這種結(jié)構(gòu)只能采用2個(gè)流程，通常換熱器筒身會(huì)比較長(zhǎng)。但總的來說，小管徑U形換熱器由于其性能和成本上的優(yōu)勢(shì)還是很值得推廣的。 圖1-5不同管徑換熱管性能比較1.8.3 兩相流分布的優(yōu)化一般來說，換熱管供應(yīng)商所提供的用于計(jì)算的傳熱數(shù)據(jù)都是基于單管試驗(yàn)的，而且是在一定的試驗(yàn)條件下獲得的。而實(shí)際需要的工況，比如蒸發(fā)溫度、進(jìn)口制冷劑干度等總是隨著不同的設(shè)計(jì)而變化的。為了消除這些潛在的不利影響， 通常在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)增加一定的設(shè)計(jì)余量如增加換熱管的數(shù)量，但是這并不能解決蒸發(fā)器進(jìn)口的制冷劑分配不均問題。要想做到兩相

27、流的絕對(duì)均勻分布幾乎是不可能的，但是還是可以采取一些措施來改善其分配情況,這對(duì)干式蒸發(fā)器特別是U 形管換熱器的實(shí)際換熱效果至關(guān)重要。首先可以在蒸發(fā)器制冷劑入口前增加經(jīng)濟(jì)器或者氣液分離器，這樣一方面可以降低蒸發(fā)器進(jìn)口兩相制冷劑的干度，改善其分布；另一方面可以增加系統(tǒng)的冷量，提高系統(tǒng)能效。對(duì)于空氣源熱泵機(jī)組或者低溫冷水機(jī)組，經(jīng)濟(jì)器對(duì)系統(tǒng)能效的提高還是很明顯的。另外，還可以在蒸發(fā)器進(jìn)口增加單獨(dú)的網(wǎng)眼式分配器。相關(guān)試驗(yàn)表明一個(gè)成功的分配器設(shè)計(jì)至少可以增加管內(nèi)傳熱系數(shù)30%以上。分配器的設(shè)計(jì)主要取決于它的結(jié)構(gòu)形式、分配孔的大小等，可以通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法來找到最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)組合。值得注意的是，設(shè)計(jì)時(shí)要注意

28、控制分配器產(chǎn)生的壓降，一個(gè)分配效果較好但產(chǎn)生很大壓降的分配器未必值得采用。1.8.4 計(jì)算過程的優(yōu)化在給定的設(shè)計(jì)條件下：熱負(fù)荷、蒸發(fā)溫度、過熱度、水側(cè)壓降等，如何使換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠達(dá)到較好的組合呢，這就需要進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算和設(shè)計(jì)。對(duì)于干式蒸發(fā)器，為了增加水側(cè)換熱系數(shù)，水側(cè)要交錯(cuò)放置一定數(shù)量的折流板，折流板的間距會(huì)影響到水側(cè)的傳熱系數(shù)。而流程數(shù)則會(huì)影響管內(nèi)側(cè)的傳熱系數(shù)，因此這是兩個(gè)非常關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。一般來說應(yīng)該按照這樣的順序來進(jìn)行計(jì)算：首先選取不同的換熱管類型（不同的管徑、不同的管型等等），然后針對(duì)每個(gè)換熱管選擇不同的流程數(shù),最后在同一個(gè)流程數(shù)下選取不同的折流板個(gè)數(shù)（即改變折流板的間距），具體

29、組合和順序見圖1-6。按照這樣的組合計(jì)算然后比較最終的設(shè)計(jì)結(jié)果，通常換熱面積最少的那個(gè)也就是所需要的最佳換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合，因?yàn)橐话銇碚f這個(gè)結(jié)果也是成本最低的。圖1-6干式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)1.8.5 其他設(shè)計(jì)因素在設(shè)計(jì)過程中，以下問題也是值得注意的： （1）嘗試折流板缺口內(nèi)不布置換熱管，因?yàn)檫@里的換熱效果相對(duì)較差，這種設(shè)計(jì)可以減少缺口的面積，提高水側(cè)的換熱系數(shù)。（2）盡量使水流沿著垂直方向在殼側(cè)流動(dòng)而不是左右側(cè)流動(dòng)，這樣可以避免水側(cè)在垂直方向產(chǎn)生溫度分層對(duì)換熱造成不利影響。（3）進(jìn)水管應(yīng)布置在靠近制冷劑出口側(cè)，這樣無論制冷劑流程數(shù)是單數(shù)還是雙數(shù)，都有利于提高傳熱溫差，從而提高換熱器性能

30、。 1.9本章小結(jié) 本章首先簡(jiǎn)述了蒸發(fā)器的研究背景及應(yīng)用和國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，然后介紹了干式殼管式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及原理，提出了干式殼管式蒸發(fā)器的應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計(jì)?？偟膩碚f, 通過選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)、換熱管型和改善制冷劑的分配效果, 并應(yīng)用合理的優(yōu)化計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)布置, 可以設(shè)計(jì)出相對(duì)高性能、低成本的干式蒸發(fā)器。同時(shí), 這些優(yōu)化方法對(duì)其他類型的換熱器設(shè)計(jì)也是具有借鑒作用的。第二章 確定設(shè)計(jì)的主要參數(shù)干式殼管式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)給定的額定工況制冷量，按相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)確定以下主要參數(shù)。（1） 制冷劑質(zhì)量流速（2） 制冷劑和載冷劑的相對(duì)流向（3） 制冷劑側(cè)的流程數(shù)（4） 載冷劑溫降（5） 載冷劑

31、折流板的形式及數(shù)量（6） 載冷劑側(cè)污垢熱阻（7） 傳熱管形式（8） 管子在管板上的排列（9） 換熱管的中心距2.1確定制冷劑的質(zhì)量流速 質(zhì)量流速：質(zhì)量流速定義為流體在單位時(shí)間內(nèi)流過單位流通截面積的質(zhì)量，也即單位流通截面積所承擔(dān)的質(zhì)量流量，通常用G表示，單位為Kg/(m2·s)。增大制冷劑質(zhì)量流速，可增強(qiáng)蒸發(fā)器傳熱性能，但與此同時(shí)，由于制冷劑在管內(nèi)的流阻增加，使制冷劑進(jìn)出口溫差加大，因而降低了制冷劑和載冷劑之間的對(duì)數(shù)平均溫差。所以，制冷劑流速存在一個(gè)最佳值。使熱流密度q值達(dá)到最佳值的質(zhì)量流速稱為最佳質(zhì)量流速，用表示。與傳熱管形式、流程數(shù)（影響）、制冷劑載冷劑的種類有關(guān)，故需通過試湊和多

32、次迭代計(jì)算方可最后確定。若q值已知，對(duì)于R12和R22也可以參考表2-1中的gm值得范圍選取，所取之值可接近。表2-1制冷劑質(zhì)量流速選取范圍制冷劑制冷劑1200R12801005800R12110116R2283120R221201802300R128912011600R12130200R22100140R221402202.2確定制冷劑和載冷劑的相對(duì)流向制冷劑：制冷劑又稱制冷工質(zhì)，在南方一些地區(qū)俗稱雪種。它是在制冷系統(tǒng)中不斷循環(huán)并通過其本身的狀態(tài)變化以實(shí)現(xiàn)制冷的工作物質(zhì)。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻介質(zhì)（水或空氣等）的熱量而汽化，在冷凝器中將熱量傳遞給周圍空氣或水而冷凝。常用的制冷劑有：氨（代

33、號(hào)：R717），氟利昂-12（代號(hào)：R12），氟利昂-22（代號(hào)：R22）等。本設(shè)計(jì)選用R22為制冷劑。載冷劑：以間接冷卻方式工作的制冷裝置中，將被冷卻物體的熱量傳給正在蒸發(fā)的制冷劑的物質(zhì)稱為載冷劑。常用的載冷劑有：水、鹽水、乙二醇或丙二醇溶液、二氯甲烷和三氯乙烯等。本設(shè)計(jì)選用水為載冷劑在干式蒸發(fā)器中，由于制冷劑在管內(nèi)流動(dòng)的阻力造成流體工作壓力改變，將明顯影響其工作時(shí)的飽和溫度，使制冷機(jī)出口溫度低于入口溫度，從而導(dǎo)致制冷劑和載冷劑的溫度在熱交換過程中同時(shí)下降，見圖2-1在這種情況下，順流傳熱的平均溫差大于逆流傳熱的平均溫差，因此，在安排蒸發(fā)器的進(jìn)、出口接管時(shí)，最好選用順流傳熱。所以本設(shè)計(jì)制冷劑

34、和載冷劑的相對(duì)流向?yàn)轫樍鳌D2-1干式蒸發(fā)器順流傳熱2.3確定制冷劑側(cè)的流程數(shù)翅片管一般選擇兩流程，小直徑光管可選46個(gè)流程。為防止制冷劑轉(zhuǎn)向時(shí)的氣液分離現(xiàn)象影響制冷劑在后一流程中的均勻分配，必須注意端蓋轉(zhuǎn)向室的型線設(shè)計(jì)，使其利于液氣混合物轉(zhuǎn)向，并將前端蓋制冷劑的進(jìn)、出口作成喇叭形，以降低制冷劑側(cè)阻力，如圖2-2所示。對(duì)兩流程內(nèi)翅片管，一般采用U形管。圖2-2多流程的端蓋形線干式蒸發(fā)器以它結(jié)構(gòu)緊湊，便于系統(tǒng)回油等眾多優(yōu)點(diǎn)而廣泛的應(yīng)用于氟制冷系統(tǒng)中。但現(xiàn)在各種干式蒸發(fā)器不可避免的會(huì)產(chǎn)生汽液分離現(xiàn)象，使參與蒸發(fā)換熱的管子數(shù)減少，從而增大蒸發(fā)器的面積，增加了流動(dòng)阻力。就此問題提出幾點(diǎn)看法： （1）對(duì)

35、于現(xiàn)在各種干式蒸發(fā)流程數(shù)應(yīng)盡可能的少。因?yàn)閷?duì)于汽液混合物每增一個(gè)流程，就等于增加了一次汽液分離的機(jī)會(huì)。（2）每個(gè)流程管子數(shù)應(yīng)均勻分配?，F(xiàn)在，我們?cè)O(shè)計(jì)蒸發(fā)器時(shí)都分給前面流程的管子少而后面的多。原因是，液體在前面蒸發(fā)后體積迅速膨脹，流速加快，阻力增大。本設(shè)計(jì)選擇的流程數(shù)為4。2.4確定載冷劑溫降載冷劑溫降過大，將縮小傳熱溫差，從而增大傳熱溫差；溫降過小，不能滿足傳熱量要求或使載冷劑流量增大而導(dǎo)致功耗增加。因此，載冷劑溫降一般為46。本設(shè)計(jì)選取的載冷劑溫降為5。2.5確定載冷劑折流板形式及數(shù)量 折流板：折流板顧名思義是用來改變流體流向的板，常用于管殼式換熱器設(shè)計(jì)殼程介質(zhì)流道，根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)和流量以及換

36、熱器大小確定折流板的多少。折流板被設(shè)置在殼程，它既可以提高傳熱效果，還起到支撐管束的作用。為保證載冷劑橫向流經(jīng)管束時(shí)具有一定的流速（一般為0.51.5m/s），以強(qiáng)化載冷劑側(cè)的傳熱，沿蒸發(fā)器筒體軸向須設(shè)置一定數(shù)量的折流板。目前使用較多的是圓缺形折流板，有長(zhǎng)圓缺行板和短圓缺形板兩種，如圖2-3所示。圓缺形折流板的缺口尺寸對(duì)載冷劑側(cè)放熱系數(shù)影響很大，圖（b）中的長(zhǎng)圓缺形板缺口小，載冷劑橫向流過的管排數(shù)多，其換熱能力強(qiáng)單流阻大，而圖（c）中的短圓缺形板的特點(diǎn)正好相反。有資料介紹，當(dāng)圓缺高度H=(1/5)D時(shí)，換熱及阻力的綜合效果最好，D為折流板直徑。圖2-3圓缺形折流板 本設(shè)計(jì)選用的圓缺形折流板厚，

37、折流板上缺口高H1=64mm，折流板下缺口高H2=59mm。2.6確定載冷劑側(cè)污垢熱阻污垢熱阻：表示換熱設(shè)備傳熱面上因沉積物而導(dǎo)致傳熱效率下降程度的數(shù)值，即換熱面上沉積物所產(chǎn)生的傳熱阻力，單位為m2·K / W。2.6.1污垢對(duì)傳熱的影響 近幾年隨著我國換熱器行業(yè)產(chǎn)品的快速發(fā)展，換熱器產(chǎn)品使用條件和換熱器產(chǎn)品客戶發(fā)生了根本的改變，用戶對(duì)換熱器產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了更高、更嚴(yán)、更具體的要求，如產(chǎn)品壓力、面積、體積和工藝介質(zhì)方面都與以往大不相同。最明顯的一點(diǎn)，用戶在水的污垢熱阻都提出了更明確的要求，明確提出水的污垢熱阻是0.000344m2/W（是原來潔凈自來水的2倍，這一般是用戶的最低要求）、

38、0.0004m2 /W，有的甚至提到了0.0005m2 /W。氣側(cè)一般是壓縮空氣，用戶一般沒有明確提出要求，但按換熱器原理及計(jì)算書中明確規(guī)定其污垢熱阻0.000344 m2 /W。從這些數(shù)據(jù)看出污垢系數(shù)是常規(guī)產(chǎn)品污垢系數(shù)的2倍，甚至3倍，這樣，就會(huì)讓人對(duì)以往那種對(duì)污垢系數(shù)的考慮方法是否適用和得當(dāng)發(fā)生疑問?？傊畟?cè)的污垢熱阻大大削弱了傳熱性能。套片式換熱器氣側(cè)污垢系數(shù)改變時(shí)，傳熱系數(shù)變化不大，也就是說氣側(cè)污垢熱阻對(duì)傳熱系數(shù)影響仍然可以忽略不計(jì)。顯而易見，可知現(xiàn)在設(shè)計(jì)計(jì)算中仍按原來取0.85系數(shù)計(jì)算方法是不適用的，而應(yīng)該在換熱器設(shè)計(jì)中根據(jù)具體不同的污垢系數(shù)具體計(jì)算。因此，在換熱器設(shè)計(jì)中必須考慮由于

39、污垢熱阻使傳熱削弱的補(bǔ)償措施，如加大流速、總平均溫差或傳熱面積等。這樣，在換熱器設(shè)計(jì)中，如何考慮污垢的影響，往往成為換熱器設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素。2.6.2選用污垢系數(shù) 了解了污垢對(duì)傳熱的影響，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，到底取多大的污垢熱阻是合理的？有人認(rèn)為選取較大的污垢熱阻比較可靠，其實(shí)這往往會(huì)帶來更嚴(yán)重后果，因?yàn)樵趥鳠崃恳欢ǖ臈l件下，勢(shì)必要加大傳熱面積或總平均溫差，從而增加換熱器成本。而傳熱面過大會(huì)導(dǎo)致熱流體出口溫度過低、冷流體出口溫度過高，這不僅影響工藝要求，而且有時(shí)在運(yùn)行中為避免此結(jié)果常將介質(zhì)流速降低、致使壁面溫度上升，這樣反而促使污垢更迅速地增長(zhǎng)；同樣平均溫差過大，就要求提高熱介質(zhì)溫度或降低冷卻介質(zhì)

40、溫度，導(dǎo)致介質(zhì)與壁面的溫差加大，結(jié)果也是促使污垢增長(zhǎng)，特別是沸騰蒸發(fā)受熱面，溫差過大有可能出現(xiàn)膜態(tài)沸騰，不僅使傳熱大為削弱、污垢迅速發(fā)展，甚至?xí)箓鳠崦孢^熱毀壞。此外，多孔的沉積物還會(huì)起到腐蝕劑的作用，在壁溫高時(shí)會(huì)加速金屬的腐蝕；結(jié)垢物質(zhì)還會(huì)在金屬表面上形成氫或氧的濃差電池導(dǎo)致“垢下腐蝕”。恰當(dāng)選用污垢系數(shù)涉及物理和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)因素。物理上考慮的因素有：流體和沉積物的性質(zhì)。流體溫度管壁溫度；管壁材料和光潔度；物體流速以及清洗周期。經(jīng)濟(jì)上應(yīng)考慮的因素有：換熱器生產(chǎn)成本；費(fèi)用隨尺寸而變動(dòng)的情況；必要的清洗周期；清洗費(fèi)用，包括生產(chǎn)損失在內(nèi)；折舊費(fèi)；稅率；正常維修費(fèi)用；輸送泵費(fèi)用及能耗；要求的投資回收期。

41、最佳的設(shè)計(jì)污垢熱阻應(yīng)在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較中使初投資折舊費(fèi)（隨污垢熱阻增加而增加）與清洗和停運(yùn)費(fèi)用（隨污垢熱阻增加而減少）所構(gòu)成的費(fèi)用總額為最小載冷劑是水和鹽水的干式蒸發(fā)器，其載冷劑側(cè)污垢熱阻可參考表2-2確定。 表2-2載冷劑側(cè)污垢熱阻rd用途載冷劑類別鹽水冷卻器鹽水0.861.72加入緩蝕劑的鹽水1.723.44水冷卻器循環(huán)水（封閉式）0.861.72循環(huán)水（開啟式）1.723.442.7確定傳熱管形式傳熱管可選用，或的小直徑光管或內(nèi)翅片管。本設(shè)計(jì)選用的是的光管。2.8管子在管板上的排列管子的排列方式常用的有：正三角形排列（或呈正六邊形排列）法，同心圓排列法和正方形排列法。按正三角形排列時(shí)，流體流

42、動(dòng)方向與三角形的一條邊垂直，最內(nèi)層六邊形的邊長(zhǎng)等于S，通常在管板周邊與六邊形的邊之間的六個(gè)弓形部分內(nèi)不排列管子，但當(dāng)層數(shù)大于6時(shí)，則在這些弓形部分也應(yīng)排列管子，這時(shí)最外層管子的中心不應(yīng)該超過最大六邊形的外接圓周。管子按同心圓排列時(shí)，管距s既為兩層圓周之間的距離，也可以作為圓周上管子的間距，但是直線間距和弧形間距稍有差別，因而在圓周上布置管子只取整數(shù)，從而采用這種排列方式時(shí)，各層圓周上的間距是不相等的，這就使得管板上的劃線、制造和裝配都比較困難。這種排列方式的優(yōu)點(diǎn)是比較緊湊，且靠近殼體處布管均勻，在小直徑熱交換器中，這種方式的布管數(shù)比正三角形要多。但當(dāng)層數(shù)大于6時(shí)，由于六邊形的弓形部分可排管子，

43、故正三角形排列顯得有利，且層數(shù)越多越有利。同時(shí)從前面所提出的簡(jiǎn)單、緊湊和工藝方面的各項(xiàng)要求來說，正三角形排列方式也都能得到滿足，因而它也是最合理的排列方式。對(duì)于正方形排列，在一定的管板面積上可排列的管數(shù)最少，但它易于清掃，故在易于生成污垢、需將管束抽出清洗的場(chǎng)合得到一定得應(yīng)用，例如在浮頭式和填料函式熱交換器中，采用這種排列法是比較多的。除上述三種方式外，也可采用組合的排列方式，例如在多管程熱交換器中，每一程都采用等邊三角形排列，而在各程相鄰管排間，為便于安裝隔板，則采用正方形排列，如圖2-4值得注意的是，在多管程熱交換器中分程隔板要占一部分管板的面積，因而實(shí)際排管數(shù)必須由作圖確定，此外，還有使

44、流體的流動(dòng)方向與三角形的一條邊平行的轉(zhuǎn)角正三角形排列法以及使流體的流動(dòng)方向與正方形的一條對(duì)角線垂直的轉(zhuǎn)角正方形排列法。本設(shè)計(jì)采用組合的排列方式。圖2-4組合排列法2.9換熱管中心距的確定管板上兩根管子中心線的距離稱為換熱管中心距，其大小主要與管板強(qiáng)度和清洗管子外表所需空隙、管子在管板上的固定方法等有關(guān)。采用焊接法時(shí)，中心距太小，焊縫太近，就不能保證焊接質(zhì)量。而采用脹管法時(shí)，過小的中心距會(huì)造成管板在脹接時(shí)由于擠壓力的作用而產(chǎn)生變形，失去了管板與管子之間的連接力。一般認(rèn)為換熱管中心距以不小于1.25倍的管外徑為宜。常用的換熱管中心距的值如表2-3所示。對(duì)于多管程分程隔板處的中心距，最小應(yīng)為中心距加

45、隔板槽密封面的寬度，其值也列在表中。表2-3換熱管中心距換熱管外徑10121416192022253032353845505557換熱管中心距14161922252628323840444857647072分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距28303235384042445052566068767880由于本設(shè)計(jì)選取的是的換熱管，所以換熱管中心距為16mm，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距為30mm。2.10本章小結(jié)本章主要是講解了設(shè)計(jì)中的一些主要參數(shù)是如何選取得到的。本文干式殼管式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)都是根據(jù)給定的額定工況制冷量，按以上原則確定主要參數(shù)。下一章節(jié)中蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的初步規(guī)劃都是按照本章要求確定的。第三章 設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1工程概況