《換熱器設(shè)計(jì)》教材

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《換熱器設(shè)計(jì)》

課程設(shè)計(jì)教材

同濟(jì)大學(xué)

制冷與低溫工程研究所

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第一節(jié)殼管式冷凝器

換熱器是制冷裝置中的重栗設(shè)備，制冷系統(tǒng)就是通過換熱器來實(shí)現(xiàn)放出冷量和熱量的過

程。冷凝器則是主要熱交換設(shè)備之一，它是將壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑蒸汽中的熱量傳給

水或空氣等冷卻介質(zhì)，將制冷劑冷凝成高壓的飽和液體或過冷液體。根據(jù)冷卻介質(zhì)和冷卻方式

的不同，冷凝器可分為三類（1）水冷式冷凝器，（2）空冷式冷凝器，（3）蒸發(fā)式冷凝器。

殼管式冷凝器屬于水冷式冷凝器，如圖17所示：

進(jìn)氣

is-ij

I:!20

圖1T殼管式冷凝器

殼管式冷凝器的特點(diǎn)是傳熱效率高，結(jié)構(gòu)比較緊湊，適用于中、大型制冷裝置，制造方便,

結(jié)構(gòu)牢固，生產(chǎn)成本低，但需要有一冷卻水系統(tǒng)。傳熱管內(nèi)壁上容易結(jié)水垢，必須定期清洗，

否則傳熱效果下降。制冷裝置中所用殼管式冷凝器一般是固定管板式，主要由筒體外殼、管板、

管束、封頭、支座組成。見圖1-2。

圖1-2管殼式換熱器

制冷劑蒸汽從頂部進(jìn)氣，過熱蒸汽進(jìn)入殼體后在傳熱管外凝結(jié)，凝結(jié)液從筒體底部流出,

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冷卻水在管內(nèi)多次往返流動(dòng)，在正常情況下，筒體下部只有少量液體，但也有一些小型冷凝器

的筒體下部不裝管束，筒體底部直接用于貯存所凝結(jié)的液體，使設(shè)備簡(jiǎn)化。有時(shí)筒下部沒有集

油包，制冷劑液體由此排出，并用于集存潤滑油及

機(jī)械雜質(zhì)。

臥式殼管式冷凝器常采用偶數(shù)流程，以使進(jìn)出

水管安裝在同一端蓋上，冷卻水從下面的進(jìn)水口流

入，從上面的出水口流出。端蓋用螺栓壓緊在管板

上，端蓋和管板間用橡皮墊密封。端蓋頂部有放氣

旋塞，以便供水時(shí)排除其中空氣，否則將增加冷卻

水的流動(dòng)阻力；下部則有一放水旋塞，在冬季冷凝

平衡

器停用時(shí)用以排除其中的積水以免凍裂管子。

殼管式冷凝器一般分為立式和臥式二大類，立I

壓

式殼管式冷凝器用于大中型氨制冷裝置，其結(jié)構(gòu)如力

表

圖1-3所示。筒體直立地安裝在貯水池上，冷卻水混合氣

從頂部的分水箱進(jìn)入管道后，沿壁面呈膜狀向下流

動(dòng)，流下的水集中在下面的水池中。制冷劑蒸汽從

筒體上部進(jìn)入放出熱量后在管外凝結(jié)成液體，由底

放

部排出。立式殼管式冷凝器可以露天安裝，節(jié)省機(jī)

房面積；也可以裝在冷卻塔下面，簡(jiǎn)化冷卻水系統(tǒng)。

與臥式殼管式冷凝器相比，立式殼管式冷凝器可以

使用水質(zhì)較差的水，因?yàn)樗梢栽谶\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行清洗。

但由于冷卻水不能始終沿管壁流動(dòng)，且上部管壁的

凝結(jié)液覆蓋下部管壁，因此它的傳熱系數(shù)低于臥式圖1-3立式殼

殼管式冷凝器。管式氨冷凝器

臥式氨冷凝器通常以。25~32mm的無縫鋼管作

傳熱管。水流速度約為r2m/s。臥式氟利昂冷凝器的傳熱管用銅管制造，稱作低螺紋管，以提

高制冷劑側(cè)的傳熱效果。

殼管式冷凝器（包括其它制冷換熱器）基本上都是采用鍍金焊接結(jié)構(gòu)的，所以，使用的材

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料主要是板材和管材，以及少量型鋼。此外，也有個(gè)別零部件（如某些殼管式換熱器的端蓋、

某些法蘭等）是用鑄鐵鑄成的。

制造換熱器所用材料質(zhì)量應(yīng)符合國標(biāo)、部標(biāo)及相應(yīng)的技術(shù)文件，所進(jìn)廠的材料須有鋼廠、

鋼材廠的質(zhì)量保證書。盡管制冷換熱器所承受壓力均不太高，但按國家勞動(dòng)人事部的規(guī)定，按容

器的工作壓力、所存介質(zhì)的性質(zhì)、容器的容積等因素劃分，它們大多數(shù)屬于II或I類容器，唯

有容積在2.511?以上的高壓氨貯液器劃分為III類容器，它的制造要求最高。制造廠必須持有國

家勞動(dòng)人事部的制造許可證才能生產(chǎn)III類容器，持有省市勞動(dòng)人事部門的制造許可證才能生產(chǎn)

I或II類容器。

殼管式冷凝器（包括制冷換熱器或設(shè)備）通常使用碳素鋼或普通低合金鋼即可滿足強(qiáng)度方

面的要求，在一般溫度下工作的熱交換器，采用A3F、A3、A3R及20g等碳素鋼即可。熱交換器

的傳熱管通常使用的有無縫鋼管、紫銅管、黃銅管。而薄板、銅皮、鋁皮等均可用來制作翅片。

在不影響設(shè)備性能的條件下，應(yīng)盡可能采用國產(chǎn)材料，易得材料和價(jià)格低廉的常用材料，以節(jié)

約貴重材料和有色金屬材料。

在選用換熱器的材料時(shí)，還應(yīng)考慮制冷劑、載冷劑及冷卻介質(zhì)對(duì)材料的腐蝕性。氨對(duì)黑色

金屬無腐蝕作用，對(duì)銅和銅合金材料有強(qiáng)烈的腐蝕性，故氨制冷換熱器不能使用銅材。氟利昂

對(duì)一般金屬均無侵蝕作用，但會(huì)侵蝕含鎂量超過2%的合金材料，在選擇材料時(shí)亦應(yīng)注意。當(dāng)用

海水作冷凝器的冷卻介質(zhì)時(shí)，氨冷凝器仍可用碳素鋼管，但選擇的管壁應(yīng)加厚些，并用鋅極保

護(hù)；對(duì)氟利昂冷凝器仍可用鋼管，但當(dāng)海水冷卻且流速又較高時(shí)，最好使用鑲銅管。在用鹽水

作載冷劑時(shí)，氟利昂蒸發(fā)器的銅管上應(yīng)鍍鋅加以保護(hù)。

第二節(jié)殼管式冷凝器的傳熱計(jì)算

在本節(jié)中我們將對(duì)殼管式冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算（指?jìng)鳠嵊?jì)算）作介紹

一、給定設(shè)計(jì)條件

殼管式冷凝器一般是根據(jù)冷凝器的額定負(fù)載設(shè)計(jì)的。并給出制冷壓縮機(jī)的形式、制冷劑的

種類、額定運(yùn)行工況（包括蒸發(fā)溫度t。、冷凝溫度七八制冷量Q。）。設(shè)計(jì)的任務(wù)就是根據(jù)上述條

件確定冷凝器的形式、傳熱面積和結(jié)構(gòu)，最后求出冷卻水在冷凝器中的流動(dòng)阻力。制冷裝置中

冷凝器的熱負(fù)荷與制冷量有關(guān)Q。有關(guān)，一般可表示為：

QkCQo

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1.4

蒸發(fā)溫度十。Ie

a氨系統(tǒng)圖

-^30^2D=TD0=10

蒸發(fā)溫度gel

b氟里昂系統(tǒng)

圖2-1c0與t口\tk的關(guān)系曲線圖

其中C。稱為負(fù)荷系數(shù),Co隨制冷裝置的種類及運(yùn)轉(zhuǎn)工況而變,單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)及氟利昂系統(tǒng)

C。隨工的變化曲線如圖2—1

二、殼管式冷凝器設(shè)計(jì)中幾個(gè)參數(shù)的選擇

1、冷卻水的選擇

冷卻水在管內(nèi)的流動(dòng)速度對(duì)換熱系數(shù)有較大的影響。流速增加，水側(cè)換熱系數(shù)增加，但冷

卻水在冷凝器傳熱管內(nèi)的流動(dòng)阻力也增加，且水對(duì)管子的腐蝕性也增加，管子的腐蝕與管子材

料、冷卻水的種類、冷卻水流速和冷凝器年使用小時(shí)有關(guān)，在氨冷凝器中，由于水對(duì)鋼管的腐

蝕作用較大，通常選用較低的流速，水速在0.5~1.5m/s之間。對(duì)于使用海水冷卻的鋼管冷凝器,

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水速栗在0.7m\s以下。對(duì)于氟利昂的冷凝器，水速則要稍高一些，表27列出了氟利昂冷凝器

的設(shè)計(jì)水速.

表2—1氟利昂冷凝器中的設(shè)計(jì)水速

年使用時(shí)間(h)150020003000400060008000

設(shè)計(jì)水速(m/s)3.02.92.72.42.11.8

2、冷卻水進(jìn)口溫度t和冷卻水溫升(&一t,)的選擇

冷卻水進(jìn)口溫度匕應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料取高溫季節(jié)的平均水溫。冷卻水的溫升與冷卻水

流量有關(guān)，流量愈大，溫升愈小，此時(shí)冷凝器的對(duì)數(shù)平均溫差大，所須的冷凝器傳熱面積小，

但大的冷卻水流量將引起耗水量和水泵的耗功的增加，因此在一般臥式冷凝器中冷卻水溫升為

4~5℃,當(dāng)使用循環(huán)水時(shí)可取下限，而對(duì)于以自來水或河水作為水源的冷凝器可取高一點(diǎn)

3、污垢熱阻

水側(cè)污垢熱阻n與管子的材料、水速和冷卻水含鹽量有關(guān)，表2—2給出了在不同的條件下

表2—2冷卻水側(cè)的污垢熱阻r；(m2.k/w)

有色金屬管鋼管

冷卻水

水速(m/s)水速(m/s)

的種類

W0.920.9W0.920.9

海水0.0000860.0000860.0001720.000172

堿水0.0003440.0001720.0006880.000344

井水0.0001720.0001720.0003440.000344

湖水0.0001720.0001720.0003440.000344

硬水0.0005180.0005160.0005160.000516

流動(dòng)水0.0003440.0001720.0006880.000344

泥水0.0005160.0003440.0010320.000688

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的n值。

制冷劑側(cè)污垢主要是油垢，對(duì)于氟利昂而言，它與潤滑油互相溶解，可以認(rèn)為不存在油污,

對(duì)氮冷凝器一般污垢熱阻r°=(3~4)X10V.k/w

4、冷卻水流動(dòng)阻力

冷卻水在冷凝器中總的阻力用下述公式計(jì)算

△p=-pw2(^?N?—+1.5(N+1))(2-2)

2a

式中w—冷卻水流速(m/s)

P一冷卻水密度(kg/m)

I一單根傳熱管長度(m)

di—傳熱管內(nèi)徑(m)

N一流程數(shù)

&一沿程阻力系數(shù)

對(duì)于水

_0.3164

(2-3)

氏0.25

管外制冷劑側(cè)流動(dòng)阻力一般不記。

三口傳熱管的型式

在氨冷凝器中傳熱管鋼管制成，一般為光管，臥式氨冷凝器采用025、032、038等直

徑的鋼管；立式氨冷凝器采用直徑為

038、051的鋼管。由于冷卻水對(duì)

鋼管的腐蝕性較大，一般管壁厚度b

取2.5?3.0mm。氟利昂冷凝器的傳

熱管通常用薄壁紫銅管在常溫下滾

t

軋而成，軋出的翅高較小(1.2?

2.0mm),因而通常稱為低螺紋管，常

用的低螺紋管的節(jié)距為1.34?

1.60mm肋高為1.3?1.5mm,肋化系圖2-2低螺紋管剖面圖

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數(shù)3?4之間。圖2-2為低螺紋管示意圖。

為了強(qiáng)化傳熱，提高殼管式換熱器的效率，人們不斷制成新的強(qiáng)化傳熱元件。如翅片管波管

內(nèi)插物，或采用異形管作為殼管式換熱器的傳熱管，下圖是常用的一些傳熱管。

四、傳熱計(jì)算

1.低螺紋管的翅片面積

翅片面積

可（力一或）（m"）

s*cos—

ff2

翅片間管子外表面積

力=萬*4（1-F）（//）

翅頂面積

fT=7T*dt*3T*n（冽2/）

n=—每米翅片數(shù)（1/m）

sf

翅片當(dāng)量高度

H=?*（力-點(diǎn)）④

翅片管的外表面積

2、制冷劑蒸汽在低螺紋管上的換熱

蒸汽在水平低螺紋管上的換熱系數(shù)

1_11

4=0.72*G4*紇*&-九）4*或7*%（2—9）

式中

%/一低螺紋管增強(qiáng)系數(shù)

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Bm~原=0.023^^制冷劑液膜組合物性參數(shù)（/o.2*,〃z6*P

afVf/3"K

q-蒸發(fā)潛熱（/g）

tk—液膜溫度（k）

tw—壁溫（k）

乎/=//+1]*（/7+力）*樣*3。/4尸/（2-10）

-翅片效率，對(duì)于低螺紋紫銅管〃/=1.0

表2—3列出了幾種制冷劑在不同溫度下4"和Bm的值。

￡

1/41/423

表2—3rs（J/kg）Bm（kg?w/m?k?s）l的值

NH3R12R22

t℃

1/41/41/4

rsBrarsBmrsBm

33.5119.7478.286.6

0235.8221.26

9788

33.2719.5776.621.0383.3

10233.88

58190

33.0119.3774.720.7979.6

20232.01

04725

32.7119.1972.820.5175.8

30228.36

51531

32.38223.1118.9670.720.1971.6

40

363025

32.0218.7068.219.8166.8

50217.01

74714

蒸汽在管簇上換熱與在單管上不同，主要是由于上排管子的冷凝液流到下排管子上，使下

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排管排液膜增厚，換熱系數(shù)降低，因而與光管換熱相比，栗有一個(gè)修正系數(shù)

(2—11)

￡?一管簇修正系數(shù)

上式是根據(jù)努謝爾特的膜層凝結(jié)理論，認(rèn)為上排管上冷凝液完全滴下并積聚在下排管上

推導(dǎo)出的修正系數(shù)

管簇平均省卜數(shù)

〃,”二(』T)4(2T3)

工力

N一總管數(shù)

rij一每列中管排數(shù)

上面是理論推導(dǎo)，實(shí)際上排管滴下的冷凝液有部分濺落出去，因而實(shí)際修正系數(shù)一般用

下式計(jì)算：

3.冷卻水側(cè)換熱

=B—―(w/m.k)(2—16)

'ffd?

表2一4水的&值

tf(℃)0204060

1430187823142686

4.熱管總傳熱系數(shù)k

以外表總面積為基準(zhǔn)時(shí)傳熱系數(shù)：

1,1、力西力1

(2—16)

——=(—+ri)—+——+r0+—

k。%Z4fm/

式中：

-管內(nèi)水膜換熱系數(shù)w/m2k

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%--管外制冷劑換熱系數(shù)w/m2

—管內(nèi)水垢熱阻mk

2

ft——傳熱管內(nèi)表面積m

力——平均面積m2

刈

?

汗

吩

(a)(b)(cXd)

(a)扁平管(b)橢圓管

(c)幾種形管(d)波紋管

(a)焊接板刺片管(b)整體式外刺片管

(c)鑲嵌式外刺片管(d)整體式的外刺片

7

Z

多“Z

/

-^

/

/

/

H

/

/

5

/

/

/

H

/I

/

^

/

)

/

,

/

1

N

上N

s

螺紋管

(cl徑向翅片管

圖2-3常用傳熱管型式

3,--壁厚m

上式可寫成:

1

+—（2—17）

+ro

力fm

從式(2—17)可看出已知a。即可求出K。，但a。是壁面溫度乜和熱流密度q的函數(shù)，所以K。

可以通過迭代法或圖解法來求出

1

1

aO=0.72r?*練*巧*J

程(鼠—/())_

1]_

令孰=0?72巾*縱*%*邑/成

則a0=CStk-twy（2-18）

而%=。0（〃-&）（2-19）

從式（2—18）和（2—19）中消去（t-tj則有

11

4=/ol（2-20）

代入式(2—17)

￡

-L.=R+顯

K。。?

0Q3

10

而一則整理有

k°q°

4f4

（2—21）

對(duì)數(shù)平均溫差

式(2—21)既可以用迭代法又可以用圖解法求出q。然后便可逐一求出a。、koO

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---------4-^-

弟二甲殼管式冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制冷用殼管式冷凝器一般采用固定管板式，下面就介紹一下它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

一、換熱管

殼管式換熱器的傳熱面積主要式由傳熱管的表面積所構(gòu)成，換熱管的幾何形狀、尺寸及排列型式

直接影響傳熱效果。

氮冷凝器通常用無縫鋼管（光管），臥式采用038、051mm的鋼管，一般壁厚b取2.5~3.0mm,

氟利昂冷凝器中的傳熱管用薄壁的紫銅低螺紋管，以增加氟利昂側(cè)的換熱系數(shù)。

一般而言，粘性大、不清潔的流體用直徑大的管子，小直徑可以提高管內(nèi)流速，提高傳熱效果，

使換熱器緊湊。

換熱管的長度根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算和整個(gè)換熱器幾何尺寸的布局來確定。一般管子越長，換熱器單位

材料消耗就越低，但換熱管不宜過長，管子過長則換熱器必然太細(xì)，造成換熱器豎放不穩(wěn)、臥置容

易彎曲變形，而且管子過長后對(duì)流體產(chǎn)生較大的阻力，維修、清洗、運(yùn)輸、安裝都不方便，常用的

管長規(guī)格有1,1.5,2.5,3,4.5,6m等。

二：管子在管板上的布置

1：管子在管板上的排列

管子在管板上的排列不單考慮設(shè)備的緊湊性，還栗考慮流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工制造方面

的情況。管子在管板上的排列主栗有三種方式：等邊三角形排列（或稱正六角形排列）、正方形排列

Q等邊三角形排列b正方形排列匚組合排列

圖3—1管子排列形式

和組合排列，如圖3——1所示。

在一定的管板面積上，等邊三角形排列方法可排列最多的管數(shù)，由于管與管之間距都相等，在

管板上劃線、鉆孔等加工都非常方便，但是管外清洗較困難，所以當(dāng)殼程流體是清潔、不結(jié)垢的介

質(zhì)時(shí)，一般采用等邊三角形排列。

正方形排列在相同管板面積上排列的管子數(shù)最少，比等邊三角形排列少但它的優(yōu)點(diǎn)

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在于管外機(jī)械清洗方便。

組合排列法用于多程換熱器，其中每一程中用三角形排列，各程之間常常采用正

方形排列，這主要從便于安排隔板方面考慮。

當(dāng)換熱器直徑較大，管子較多時(shí)，都必須在管束周圍的弓形空間內(nèi)盡量配置換熱器管（附加

表3—1按等邊三角形排列的管子的根數(shù)

六角形對(duì)角線上不記弓形部分弓形部分管數(shù)換熱器內(nèi)管子

的層數(shù)的管數(shù)管子的根數(shù)在弓形的在弓形的在弓形的在弓形部分的總根數(shù)

第一排第二排第三排內(nèi)總管數(shù)

137————一一7

2519————一一19

3737————一——37

4961——一————61

51191——一——一91

613127————————127

7151693——一18187

8172174————24241

9192715————30301

10213816————36367

11233977————42439

12254698————48517

132754792——66613

1429631105——90721

1531721116——102823

1633817127——114931

1735919138——1261045

193911411512——1621303

20411261161341981459

管），這不但可以增大傳熱面積，而且也消除了管外空間這部分不利于傳熱的地方。等邊三角形排列

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可參考表3—1。

對(duì)于多程換熱器而言，分程隔板占據(jù)了管板上一部分面積，實(shí)管管排數(shù)比表3—1所列的要少，

設(shè)計(jì)時(shí)一般采用作圖法確定。

2.管子的間距

管板上兩根管子中心的距離稱為管間距s,管間距的選擇既要考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性、傳熱效果，

又要考慮管板的強(qiáng)度和清洗管子外表面所需的空間，除此之外還要考慮管子在管板上的固定方

法這個(gè)因素。管間距s越小則換熱器直徑就越小，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)殼程流體流速增加，傳熱效

果提高。但間距太小將給制造帶來麻煩，當(dāng)采用脹管連接時(shí)，則會(huì)使管板“小橋”（相鄰兩管孔

之間部分）發(fā)生永久變形，降低和失去換熱器和管板間的連接力；如果采用焊接連接，由于焊

縫太近，互相受到熱影響，焊縫質(zhì)量下降，此外間距S太小會(huì)使管板強(qiáng)度下降，一般而言栗求

間距S21.25&（&管子外徑），而且要滿足s2d0+b。

表3—2管板孔、折流板及最小管間距（mm）

管子外徑比141925323857

管板孔14.4+0'119.4+0225.4+0-232.5+0338.5+0357.7+0-4

折流板孔14.6+0419.6"°"25.8+0-432.8位的38.8+04558位5

最小管間距192532404870

對(duì)于多程換熱器，在分程隔板兩側(cè)的第一排管間距c（見圖3—1c）為了滿足分程隔板的密

封和管子固定等要求，其間距還要大一些，見表3—3。

表3—3分程隔板槽兩側(cè)管子之間的