【文章內(nèi)容簡介】 ............................................................ 46 中原工學院能源與環(huán)境學院 畢業(yè)論文 （設計） 1 1 緒 論 換熱器是 一種實現(xiàn)物料之間傳遞熱量的節(jié)能設備，在石油，化工，動力，食品，輕工等行業(yè)應用普遍。在煉油，化工裝置中換熱器占 總設備數(shù)量的 40%左右，占總投資的 30%～ 45%。近年來隨著節(jié)能技術的發(fā)展，換熱器的應 用領域不斷擴大帶來了顯著的經(jīng)濟效益。換熱器的種類很多，但根據(jù)冷、 熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三大類 ，即 間壁式、混合式和蓄熱式。在三大類換熱器中，間壁式換熱器應用最多。 間壁式換熱器又可分為夾套式換熱器、沉浸式蛇管換熱器、噴淋式換熱器、套管式換熱器和殼管式換熱器。其中殼管式換熱器（又稱列管式）是最典型的間壁式換熱器，它在工業(yè)應用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占有主導的地位。 課題的提出和研究內(nèi)容 課題背景 目前在國內(nèi)的冷水機組中，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。在大中型的冷水機組中，殼管式換熱器是最主要的換熱器形式，考慮到成本和結(jié)構(gòu)尺寸的限制，板式和套管式換熱器主要應用于小型的渦旋和螺桿機組。殼管式蒸發(fā)器主要有干式和滿液式兩種，對于熱泵機組，考慮到能夠在制冷制熱兩種工況下運行，干式換熱器還是絕對的首選，滿液式蒸發(fā)器在熱泵上的應用相對來說還不成熟。對于冷水機組，由于滿液式蒸發(fā)器具有更高的換熱性能，已經(jīng)受到越來越多的制冷設備制造商的青睞，但是其致命的弱點是機組的回油問題，特別是在低溫工況下尤為嚴重，增加回油設備一方面增加了成本另一方面也降低了機組的可靠性。干式蒸發(fā)器的應用則相對要成熟很多，采用干式蒸發(fā)器不需要單獨的換熱器回油設計，但是其缺 點是系統(tǒng)效率卻會有所降低。干式換熱器性能接近板式換熱器，但對于像 R134a 這類環(huán)保的替代工質(zhì)，板式換熱器在稍大的冷量范圍內(nèi)性能會因為制冷劑分配不均而有所降低而且價格一般偏貴。隨著國內(nèi)空調(diào)行業(yè)的迅猛發(fā)展和新的國家強制性空調(diào)能效標準的頒布，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，因此對于在新型工質(zhì)下如何提高這種運行可靠的傳統(tǒng)換熱 器型式 —— 干式蒸發(fā)器性能的研究是個很有意義的課題。 中原工學院能源與環(huán)境學院 畢業(yè)論文 （設計） 2 課題任務 本次設計的蒸發(fā)器是 50kW 殼管式干式蒸發(fā)器，主要完成的是冷凍水和制冷劑之間的熱量交換，在設計工況下能夠正常運行，達到預期的標準，材料選擇達到設計壓力的要求，換熱器盡可能的減少泄漏。同時在保證技術條件的前提下，換熱器外觀設計盡量美觀，整體尺寸盡量小。主要設計任務包括設計條件的確定、設計方案的選擇、換熱計算、結(jié)構(gòu)設計，其中結(jié)構(gòu)設計又包括管板、端蓋、折流板、拉桿、定距桿、法蘭、進出口的設計等幾個方面。具體設計條件見表 111。 表 111 設計條件 制冷劑 負荷 蒸發(fā)溫度 冷凝溫度 冷凍水進口溫度 冷凍水出口溫度 R22 50kW 2℃ 32℃ 12℃ 7℃ 干式蒸發(fā)器 干式蒸發(fā)器簡介 干式蒸發(fā)器 是液體制冷劑經(jīng)節(jié)流后從蒸發(fā)器一端的端蓋進入管程，端蓋上鑄有隔板，制冷劑經(jīng)過兩個或多個流程蒸發(fā)并吸收載冷劑的熱量后從同一個端蓋出來后進入壓縮機。如果端蓋隔板墊片泄漏 ,會使制冷劑短路，造成回液及制冷能力下降。 這種蒸發(fā)器的主要特點是：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調(diào)節(jié)供液量。通常使用的制冷劑有 R2 R134a、 R407c、R410a 等。因為制冷劑 在 管內(nèi)蒸發(fā)，只要管內(nèi)流速超過 4m/s，就可以把管內(nèi)的潤滑油帶回壓縮機，回油方便。在設計當中，殼程采用 GB151 或 TEMA 規(guī)定的 E 型結(jié)構(gòu)（折流板型式），折流板的缺口大小根據(jù)載冷劑的物理性質(zhì)與流量大小開15%～ 50%的缺口，通常情況下，折流板缺口的流速與載冷劑橫向掠過管束的流速大致相等，為了保證換熱效果，折流板與 殼體內(nèi)壁 的間隙、換熱管與折流板的間隙要小于 或 等于 GB151 或 TEMA 規(guī)定的最小間隙，特別是在低溫情況下，這些間隙顯得尤為重要，由于在低溫情況下，載冷劑一般為高粘度流體 ， 流速慢，熱阻相對增大，間隙泄漏更加明顯，所以在低溫情況下對間隙的控制一定要更加嚴格。 干式蒸發(fā)器與滿液式蒸發(fā)器的區(qū)別 干式 蒸發(fā)器 的制冷劑在管內(nèi)流動，水在管簇外流動。制冷劑流動通常有幾個中原工學院能源與環(huán)境學院 畢業(yè)論文 （設計） 3 流程，由于制冷劑液體的逐漸氣化，通常越向上，其流程管數(shù)越多。為了增加水側(cè)換熱，在 殼體 內(nèi) 傳熱管的外側(cè)設有若干個折流板，使水多次橫掠管簇流動。 干式蒸發(fā)器的優(yōu)點： （ 1）潤滑油隨制冷劑進入壓縮機，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）蒸發(fā)溫度 t0 在 0℃附近時，水不會凍結(jié)。 使用這種蒸發(fā)器必須注意： （ 1）制冷劑有多個流程，在端蓋轉(zhuǎn)彎處如處理不好會產(chǎn)生積液，從而使進入下一個流程的液體分配不均勻，影響傳熱效果； （ 2）水側(cè)存在泄漏問題，由于折流板外緣與殼體間一般有 1～ 3mm 間隙，與傳熱管之間有 2mm 左右的間隙，因而會引起水的泄漏。實踐證明，水的泄漏會引起水側(cè)換熱系數(shù)降低 20%～ 30%，總的傳熱系數(shù)降低 5%～ 15%。 滿液式殼管蒸發(fā)器在管內(nèi) 走水，制冷劑在管簇外面蒸發(fā)，所以傳熱面 基本上都與液體制冷劑接觸。 一般殼體內(nèi)充注的制冷劑量約為 殼體 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。 滿液式蒸發(fā)器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，操作管理方便，傳熱系數(shù)較高。 滿液式蒸發(fā)器的缺點： （ 1）制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度低于 0℃時，管內(nèi)水易凍結(jié)，破壞蒸發(fā)管； （ 2）制冷劑充灌量大； （ 3）受制冷劑液柱高度影響，筒體底部的蒸發(fā)溫度偏高，會減小傳熱溫差； （ 4）蒸發(fā)器筒體下部會積油，必須有可靠的回油措施，否則影響系統(tǒng)的安全運行。 殼管式換熱器 殼管式換熱器簡介 殼管 式換熱器又稱為列管式換熱器，是最典型的間壁式換熱器。殼管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應用最廣的一種換熱器。 殼管式換熱器優(yōu)點：單位體積設備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。 殼管式換熱器結(jié)構(gòu) ： 由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行中原工學院能源與環(huán)境學院 畢業(yè)論文 （設計） 4 換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板 。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體 。 流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程為提高管內(nèi)流體速度 ,可在兩端管箱內(nèi)設置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間， 稱為多殼程。多管程與多殼 程可配合應用。 殼管式換熱器分類 由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因此換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應力，導致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當管束與殼體溫度差超過 50℃ 時，需采取適當補償措施，以消除或減少熱應力。根據(jù)所采用的補償措施，殼管式換熱器可分為以下幾種主要類型： （ 1）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。 新型浮頭式換熱器浮頭端結(jié)構(gòu)，它包括圓筒、外 頭蓋側(cè)法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面設凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側(cè)鉆孔并套絲或焊設多個螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個以該管板中心為圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽，且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與凹型槽相連通；在凹型和梯型凹槽之間鉆孔并套絲或焊設多個螺桿均布，設浮頭法蘭為凸型和梯型凸臺雙密封，分程隔板與梯型凸臺相通并位于同一端面的寬面法蘭，且凸型和梯型凸臺及分程隔板分別與浮頭管板凹型 和梯型凹槽及分程凹槽相對應匹配，該浮頭法蘭與無折邊球面封頭組配焊接為浮頭蓋，其法蘭螺孔與浮頭管板的絲孔或螺桿相組配，用螺栓或螺帽緊固壓緊浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其墊片，該結(jié)構(gòu)必要時可適當加大浮頭管板的厚度和直徑及圓筒的內(nèi)徑，同時相應變更加大相關零部件的尺寸；另配置一無外力輔助鋼圈，其圈體內(nèi)徑大于浮頭管板外徑，鋼圈一端設法蘭與外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)中原工學院能源與環(huán)境學院 畢業(yè)論文 （設計） 5 面凹型或梯型密封面連接并密封，另一端設法蘭或其他結(jié)構(gòu)與浮頭管板原凹型槽及其墊片或外圓密封。 浮頭換熱器的特點： 浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間，另一 端管板可以在殼體內(nèi)自由移動，這個特點在現(xiàn)場能看出來。這種換熱器殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。其缺點是結(jié)構(gòu)復雜，造價高（比固定管板高 20%），在運行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的條件。 （ 2） 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當位置上焊上一個補償圈 （ 或膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。 固定管板式換熱器主要有 外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點是在殼體中設置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。 這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價便宜，但 殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。 此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體 裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。 為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差 50℃ 以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于 60～ 70℃ 和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過 時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差 補償?shù)淖饔?，就應考慮其他結(jié)構(gòu)。 固定管板式換熱器的特點 ： 旁路滲流較?。? 中原工學院能源與環(huán)境學院 畢業(yè)論文 （設計） 6 造價低； 無內(nèi)漏； 固定管板式換熱器的缺點是，殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報廢，設備壽命較低，不適用于殼程易結(jié)垢場合。 （ 3） U 型管式換熱器 U 形管換熱器的管束結(jié)構(gòu)由 U 字形彎管組成。管子兩端固定在同一塊管板上，彎曲端不加固定，使每根管子具有自由伸縮的余地而不受其它管子及殼體的影響。這種熱交換器在需要清洗時可將整個管束抽出，但要清除管子內(nèi)壁的污垢卻比較困難；因為彎曲的管子需要一定的彎曲半徑，因而在 制造時需用不同曲率的模子彎管，而使管板的有效利用率降低；此外，損壞的管子也難于調(diào)換， U 形管管束的中心部分空間對換熱器的工作有著不利的影響。由于這些缺點的存在，使得它的應用受到很大的限制。 這類換熱器只有一個管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。 本次干式蒸發(fā)器設計采用 型式 的就是 U 形管換熱器。 （ 4） 填料函式換熱器 這是一種使一端一端管板固定而讓另一端管板可在填料函中滑動的熱交換器 ， 其結(jié)構(gòu)如圖所示 ， 實際上它是將浮頭露在殼體外面的浮 頭式熱交換器 ， 所以又稱外浮頭式熱交換器 。 由于填料密封處容易泄露 ， 故不宜用于易揮發(fā) 、 易燃 、易爆 、 有毒和高壓流體的熱交換 。 而且由于制造復雜 ， 安裝不便 ， 因此此結(jié)構(gòu)不常采用 。 這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。 殼管式換熱器的發(fā)展 殼管式換熱器的發(fā)展總體上是支承形式的發(fā)展，從板式支承到折流桿式支承，再到空心環(huán)支承，最后到管子的自支承，當然期間也有交錯發(fā)展的情況。隨著支承形式的發(fā)展，殼管式換熱器的殼 程給熱系數(shù)呈現(xiàn)不斷提高的趨勢，壓降呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，換熱器的傳熱綜合性能得到很大的提高。從殼管式換熱器的發(fā)展可知，新的支承