【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 使管子的數(shù)目減少，對(duì)一定的傳熱面積，不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù)。管子太長(zhǎng)不易清洗，且一般管長(zhǎng)都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時(shí)應(yīng)予考慮的問(wèn)題。 流體流動(dòng)方式的選擇除逆流和并流之外，在殼管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復(fù)雜流動(dòng)。當(dāng)流量一定時(shí)，管程或殼程越多，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，對(duì)傳熱過(guò)程越有利。但是，采用多管程或多殼程必導(dǎo)致流體阻力損失，即輸送流體的動(dòng)力費(fèi)用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時(shí)，需權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。 流體溫度和流體終溫的確定冷卻介質(zhì)（或加熱介質(zhì)）終溫的選擇在換熱器的設(shè)計(jì)中，進(jìn)、出換熱器物料的溫度一般是由工藝確定的，而冷卻介質(zhì)（或加熱介質(zhì)）的進(jìn)口溫度一般為已知，出口溫度則由設(shè)計(jì)者確定。如用冷卻水冷卻某種熱流體，水的進(jìn)口溫度可根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件作出估計(jì)，而出口溫度需經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡確定。為了節(jié)約用水，可使水的出口溫度高些，但所需傳熱面積加大；反之，為減小傳熱面積，則可增加水量，降低出口溫度。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)時(shí)冷卻水的溫度差可取3~10℃。缺水地區(qū)可選用較大溫差，水源豐富地區(qū)可選用較小的溫差。若用加熱介質(zhì)加熱冷流體，可按同樣的原則選擇加熱介質(zhì)的出口溫度。 材質(zhì)的選擇殼管式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降。同時(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價(jià)格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。 3 結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)方案確定/本次設(shè)計(jì)題目為殼管式干式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)，制冷劑走管程，水走殼程，逆流換熱，換熱器類(lèi)型選擇U型管式換熱器，兩管程一殼程結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)條件確定制冷劑 R22換熱量 蒸發(fā)溫度 冷凝溫度 冷凍水進(jìn)口溫度 冷凍水進(jìn)口溫度 制冷劑質(zhì)量流量計(jì)算制冷劑進(jìn)口焓值制冷劑進(jìn)口焓值制冷劑側(cè)制冷流量 冷凍水流量計(jì)算冷凍水比熱容水側(cè)的質(zhì)量流量水側(cè)的體積流量 對(duì)數(shù)傳熱溫差初步計(jì)算平均傳熱溫差 管長(zhǎng)初步計(jì)算取換熱系數(shù)（采用一般的銅光管時(shí)，換熱器的傳熱系數(shù)為523～580，如果采用小直徑銅管密排時(shí)，傳熱系數(shù)可提高為1000～1160，采用強(qiáng)化管傳熱系數(shù)會(huì)有更大的提高，能提高多少，根據(jù)銅光管時(shí)的水速和制冷劑的質(zhì)量流速而定，即為水側(cè)的換熱系數(shù)和制冷劑側(cè)換熱系數(shù)而定）。則在此換熱系數(shù)下?lián)Q熱器的換熱面積考慮過(guò)熱、折流板和管板30%的安全余量（初步規(guī)劃的換熱面積要考慮過(guò)熱度對(duì)傳熱系數(shù)的影響，因此規(guī)劃的換熱面積要比校核計(jì)算的換熱面積提高15%～30%左右，根據(jù)過(guò)熱度的大小，選擇合適的范圍，另外，管板及折流板占據(jù)了換熱面積不參與換熱，因此初步規(guī)劃的換熱面積要再提高5%左右），則換熱面積假定制冷劑質(zhì)量流速（為了保證潤(rùn)滑油帶回壓縮機(jī)，制冷劑在換熱管的出口流速要大于4m/s，此時(shí)制冷劑的質(zhì)量流速一般為左右，質(zhì)量流速越大，制冷劑側(cè)和整體的換熱系數(shù)越高，該假定值后面會(huì)有校核）。單管程熱交換器的管程流通截面積單管程的管數(shù)根取整為54根。為滿足熱計(jì)算所需的傳熱面積，每根管子的長(zhǎng)度已知管程數(shù)為，則每一程的換熱管長(zhǎng)總管數(shù)根實(shí)際的制冷劑質(zhì)量流速為與假設(shè)值接近，故假設(shè)值合理。 結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)管板厚度mm折流板數(shù)折流板直徑mm折流板厚度mm上缺口高mm下缺口高mm上缺口管數(shù)根下缺口管數(shù)根折流板間距mm管板與第一個(gè)折流板間距mm最后一個(gè)折流板距與換熱管管端間距mm殼體直徑附近的管數(shù)根據(jù)作圖法得到殼體內(nèi)徑mm實(shí)際管長(zhǎng)m，故初步設(shè)計(jì)合理。實(shí)際參與換熱的管長(zhǎng) m實(shí)際有效傳熱面積以上結(jié)構(gòu)尺寸在后面結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)中均有校核。4 換熱器計(jì)算 殼程換熱系數(shù)計(jì)算折流板的平均間距橫向流通截面積橫向流速折流板上、下缺口面積按下面兩個(gè)公式計(jì)算。計(jì)算時(shí)值取自表411中。 表411 的數(shù)值H/DsKb由于故取值為折流板上缺口面積折流板下缺口面積上、下缺口面積的平均值 縱向流速 與的幾何平均值 冷凍水平均溫度據(jù)此溫度查得水的物性數(shù)據(jù)為：普朗特常熟 運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù) 導(dǎo)熱率 則水的雷諾數(shù)管外換熱系數(shù)計(jì)算 管內(nèi)換熱系數(shù)的計(jì)算假定蒸發(fā)器按內(nèi)表面計(jì)算的熱流密度（此假定將在后面檢驗(yàn)），則管內(nèi)換熱系數(shù)表421 系數(shù)與蒸發(fā)溫度的關(guān)系t0(℃)c102R11R12R22R113R14230 / 10 / +10 式中 ——換熱管內(nèi)徑；c ——系數(shù)，查表421可得；——制冷劑質(zhì)量流速。本設(shè)計(jì)中制冷劑為R22，蒸發(fā)溫度為2。則管內(nèi)換熱系數(shù) 制冷劑流動(dòng)阻力及傳熱溫差的計(jì)算 制冷劑的流動(dòng)阻力計(jì)算飽和制冷劑蒸氣在時(shí)的比容該狀態(tài)下的密度飽和制冷劑蒸氣的流速蒸發(fā)器出口處的蒸發(fā)溫度，據(jù)此從物性表中查得R22制冷劑蒸氣的物性參數(shù)如下：普朗特常熟 運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù) 則制冷劑蒸氣的雷諾數(shù)沿程阻力系數(shù)飽和蒸氣的沿程阻力兩相流動(dòng)時(shí)制冷劑的沿程阻力，式中從表431中取值。表431 兩相流動(dòng)時(shí)，R22阻力的換熱系數(shù)與質(zhì)量流速的關(guān)系νm406080100150200300400ΨR。故兩相流動(dòng)時(shí)制冷劑的沿程阻力總阻力，故本次設(shè)計(jì)壓降在合適的范圍之內(nèi)。 實(shí)際對(duì)數(shù)平均溫差在附近，,℃，因此蒸發(fā)器進(jìn)口處制冷劑冷劑的溫度為實(shí)際對(duì)數(shù)平均溫差 傳熱系數(shù)及按內(nèi)表面計(jì)算的熱流密度 傳熱系數(shù)換熱器總的傳熱系數(shù)式中： ——銅管的壁厚，；——銅管的均直徑，；——銅管的導(dǎo)熱系數(shù)，取值380?！軆?nèi)側(cè)污垢系數(shù)，本設(shè)計(jì)中制冷劑流速較高，潤(rùn)滑油在高速下被帶出，故管內(nèi)污垢系數(shù)取值0；——管外側(cè)污垢系數(shù)，即水側(cè)污垢系數(shù)，取值。則由于上面換熱系數(shù)計(jì)算過(guò)程是換熱管為銅光管的計(jì)算過(guò)程，而本設(shè)計(jì)采用的換熱管為內(nèi)螺紋銅管，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到采用內(nèi)螺紋銅管時(shí)換熱器總的換熱系數(shù)約提高一倍。故換熱器實(shí)際的換熱系數(shù)約為該值與結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)中假定的相符，故假定值合理。 按內(nèi)表面計(jì)算的實(shí)際熱流密度該值與假定值相近，故假定值合理。 所需傳熱面積前已述及，初步規(guī)劃的實(shí)際有效傳熱面積為。說(shuō)明換熱面積滿足要求，并且有30%左右的余量。5 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 換熱管設(shè)計(jì)（1）管程分程換熱器的換熱面積較大而管子又不是很長(zhǎng)時(shí)，就得排列較多的管子。為了提高流體在管內(nèi)的流速，增大管內(nèi)傳熱系數(shù)，就必須將管束分程，分程可采用不同的組合方法，但是每程中的管數(shù)應(yīng)該大致相同，分程隔板應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單，密封長(zhǎng)度應(yīng)短。管程數(shù)一般有12等七種。偶數(shù)管程的換熱器無(wú)論對(duì)制造、檢修或是操作都比較方便，所以使用最多。除單程外，奇數(shù)管程一般少用，程數(shù)不能分的太多，不然隔板要占去相當(dāng)大的布管面積。本換熱器類(lèi)型為U型管式換熱器，因?yàn)閁型管換熱器的管路進(jìn)出口是對(duì)稱(chēng)的，故取對(duì)稱(chēng)兩程。（2）換熱管的規(guī)格和尺寸偏差。 具體規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表511。表511 內(nèi)螺紋管規(guī)生產(chǎn)規(guī)格（3）換熱管的排列型式換熱管的排列型式主要有以下四種。圖511 換熱管的排列型式等邊三角形排列用的最為普遍，因?yàn)楣茏娱g距都相等，所以在同一管板面積上可排列的管子數(shù)最多，便于管板的劃線和鉆孔。但管間不易清洗，TEMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)殼程需要機(jī)械清洗時(shí)，不得采用三角形型式。在殼程需要進(jìn)行機(jī)械清洗時(shí)，一般采用正方形排列，管間通道沿整個(gè)管束應(yīng)該是連續(xù)的，而且要保證6mm的清洗通道。圖51中（a）和（d）兩種排列方式，在折流板間距相同的情況下，其流通截面要比（b）和（c)兩種的小，有利于提高流速，因此更加合理些。本設(shè)計(jì)換熱器換熱管即采用（a）三角形排列方式。（2）換熱管中心距表512 熱管中心距換熱管外徑d0101214161920253032353845505557換熱管中心距s13～141619222526323840444857657072隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn283032353840445052566068767880換熱管中心距，多管程的分程隔板處的換熱管中心距，最小應(yīng)為換熱管中心距加隔板槽密封面的厚度，以保證管間小橋在脹接時(shí)有足夠的強(qiáng)度。在次啊用焊接方法連接管板和管子時(shí)，管間距可以小些，但是要保證殼程清洗時(shí)，由6mm的清洗通道。當(dāng)殼程用于蒸發(fā)過(guò)程時(shí)，為使氣相更好地逸出。按GB1511999規(guī)定，常用的換熱管中心距見(jiàn)表512。 圖512 分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn，換熱管中心距取13mm，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距為28mm。由于換熱器類(lèi)型選擇的是U型管換熱器，所以在確定銅管長(zhǎng)度時(shí)在結(jié)構(gòu)計(jì)算中得出的銅管長(zhǎng)度基礎(chǔ)上，還應(yīng)該加上銅管彎曲的那一段長(zhǎng)度。（3）換熱管排列原則。，應(yīng)該全部布滿換熱管。在靠近折流板缺邊的位置處應(yīng)布置拉桿，其間距小于或等于700mm。，其相對(duì)誤差應(yīng)控制在10%左右，最大不能超過(guò)20%。 殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 殼體壁厚的確定殼體、管箱殼體和封頭共同組成了管殼式換熱器的外殼。管殼式換熱器的殼體通常是由管材或板材卷制而成的。當(dāng)直徑小于400mm時(shí)，通常采用管材和管箱殼體。當(dāng)直徑不小于400mm時(shí)，采用板材卷制殼體和管箱殼體。其直徑系列應(yīng)與封頭、連接法蘭的系列匹配，以便于法蘭和封頭的選型。一般情況下，當(dāng)直徑小于1000mm時(shí)，直徑相差100mm為一個(gè)系列；當(dāng)直徑大于1000mm時(shí)，直徑相差200mm為一個(gè)系列，若采用旋壓封頭，其直徑系列的間隔可取100mm。表521 碳素鋼或低合金鋼圓筒的最小厚度公稱(chēng)直徑400～≤700800～≤10001100～≤15001600～≤20002000～≤2600浮頭式810121416U型管式810121416固定管板式68101214而由上表知可取殼體壁厚為8mm。 殼體直徑的