【文章內容簡介】 使管子的數(shù)目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時應予考慮的問題。 流體流動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雜流動。當流量一定時，管程或殼程越多，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，對傳熱過程越有利。但是，采用多管程或多殼程必導致流體阻力損失，即輸送流體的動力費用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時，需權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（或加熱介質）終溫的選擇在換熱器的設計中，進、出換熱器物料的溫度一般是由工藝確定的，而冷卻介質（或加熱介質）的進口溫度一般為已知，出口溫度則由設計者確定。如用冷卻水冷卻某種熱流體，水的進口溫度可根據(jù)當?shù)貧夂驐l件作出估計，而出口溫度需經(jīng)過經(jīng)濟權衡確定。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。一般來說，設計時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。若用加熱介質加熱冷流體，可按同樣的原則選擇加熱介質的出口溫度。 材質的選擇殼管式換熱器的材料應根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強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，但價格高且較稀缺，應盡量少用。 3 結構初步設計計算 設計方案確定/本次設計題目為殼管式干式蒸發(fā)器設計，制冷劑走管程，水走殼程，逆流換熱，換熱器類型選擇U型管式換熱器，兩管程一殼程結構。 設計條件確定制冷劑 R22換熱量 蒸發(fā)溫度 冷凝溫度 冷凍水進口溫度 冷凍水進口溫度 制冷劑質量流量計算制冷劑進口焓值制冷劑進口焓值制冷劑側制冷流量 冷凍水流量計算冷凍水比熱容水側的質量流量水側的體積流量 對數(shù)傳熱溫差初步計算平均傳熱溫差 管長初步計算取換熱系數(shù)（采用一般的銅光管時，換熱器的傳熱系數(shù)為523～580，如果采用小直徑銅管密排時，傳熱系數(shù)可提高為1000～1160，采用強化管傳熱系數(shù)會有更大的提高，能提高多少，根據(jù)銅光管時的水速和制冷劑的質量流速而定，即為水側的換熱系數(shù)和制冷劑側換熱系數(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熱度對傳熱系數(shù)的影響，因此規(guī)劃的換熱面積要比校核計算的換熱面積提高15%～30%左右，根據(jù)過熱度的大小，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量流速（為了保證潤滑油帶回壓縮機，制冷劑在換熱管的出口流速要大于4m/s，此時制冷劑的質量流速一般為左右，質量流速越大，制冷劑側和整體的換熱系數(shù)越高，該假定值后面會有校核）。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。為滿足熱計算所需的傳熱面積，每根管子的長度已知管程數(shù)為，則每一程的換熱管長總管數(shù)根實際的制冷劑質量流速為與假設值接近，故假設值合理。 結構初步設計管板厚度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管板與第一個折流板間距mm最后一個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)作圖法得到殼體內徑mm實際管長m，故初步設計合理。實際參與換熱的管長 m實際有效傳熱面積以上結構尺寸在后面結構總體設計中均有校核。4 換熱器計算 殼程換熱系數(shù)計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公式計算。計算時值取自表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 運動粘性系數(shù) 導熱率 則水的雷諾數(shù)管外換熱系數(shù)計算 管內換熱系數(shù)的計算假定蒸發(fā)器按內表面計算的熱流密度（此假定將在后面檢驗），則管內換熱系數(shù)表421 系數(shù)與蒸發(fā)溫度的關系t0(℃)c102R11R12R22R113R14230 / 10 / +10 式中 ——換熱管內徑；c ——系數(shù)，查表421可得；——制冷劑質量流速。本設計中制冷劑為R22，蒸發(fā)溫度為2。則管內換熱系數(shù) 制冷劑流動阻力及傳熱溫差的計算 制冷劑的流動阻力計算飽和制冷劑蒸氣在時的比容該狀態(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 運動粘性系數(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時制冷劑的沿程阻力，式中從表431中取值。表431 兩相流動時，R22阻力的換熱系數(shù)與質量流速的關系νm406080100150200300400ΨR。故兩相流動時制冷劑的沿程阻力總阻力，故本次設計壓降在合適的范圍之內。 實際對數(shù)平均溫差在附近，,℃，因此蒸發(fā)器進口處制冷劑冷劑的溫度為實際對數(shù)平均溫差 傳熱系數(shù)及按內表面計算的熱流密度 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，；——銅管的導熱系數(shù)，取值380?！軆葌任酃赶禂?shù)，本設計中制冷劑流速較高，潤滑油在高速下被帶出，故管內污垢系數(shù)取值0；——管外側污垢系數(shù)，即水側污垢系數(shù)，取值。則由于上面換熱系數(shù)計算過程是換熱管為銅光管的計算過程，而本設計采用的換熱管為內螺紋銅管，經(jīng)實驗得到采用內螺紋銅管時換熱器總的換熱系數(shù)約提高一倍。故換熱器實際的換熱系數(shù)約為該值與結構初步設計中假定的相符，故假定值合理。 按內表面計算的實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)劃的實際有效傳熱面積為。說明換熱面積滿足要求，并且有30%左右的余量。5 總體結構設計 換熱管設計（1）管程分程換熱器的換熱面積較大而管子又不是很長時，就得排列較多的管子。為了提高流體在管內的流速，增大管內傳熱系數(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)應該大致相同，分程隔板應該盡量簡單，密封長度應短。管程數(shù)一般有12等七種。偶數(shù)管程的換熱器無論對制造、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大的布管面積。本換熱器類型為U型管式換熱器，因為U型管換熱器的管路進出口是對稱的，故取對稱兩程。（2）換熱管的規(guī)格和尺寸偏差。 具體規(guī)格參數(shù)見表511。表511 內螺紋管規(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，因為管子間距都相等，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標準規(guī)定，當殼程需要機械清洗時，不得采用三角形型式。在殼程需要進行機械清洗時，一般采用正方形排列，管間通道沿整個管束應該是連續(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。本設計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有足夠的強度。在次啊用焊接方法連接管板和管子時，管間距可以小些，但是要保證殼程清洗時，由6mm的清洗通道。當殼程用于蒸發(fā)過程時，為使氣相更好地逸出。按GB1511999規(guī)定，常用的換熱管中心距見表512。 圖512 分程隔板槽兩側相鄰管中心距Sn，換熱管中心距取13mm，分程隔板槽兩側相鄰管中心距為28mm。由于換熱器類型選擇的是U型管換熱器，所以在確定銅管長度時在結構計算中得出的銅管長度基礎上，還應該加上銅管彎曲的那一段長度。（3）換熱管排列原則。，應該全部布滿換熱管。在靠近折流板缺邊的位置處應布置拉桿，其間距小于或等于700mm。，其相對誤差應控制在10%左右，最大不能超過20%。 殼體結構設計 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。當直徑小于400mm時，通常采用管材和管箱殼體。當直徑不小于400mm時，采用板材卷制殼體和管箱殼體。其直徑系列應與封頭、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，當直徑小于1000mm時，直徑相差100mm為一個系列；當直徑大于1000mm時，直徑相差200mm為一個系列，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