壳管式干式蒸发器设计说明书

毕业设计（论文）

题目名称：50kW壳管式干式蒸发器设计

学院名称：能源与环境学院 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师：

2014年5月

50kW壳管式干式蒸发器设计

论文编号：201001124130

50kW tubular DX evaporator design

学院名称：能源与环境学院 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师：

2014年5月

中原工学院能源与环境学院毕业论文（设计）

摘 要

换热器是化工生产中重要的设备之一，它是一种冷热流体间传递热量的设备，其中壳管式换热器应用最为广泛。

本设计为壳管式干式蒸发器的设计，换热器类型选择为U型管式换热器。U型管式换热器仅有一个管板，两端均固定于同一管板上，管子可以自由伸缩，无热应力，热补偿性能好；管程采用双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好，承压能力强，结构比较简单、价格便宜，适用于管、壳壁温差较大或者壳程介质易结垢需要清洗又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合，特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性强的物料。U型管式换热器的主要结构包括管箱、筒体、封头、换热管、接管、折流板、防冲板和导流筒、防短路结构、支座及管壳程的其他附件等。

随着国家对节能产品的提倡，满液式机组也越来越受到欢迎。满液式机组与普通冷水机组的区别就在于蒸发器采用了满液式蒸发器，而普通冷水机组采用干式蒸发器。满液式蒸发器与干式蒸发器二者的明显区别在于制冷剂流程的不同，满液式蒸发器制冷剂走壳程，制冷剂从壳体下部进入，在传热管外流动并受热沸腾，蒸汽从壳体上部排出。干式蒸发器中制冷剂走管程，即制冷剂从端盖下部进入传热管束，在管内流动受热蒸发，蒸汽从端盖上部排出。

换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。 关键词：干式蒸发器，U型管式换热器，结构，设计计算

I

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Abstract

Heat exchanger is one of the important equipment in chemical industry ，it transfer heat between cold and heat fluid. In this heat exchanger the tubular heat exchanger is most widely used.

This design is a tubular DX evaporator. The type of the heat exchanger is the U type heat exchanger. U type heat exchanger with a tube plate, both ends of which are fixed on the same tube plates, tubes can be freely telescopic, thermal stress, thermal compensation performance is good; tube with double tube pass, longer process, the flow velocity is higher, the heat transfer performance is good, strong bearing ability, simple structure, cheap price, applied to the tube, the larger temperature difference between the shell wall or shell pass medium easy scaling needs cleaning and not suitable for floating head type and fixed tube plate occasions, especially suitable for the tube away clean and not easy to scale the high temperature, high pressure, strong corrosive materials. U type heat exchanger main structure consists of a tube box, cylinder, head, tube, pipe, baffle plate, front panel and draft tube, short circuit protection structure, support and other accessories such as pipe shell.

Flooded chiller is being more and more popular with our government’s promotion of energy saving products．The major difference between flooded chiller and normal chiller is their evaporator installed inside，flooded evaporator was installed in flooded chiller while DX evaporator in normal chiller．The obvious difference of these two kinds of chillers is their refrigeration passes．In the flooded chiller，refrigerant runs into shell from the bottom，then flows outside of heat exchanging piping，being heated and boiled， turns into vapor and being discharged from the top of shel1．In DX evaporator， refrigerant runs inside tubes．It enters tube bundles from the bottom of end cover，flows inside the tubes，being heated and evaporates，then being discharged from top of end cover．

Heat exchanger is wide used in industry，special in energy consumption field. As energy-saving technology moving,，more serious heart exchanger will appear. Keywords：DX evaporator，U type heat exchanger，structure，design and calculation

II

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目 录

1 绪 论 ........................................................................................................................ 1

1.1 课题的提出和研究内容 ................................................................................. 1

1.1.1 课题背景 .............................................................................................. 1 1.1.2 课题任务 .............................................................................................. 2 1.2 干式蒸发器 ..................................................................................................... 2

1.2.1 干式蒸发器简介 .................................................................................. 2 1.2.2 干式蒸发器与满液式蒸发器的区别 .................................................. 2 1.3 壳管式换热器 ................................................................................................. 3

1.3.1 壳管式换热器简介 .............................................................................. 3 1.3.2 壳管式换热器分类 .............................................................................. 4 1.3.3 壳管式换热器的发展 .......................................................................... 6

2 设计与计算的理论概述 ............................................................................................ 8

2.1 壳管式换热器的结构 ..................................................................................... 8

2.1.1 管程结构 .............................................................................................. 8 2.2.2 壳程结构 .............................................................................................. 8 2.2 管程和壳程数的确定 ..................................................................................... 9 2.3 流动空间的选择 ............................................................................................. 9 2.4 流体流速的选择 ........................................................................................... 11 2.4 流体流动方式的选择 ................................................................................... 12 2.5 流体温度和流体终温的确定 ....................................................................... 12 2.6 材质的选择 ................................................................................................... 12 3 结构初步设计计算 .................................................................................................. 13

3.1 设计方案确定/ .............................................................................................. 13 3.2 设计条件确定 ............................................................................................... 13 3.3 制冷剂质量流量计算 ................................................................................... 13 3.4 冷冻水流量计算 ........................................................................................... 13 3.5 对数传热温差初步计算 ............................................................................... 14 3.6 管长初步计算 ............................................................................................... 14 3.7 结构初步设计 ............................................................................................... 15 4 换热器计算 .............................................................................................................. 17

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4.1 壳程换热系数计算 ....................................................................................... 17 4.2 管内换热系数的计算 ................................................................................... 18 4.3 制冷剂流动阻力及传热温差的计算 ........................................................... 19

4.3.1 制冷剂的流动阻力计算 .................................................................... 19 4.3.2 实际对数平均温差 ............................................................................ 20 4.4 传热系数K0及按内表面计算的热流密度qi .............................................. 21

4.4.1 传热系数K0 ....................................................................................... 21 4.4.2 按内表面计算的实际热流密度 ........................................................ 21 4.5 所需传热面积 ............................................................................................... 22 5 总体结构设计 .......................................................................................................... 23

5.1 换热管设计 ................................................................................................... 23 5.2 壳体结构设计 ............................................................................................... 25

5.2.1 壳体壁厚的确定 ................................................................................ 25 5.2.2 壳体直径的确定 ................................................................................ 26 5.3 进出口设计 ................................................................................................... 27

5.3.1 壳程接管设计 .................................................................................... 27 5.3.2 管程接管设计 .................................................................................... 28 5.3 端盖设计 ....................................................................................................... 28 5.4 管板设计 ....................................................................................................... 28 5.5 折流板设计 ................................................................................................... 30

5.5.1 折流板型式 ........................................................................................ 30 5.5.2 折流板尺寸 ........................................................................................ 30 5.6 拉杆和定距管 ............................................................................................... 32

5.6.1 拉杆的直径和数量 ............................................................................ 32 5.6.2 拉杆的位置 ........................................................................................ 33 5.6.3 定距管尺寸 ........................................................................................ 33 5.7 结构部件明细表 ........................................................................................... 34 6 U型管换热器的制造、检验和验收 ....................................................................... 35

6.1 换热器的制造 ............................................................................................... 35

6.1.1 换热器的主要受压部分的焊接接头 ................................................ 35 6.1.2 管箱、壳体和头盖 ............................................................................ 35

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6.1.3 换热管 ................................................................................................ 35 6.1.4 管板 .................................................................................................... 36 6.1.5 换热管与管板的连接 ........................................................................ 36 6.1.6 折流板、支撑板 ................................................................................ 36 6.1.7 管束的组装 ........................................................................................ 37 6.1.8 换热器的密封面 ................................................................................ 37 6.1.9 换热器的组装 .................................................................................... 37 6.1.10 无损检测 .......................................................................................... 37 6.1.11 压力试验 ........................................................................................... 37 6.1.12 铭牌 .................................................................................................. 38 6.2 安装、试车和维护 ....................................................................................... 38

6.2.1 安装 .................................................................................................... 38 6.2.2 试车 .................................................................................................... 39 6.2.3 维护 .................................................................................................... 39

结论 ................................................................................................................................ 40 致谢 ................................................................................................................................ 41 附录 ................................................................................................................................ 42

附录1 换热器设计计算表 ................................................................................. 42 附录2 换热器整体结构图 ................................................................................. 45 参考文献 ........................................................................................................................ 46

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1 绪 论

换热器是一种实现物料之间传递热量的节能设备，在石油，化工，动力，食品，轻工等行业应用普遍。在炼油，化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%～45%。近年来随着节能技术的发展，换热器的应用领域不断扩大带来了显著的经济效益。换热器的种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三大类，即间壁式、混合式和蓄热式。在三大类换热器中，间壁式换热器应用最多。

间壁式换热器又可分为夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、套管式换热器和壳管式换热器。其中壳管式换热器（又称列管式）是最典型的间壁式换热器，它在工业应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占有主导的地位。

1.1 课题的提出和研究内容

1.1.1 课题背景

目前在国内的冷水机组中，蒸发器主要有以下几种形式：满液式、干式、降膜式、板式和套管式。在大中型的冷水机组中，壳管式换热器是最主要的换热器形式，考虑到成本和结构尺寸的限制，板式和套管式换热器主要应用于小型的涡旋和螺杆机组。壳管式蒸发器主要有干式和满液式两种，对于热泵机组，考虑到能够在制冷制热两种工况下运行，干式换热器还是绝对的首选，满液式蒸发器在热泵上的应用相对来说还不成熟。对于冷水机组，由于满液式蒸发器具有更高的换热性能，已经受到越来越多的制冷设备制造商的青睐，但是其致命的弱点是机组的回油问题，特别是在低温工况下尤为严重，增加回油设备一方面增加了成本另一方面也降低了机组的可靠性。干式蒸发器的应用则相对要成熟很多，采用干式蒸发器不需要单独的换热器回油设计，但是其缺点是系统效率却会有所降低。干式换热器性能接近板式换热器，但对于像R134a这类环保的替代工质，板式换热器在稍大的冷量范围内性能会因为制冷剂分配不均而有所降低而且价格一般偏贵。随着国内空调行业的迅猛发展和新的国家强制性空调能效标准的颁布，高效和环保已经成为制冷空调行业的发展方向，因此对于在新型工质下如何提高这种运行可靠的传统换热器型式——干式蒸发器性能的研究是个很有意义的课题。

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1.1.2 课题任务

本次设计的蒸发器是50kW壳管式干式蒸发器，主要完成的是冷冻水和制冷剂之间的热量交换，在设计工况下能够正常运行，达到预期的标准，材料选择达到设计压力的要求，换热器尽可能的减少泄漏。同时在保证技术条件的前提下，换热器外观设计尽量美观，整体尺寸尽量小。主要设计任务包括设计条件的确定、设计方案的选择、换热计算、结构设计，其中结构设计又包括管板、端盖、折流板、拉杆、定距杆、法兰、进出口的设计等几个方面。具体设计条件见表1-1-1。

表1-1-1 设计条件

制冷剂 R22 负荷 50kW 蒸发温度 冷凝温度 冷冻水进口温度 冷冻水出口温度 2℃ 32℃ 12℃ 7℃ 1.2 干式蒸发器 1.2.1 干式蒸发器简介

干式蒸发器是液体制冷剂经节流后从蒸发器一端的端盖进入管程，端盖上铸有隔板，制冷剂经过两个或多个流程蒸发并吸收载冷剂的热量后从同一个端盖出来后进入压缩机。如果端盖隔板垫片泄漏,会使制冷剂短路，造成回液及制冷能力下降。

这种蒸发器的主要特点是：制冷剂在管内完全蒸发并过热成为过热气体，这有利于使用热力膨胀阀自动调节供液量。通常使用的制冷剂有R22、R134a、R407c、R410a等。因为制冷剂在管内蒸发，只要管内流速超过4m/s，就可以把管内的润滑油带回压缩机，回油方便。在设计当中，壳程采用GB151或TEMA规定的E型结构（折流板型式），折流板的缺口大小根据载冷剂的物理性质与流量大小开15%～50%的缺口，通常情况下，折流板缺口的流速与载冷剂横向掠过管束的流速大致相等，为了保证换热效果，折流板与壳体内壁的间隙、换热管与折流板的间隙要小于或等于GB151或TEMA规定的最小间隙，特别是在低温情况下，这些间隙显得尤为重要，由于在低温情况下，载冷剂一般为高粘度流体，流速慢，热阻相对增大，间隙泄漏更加明显，所以在低温情况下对间隙的控制一定要更加严格。

1.2.2 干式蒸发器与满液式蒸发器的区别

干式蒸发器的制冷剂在管内流动，水在管簇外流动。制冷剂流动通常有几个

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流程，由于制冷剂液体的逐渐气化，通常越向上，其流程管数越多。为了增加水侧换热，在壳体内传热管的外侧设有若干个折流板，使水多次横掠管簇流动。

干式蒸发器的优点：

（1）润滑油随制冷剂进入压缩机，一般不存在积油问题； （2）充灌的制冷剂少，一般只有满液式的1/3左右； （3）蒸发温度t0在0℃附近时，水不会冻结。 使用这种蒸发器必须注意：

（1）制冷剂有多个流程，在端盖转弯处如处理不好会产生积液，从而使进入下一个流程的液体分配不均匀，影响传热效果；

（2）水侧存在泄漏问题，由于折流板外缘与壳体间一般有1～3mm间隙，与传热管之间有2mm左右的间隙，因而会引起水的泄漏。实践证明，水的泄漏会引起水侧换热系数降低20%～30%，总的传热系数降低5%～15%。

满液式壳管蒸发器在管内走水，制冷剂在管簇外面蒸发，所以传热面基本上都与液体制冷剂接触。一般壳体内充注的制冷剂量约为壳体有效容积的55%～65%，制冷剂液体吸热气化后经筒体顶部的液体分离器，回入压缩机。

满液式蒸发器的优点是结构紧凑，操作管理方便，传热系数较高。 满液式蒸发器的缺点：

（1）制冷系统蒸发温度低于0℃时，管内水易冻结，破坏蒸发管； （2）制冷剂充灌量大；

（3）受制冷剂液柱高度影响，筒体底部的蒸发温度偏高，会减小传热温差； （4）蒸发器筒体下部会积油，必须有可靠的回油措施，否则影响系统的安全运行。

1.3 壳管式换热器

1.3.1 壳管式换热器简介

壳管式换热器又称为列管式换热器，是最典型的间壁式换热器。壳管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。

壳管式换热器优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。

壳管式换热器结构：由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行

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3.5 对数传热温差初步计算

平均传热温差

?tm=t1?t212?7==7.21℃ t1?t012?2（）ln（）ln7?2t1?t0 3.6 管长初步计算

取换热系数K?2400W（/m2?℃)（采用一般的铜光管时，换热器的传热系数为523～580W（/m2?℃)，如果采用小直径铜管密排时，传热系数可提高为1000～

/m2?℃)，采用强化管传热系数会有更大的提高，能提高多少，根据铜光1160W（管时的水速和制冷剂的质量流速而定，即为水侧的换热系数和制冷剂侧换热系数而定）。则在此换热系数下换热器的换热面积

Q50?103F?==2.89m2

K?tm2400?7.21考虑过热、折流板和管板30%的安全余量（初步规划的换热面积要考虑过热度对传热系数的影响，因此规划的换热面积要比校核计算的换热面积提高15%～30%左右，根据过热度的大小，选择合适的范围，另外，管板及折流板占据了换热面积不参与换热，因此初步规划的换热面积要再提高5%左右），则换热面积

F?2.89?1.3=3.75m2

假定制冷剂质量流速?t=98kg（（为了保证润滑油带回压缩机，制冷剂/m2?s）在换热管的出口流速要大于4m/s，此时制冷剂的质量流速一般为?t=100kg（/m2?s）左右，质量流速越大，制冷剂侧和整体的换热系数越高，该假定值后面会有校核）。

单管程热交换器的管程流通截面积

At?Mt?t=0.30=3.06?10?3m2 98单管程的管数

4At4?3.06?10?3n???53.65根 22?di3.14?0.00852取整为54根。

为满足热计算所需的传热面积，每根管子的长度

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L?F2.89==2.60m ?din3.14?0.00852?54已知管程数为ct?2，则每一程的换热管长

L??L2.60==1.30m 22总管数

Zt?ctn?2?54?108根 实际的制冷剂质量流速为

?t?=?Mtdi2=0.30?4=97.36kg（/m2?s) 23.14?0.008524与假设值?t=98kg（接近，故假设值合理。 /m2?s） 3.7 结构初步设计

管板厚度?B?30mm 折流板数Nb?19 折流板直径db?176mm 折流板厚度?b?5mm 上缺口高H1?45mm 下缺口高H2?45mm 上缺口管数nb1?21根 下缺口管数nb2?21根 折流板间距s2?55mm

管板与第一个折流板间距s1?95mm

最后一个折流板距与换热管管端间距s3?90mm 壳体直径附近的管数ndi?12根 据作图法得到壳体内径Ds?178mm 实际管长

l??B?s1+(Nb-1)s2+Nb?b?s3

?30?95?(19?1)?55?19?5?90

1000?1.3m

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该值与初步计算的管长1.30m相等，故初步设计合理。 实际参与换热的管长

l??s1+(Nb-1)s2?s3 ?95?(1?9?1)?5590

1000?1.175m

实际有效传热面积

F0??d0Ztl?=3.14?0.00952?108?1.175=3.79m2 以上结构尺寸在后面结构总体设计中均有校核。

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4 换热器计算

4.1 壳程换热系数计算

折流板的平均间距

s ?s1?(Nb?1)s2+s385?(19?1)?55+100=/1000=0.0587m

Nb?119?1横向流通截面积

Ac?(Ds?ncdo)s=(0.178-12?0.00952)?0.0587=0.0037459m2

横向流速

vm2.39?10?3uc=?=0.6376m/s

Ac0.0037459折流板上、下缺口面积按下面两个公式计算。计算时Kb值取自表4-1-1中。

1Ab1?Kb1Ds2?nb1?do2

41Ab2?Kb2Ds2?nb2?do2

4 表4-1-1 Kb的数值

H/Ds Kb 由于

0.15 0.0739 0.20 0.112 0.25 0.154 0.30 0.198 0.35 0.293 0.40 0.245 0.45 0.343 H1/Ds?H2/Ds?0.044/0.178?0.25 故Kb取值为Kb1=Kb2=0.154 折流板上缺口面积

1Ab1?Kb1Ds2?nb1?do2

41?0.154?0.1782?21??3.14?0.009522

4?0.00338529m2

折流板下缺口面积

1Ab2?Kb2Ds2?nb2?do2

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1?0.154?0.1782?21??3.14?0.009522

4?0.00338529m2

上、下缺口面积的平均值

Ab?1(Ab1?Ab2)?0.00338529m2 2纵向流速

vm2.39?10?3ub=?=0.7055m/s

Ab0.00338529uc与ub的几何平均值

u?ucub?0.6376?0.7055?0.6707m/s 冷冻水平均温度

11ts=(t1?t2)=?(7?12)?9.5?C 22据此温度查得水的物性数据为： 普朗特常熟 Pr 3f?9.7运动粘性系数 ??1.282?10?6m2/s 导热率 ??0.575W/(m??C) 则水的雷诺数

Ref?udo?=0.6707?0.00952=4980 ?61.282?10管外换热系数计算

?o=0.22?doRef0.6Prf0.33

=0.22?0.575?49800.6?9.730.33

0.00952=4654.71W（/m2?℃)

4.2 管内换热系数的计算

假定蒸发器按内表面计算的热流密度qi=9700W?m2（此假定将在后面检验），则管内换热系数

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表4-2-1 系数与蒸发温度的关系

t0(℃) -30 -10 +10 c×102 R11 0.57 0.82 1.04 0.2qi0.6?m?i=57.8c0.2

diR12 1.46 1.80 2.12 R22 1.64 2.02 2.54 R113 / / 0.69 R142 1.00 1.26 1.55 式中 di——换热管内径；

c ——系数，查表4-2-1可得；

?m——制冷剂质量流速。

本设计中制冷剂为R22，蒸发温度为2?C，故c取值0.02332。 则管内换热系数

qi0.6?t0.2?i=57.8c0.2

di97000.6?980.2=57.8?0.02332? 0.20.00852=2157.13W（/m2?℃)

4.3 制冷剂流动阻力及传热温差的计算

4.3.1 制冷剂的流动阻力计算 饱和制冷剂蒸气在t0?2℃时的比容

???=0.04427m3/kg 该状态下的密度

11==22.59kg/m3 ???0.04427???=饱和制冷剂蒸气的流速

u????t98==4.34m2/s ???22.59蒸发器出口处的蒸发温度t0?2℃，据此从物性表中查得R22制冷剂蒸气的物性参数如下：

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普朗特常熟 Pr???0.726

70m2/s 运动粘性系数 ????5.35?2?1则制冷剂蒸气的雷诺数

Re???u??di4.34?0.00852==69065 ?7???5.352?10沿程阻力系数

?=0.31640.3164==0.0195

(Re??)0.25(69065)0.25饱和蒸气的沿程阻力

l1?p1????ct???u??2

di2=0.0195?2?1.301??22.59?4.342?10?6

0.008522=0.001266MPa

??两相流动时制冷剂的沿程阻力?P2??=?R?P1，式中?R从表4-3-1中取值。

表4-3-1 两相流动时，R22阻力的换热系数与质量流速的关系

νm 40 0.53 60 0.587 80 0.632 100 0.67 150 0.75 200 0.82 300 0.98 400 1.2 ΨR 本设计中?R取值为0.6652。 故两相流动时制冷剂的沿程阻力

???P2??=?R?P1=0.6652?0.00127=0.000842MPa

总阻力

?P=5?P2??=5?0.000842=0.004211MPa

制冷剂侧的流动阻力小于小于0.01MPa是合理的，故本次设计压降在合

适的范围之内。

4.3.2 实际对数平均温差

在t0?2℃附近，压力每变化0.1MPa,饱和温度约变化5.5℃，因此蒸发器进口处制冷剂冷剂的温度为

to1?to?5.5?P0.004211=2+5.5?=2.23℃ 0.10.120

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实际对数平均温差

?tm?(t2?t01)?(t1?t0)(7?2.23)?(12?2)==7.06℃

(t2?t01)(7?2.23)lnln(12?2)(t1?t0)4.4 传热系数K0及按内表面计算的热流密度qi

4.4.1 传热系数K0 换热器总的传热系数

K0=1d?d1(??i)o?t(o)?(??o)?idi?tdm?o1

式中： ?t——铜管的壁厚，m，取值0.0005；

dm——铜管的均直径，m，取值0.00902；

/m?℃)，取值380。 ?t——铜管的导热系数，W（（m2?℃）/W，本设计中制冷剂流速较高，润滑?i——管内侧污垢系数，

油在高速下被带出，故管内污垢系数取值0；

（m2?℃）/W，取值8?10?5。 ?0——管外侧污垢系数，即水侧污垢系数，

则

Ko=1

10.009520.00050.009521(?0)???()?(?8?10?5)2157.130.008523800.009024654.71=1228.18W（/m2?℃)

由于上面换热系数计算过程是换热管为铜光管的计算过程，而本设计采用的换热管为内螺纹铜管，经实验得到采用内螺纹铜管时换热器总的换热系数约提高一倍。

故换热器实际的换热系数约为

Ko??=2Ko=2?1228.18=2456.36

/m2?℃)相符，故假定值合理。 该值与结构初步设计中假定的K?2400W（4.4.2 按内表面计算的实际热流密度

qi???do0.00952(Ko???tm)??(2654.36?7.06)?9694.5W?m2 di0.00852 21

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该值与假定值qi=9700W?m2相近，故假定值合理。

4.5 所需传热面积

3Q50?10OFO???==2.88m2

KO???tm2456.36?7.06前已述及，初步规划的实际有效传热面积为F0=3.79m2。

FO?FO??3.79?2.88==30%

2.88??FO说明换热面积满足要求，并且有30%左右的余量。

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5 总体结构设计

5.1 换热管设计

（1）管程分程

换热器的换热面积较大而管子又不是很长时，就得排列较多的管子。为了提高流体在管内的流速，增大管内传热系数，就必须将管束分程，分程可采用不同的组合方法，但是每程中的管数应该大致相同，分程隔板应该尽量简单，密封长度应短。管程数一般有1、2、4、6、8、10、12等七种。偶数管程的换热器无论对制造、检修或是操作都比较方便，所以使用最多。除单程外，奇数管程一般少用，程数不能分的太多，不然隔板要占去相当大的布管面积。

本换热器类型为U型管式换热器，因为U型管换热器的管路进出口是对称的，故取对称两程。

（2）换热管的规格和尺寸偏差

本设计换热管选用江苏高新张铜股份有限公司生产的φ9.52×0.32mm规格的内螺纹铜管，计算时按照φ9.52×0.5mm规格的光管计算。 具体规格参数见表5-1-1。

表5-1-1 内螺纹管规生产规格

（3）换热管的排列型式

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换热管的排列型式主要有以下四种。

图5-1-1 换热管的排列型式

等边三角形排列用的最为普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列的管子数最多，便于管板的划线和钻孔。但管间不易清洗，TEMA标准规定，当壳程需要机械清洗时，不得采用三角形型式。

在壳程需要进行机械清洗时，一般采用正方形排列，管间通道沿整个管束应该是连续的，而且要保证6mm的清洗通道。

图5-1中（a）和（d）两种排列方式，在折流板间距相同的情况下，其流通截面要比（b）和（c)两种的小，有利于提高流速，因此更加合理些。

本设计换热器换热管即采用（a）三角形排列方式。 （2）换热管中心距

表5-1-2 热管中心距

换热管 10 12 14 16 19 20 25 30 32 35 38 45 50 55 57 外径d0 换热管 13～ 16 19 22 25 26 32 38 40 44 48 57 65 70 72 中心距14 s 隔板槽两侧相28 30 32 35 38 40 44 50 52 56 60 68 76 78 80 邻管中心距Sn 换热管中心距，最小应为管子外径的1.25倍，多管程的分程隔板处的换热管中心距，最小应为换热管中心距加隔板槽密封面的厚度，以保证管间小桥在胀接时有足够的强度。在次啊用焊接方法连接管板和管子时，管间距可以小些，但是要保证壳程清洗时，由6mm的清洗通道。当壳程用于蒸发过程时，为使气相更好地逸出，管间距可以大到1.4倍管外径。按GB151-1999规定，常用的换热管中心距见表5-1-2。

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图5-1-2 分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn

对于换热管外径为9.52mm的管子，换热管中心距取13mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距为28mm。由于换热器类型选择的是U型管换热器，所以在确定铜管长度时在结构计算中得出的铜管长度基础上，还应该加上铜管弯曲的那一段长度。

（3）换热管排列原则

1.换热管的排列应该使整个管束完全对称。

2.在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板的距离规定的范围内，应该全部布满换热管。

3.拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。在靠近折流板缺边的位置处应布置拉杆，其间距小于或等于700mm。

4.多管程的各程管数应尽量相等，其相对误差应控制在10%左右，最大不能超过20%。

5.2 壳体结构设计

5.2.1 壳体壁厚的确定

壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。管壳式换热器的壳体通常是由管材或板材卷制而成的。当直径小于400mm时，通常采用管材和管箱壳体。当直径不小于400mm时，采用板材卷制壳体和管箱壳体。其直径系列应与封头、连接法兰的系列匹配，以便于法兰和封头的选型。一般情况下，当直径小于1000mm时，直径相差100mm为一个系列；当直径大于1000mm时，直径相差200mm为一个系列，若采用旋压封头，其直径系列的间隔可取100mm。

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表5-2-1 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度

公称直径 浮头式 U型管式 固定管板式 400～ ≤700 8 8 6 >800～ ≤1000 10 10 8 1100～ ≤1500 12 12 10 1600～ ≤2000 14 14 12 2000～ ≤2600 16 16 14 而由上表知可取壳体壁厚为8mm。 5.2.2 壳体直径的确定

在确定壳体直径时，应先确定内径。壳体内径与管子的排列方式密切相关。在排列管子时，要考虑每一拉杆也占一根管子的位置。分程隔板和纵向隔板所占位置也增大了壳体内径。因此，在确定内径，尤其是多程热交换器的内径时，最可靠的方法是通过作图。

图5-2-1 换热器布管图

粗估内径：

Ds=(b-1)s?+ 2b式中： s——换热管管间距；

b?——管束中心线上最外层管中心至壳体内壁的距离，一般取； b?=(1~1.5)dd0为管外径）0（

b——沿六边形对角线上的管数。b值也可作如下估算，当管子按等边三角形排列时， b=1.1Zt。

本设计中取：

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b?=1.5d0=0.01428m；

b=1.1?108=11.43根，取整12根。

则粗估内径

Ds=(b-1)s+2b?=(12-1)?0.013+0.01428=0.172m

据作图得到壳体内径为178mm，与粗估值接近，图5-2-1为换热器布管平面图。

5.3 进出口设计

在换热器的壳体和管箱上一般均装有接管或接口以及进出口管。在壳体和大多数管箱的底部装有排液管，上部设有排气管，壳侧也常设有安全阀接口以及其他诸如温度计、压力表、液位计和取样管接口。对于立式管壳式换热器，必要时还应设置溢流管。由）于在壳体、管箱壳体上开孔，必然会对壳体局部位置的强度造成削弱。因此，壳体、管箱壳体上的接管设置，除考虑其对传热和压降的影响外，还应考虑壳体的强度以及安装、外观等因素。

5.3.1 壳程接管设计

接管外伸长度 接管外伸长度也叫接管伸出长度，是指接管法兰面到壳体（管箱壳体）外壁的长度。可按下式计算：

l=h?h1???15

式中 l——接管外伸长度，mm；

h——接管法兰厚度，mm； hl——接管法兰的螺母厚度，mm； δ——保温层厚度，mm。

除按上式计算外，接管外伸长度也可由表5-3-1的数据选取。

表5-3-1 PN<4.0MPa的接管外伸长度

δ DN 60 0～50 150 51～75 150 76～100 150 101～125 200 126～150 200 151～175 250 176～200 250 壳程接管直径取60mm，因为换热器无保温层，故δ=0mm。因此壳程接管外伸长度取为150mm。

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5.3.2 管程接管设计

接管开孔满足下面要求时，可不另设补强： 设计压力不大于2.5MPa；

两相邻开孔中心的间距（对于曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；

接管公称外径不大于89mm；

表5-3-2 接管最小壁厚

接管公称直径 最小壁厚 25 32 3.5 38 45 4 48 57 5 65 76 6 89 接管最小壁厚满足表5-3-2要求。

本次设计制冷剂进口开孔直径取22mm，出口开孔直径取35mm， 进口接管壁厚取4mm，出口接管壁厚取5mm。 因此管程接管可以不另设补强。管程接管外伸长度根据实际用途做改变。

5.3 端盖设计

由于本次设计的蒸发器压力较低，故可选择平盖形式的管箱，即端盖。端盖厚度选择与壳体厚度一样，取8mm。端盖进深取35mm。端盖尺寸详见图5-3-1。

图5-3-1 端盖平面图

5.4 管板设计

管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个主要受压元件。对于管板的设计，除满足强度要求外，同时应合理考虑其结构设计。

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（1） 管板厚度

下图为固定式管板式换热器兼作法兰的管板，管板与法兰连接的密封面为凸面，分程隔板槽拐角处，倒角10×45°。

图5-4-1 整体管板结构 图5-4-2 堆焊管板结构

图5-4-1为碳钢、低合金钢和不锈钢制整体管板，碳钢、低合金钢管板的隔板槽宽度为12mm，不锈钢管板为11mm，槽深一般不小于4mm。

（2）管板最小厚度

表5-4-1 胀接时的管板最小厚度

换热管外径do/mm 最小厚度δmin 用于易燃易爆及 有毒介质的场合 用于无害介质的一般场合 ≤25 >25～<50 ≥do ≥50 ≥0.75do ≥0.70do ≥0.65do 管板最小厚度除满足计算要求外，当管板和管热管采用焊接时，应满足结构式就和制造的要求，且不小于12mm。若管板采用复合管板，其复层的厚度应不小于3mm。对有腐蚀性要求的复层，还应保证距复层表面深度不小于2mm的复层化学成分和金相组织复层材料的要求。

图5-4-3 管板尺寸布置图

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当管板和换热管采用胀接时，管板的最小厚度（不包括腐蚀裕度）应满足表5-4-1。

本此设计管板选材为碳钢，厚度取值为30mm，管板开口槽深5mm，槽宽12mm，即分程隔板厚度为12mm。图5-4-3为管板尺寸图。

5.5 折流板设计

折流板的结构设计，主要根据工艺过程及要求来确定，设置折流板的主要目的是为了增加壳程流体的流速，提高壳程的传热膜系数，从而达到提高总传热系数的目的。同时，设置折流板对于卧式换热器的换热管具有一定得支撑作用，当换热管过长，而管子承受的压应力过大时，在满足换热器壳程允许压降的情况下，增加折流板的数量，减小折流板间距，对于焊接换热管的手里状况和防止流体流动诱发震动有一定的作用。而且，设置折流板也有利于换热管的安装。

5.5.1 折流板型式

折流板的型式由弓形折流板、圆盘-圆环形（也称盘-环形）折流板和矩形折流板。最常用的折流板是弓形折流板和圆盘-圆环形折流板。

此换热器使用弓形折流板。而弓形折流板又分为单弓形、双弓形和三弓形，大部分换热器都采用单弓形折流板。其流体流动方式及结构型式见图5-5-1

5.5.2 折流板尺寸

（1）弓形折流板的缺口高度 弓形板折流板的缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速接近。缺口大小用切去的弓形高度占到圆筒直径的百分比来确定单弓形折流板缺口见右图。缺口弦高也可取0.20～0.45倍的圆筒内直径。弓形折流板的缺口按右图切在管排中心线以下，或切与两排管孔的小桥。

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图5-5-1 弓形折流板介质流动方式及

结构形式图

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（2）折流板最小厚度

表5-5-1 折流板最小厚度

换热管无支撑跨距l 公称直径 DN 《400 ≤300 >300～600 4 >600～900 5 >900～1200 8 >1200～1500 10 1500 折流板或支持板最小厚度 3 10 （3）折流板管孔

I级管束（适用于碳素钢、低合金钢和不锈钢换热器）折流板或支持板管孔直径及允许偏差应符合表5-5-2。

表5-5-2 I级管束管孔直径及允许偏差

换热管外径或无支撑跨距 管孔直径 允许偏差 （4）折流板直径及允许偏差

d>32或l≤900 d+0.8 +0.4 0 l>900或d≤32 d+0.4 用DN≤426mm无缝钢管做壳体时，折流板名义外径为无缝钢管实际内径减2mm。

（5）折流板的布置

一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口接管，其余折流板按等距离布置。

（6）折流板间距

折流板最小间距一般不小于圆筒内直径的五分之一，且不小于50mm；特殊情况下也可取较小的间距。

综上所述，本次换热器设计折流板参数如下：

折流板的缺口弦高取圆筒内直径的25%，取值为45mm； 折流板厚度取5mm；

折流板上的管孔直径在换热管外径基础上增加0.4mm，即9.92mm； 壳体内径为178mm，故折流板直径取为176mm； 折流板间距均相等，取为55mm；

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第一个折流板与管板之间的间距取为95mm；

最后一个折流板距离U型管弯曲处的距离取为90mm，且考虑到U型管的尾部支撑，最后一个折流板选择具有一定支撑作用的钢制折流板。

折流板具体样式见图5-2-2和5-2-3。

图5-5-2 折流板切割尺寸图 图5-5-3 最后一个钢制折流板尺寸图

5.6 拉杆和定距管

5.6.1 拉杆的直径和数量

拉杆的直径和数量可以从表5-6-1和表5-6-2中选取。

表5-6-1 拉杆直径选用表

换热器管外径do 拉杆直径dn 10≤d≤14 10 14

拉杆 直径<400 dn mm 10 12 16 4 4 4 壳体公称直径d，mm ≥400 ≥700 ≥900 ~<700 ~<900 ~<1300 6 4 4 10 8 6 12 10 6 ≥1300 ≥1500 ≥1800 ≥2000 ≥2300 ~<1500 ~<1800 ~<2000 ~<2300 ~<2600 拉杆数量 16 12 8 18 14 10 24 18 12 28 20 12 32 24 16 由于换热管外径为9.52mm，故拉杆直径取8mm，其数量为4。

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5.6.2 拉杆的位置

拉杆的布置位置见下图5-6-1。

图5-6-1 拉杆布置尺寸图

5.6.3 定距管尺寸

定距管的尺寸，一般与所在换热器的换热管规格相同。对管程是不锈钢，壳程是碳钢或低合金钢的换热器，可选用与不锈钢换热管外径相同的碳钢管作定距管。定距管的长度，按实际需要确定。

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