中原工学院能源与环境学院毕业论文（设计）
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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