《换热器设计》教材.docx
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《换热器设计》教材
《换热器设计》
课程设计教材
同济大学
制冷与低温工程研究所
第一节壳管式冷凝器
换热器是制冷装置中的重要设备，制冷系统就是通过换热器来实现放出冷量和热量的过程。
冷凝器则是主要热交换设备之一，它是将压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽中的热量传给水或空气等冷却介质，将制冷剂冷凝成高压的饱和液体或过冷液体。
根据冷却介质和冷却方式的不同，冷凝器可分为三类
（1）水冷式冷凝器，
（2）空冷式冷凝器，（3）蒸发式冷凝器。
壳管式冷凝器属于水冷式冷凝器，如图1-1所示：
壳管式冷凝器的特点是传热效率高，结构比较紧凑，适用于中、大型制冷装置，制造方便，结构牢固，生产成本低，但需要有一冷却水系统。
传热管内壁上容易结水垢，必须定期清洗，否则传热效果下降。
制冷装置中所用壳管式冷凝器一般是固定管板式，主要由筒体外壳、管板、管束、封头、支座组成。
见图1-2。
制冷剂蒸汽从顶部进气，过热蒸汽进入壳体后在传热管外凝结，凝结液从筒体底部流出，冷却水在管内多次往返流动，在正常情况下，筒体下部只有少量液体，但也有一些小型冷凝器的筒体下部不装管束，筒体底部直接用于贮存所凝结的液体，使设备简化。
有时筒下部没有集油包，制冷剂液体由此排出，并用于集存润滑油及机械杂质。
卧式壳管式冷凝器常采用偶数流程，以使进出水管安装在同一端盖上，冷却水从下面的进水口流入，从上面的出水口流出。
端盖用螺栓压紧在管板上，端盖和管板间用橡皮垫密封。
端盖顶部有放气旋塞，以便供水时排除其中空气，否则将增加冷却水的流动阻力；下部则有一放水旋塞，在冬季冷凝器停用时用以排除其中的积水以免冻裂管子。
壳管式冷凝器一般分为立式和卧式二大类，立式壳管式冷凝器用于大中型氨制冷装置，其结构如图1-3所示。
筒体直立地安装在贮水池上，冷却水从顶部的分水箱进入管道后，沿壁面呈膜状向下流动，流下的水集中在下面的水池中。
制冷剂蒸汽从筒体上部进入放出热量后在管外凝结成液体，由底部排出。
立式壳管式冷凝器可以露天安装，节省机房面积；也可以装在冷却塔下面，简化冷却水系统。
与卧式壳管式冷凝器相比，立式壳管式冷凝器可以使用水质较差的水，因为它可以在运转时进行清洗。
但由于冷却水不能始终沿管壁流动，且上部管壁的凝结液覆盖下部管壁，因此它的传热系数低于卧式壳管式冷凝器。
卧式氨冷凝器通常以φ25~32mm的无缝钢管作传热管。
水流速度约为1~2m/s。
卧式氟利昂冷凝器的传热管用铜管制造，称作低螺纹管，以提高制冷剂侧的传热效果。
壳管式冷凝器（包括其它制冷换热器）基本上都是采用镀金焊接结构的，所以，使用的材料主要是板材和管材，以及少量型钢。
此外，也有个别零部件（如某些壳管式换热器的端盖、某些法兰等）是用铸铁铸成的。
制造换热器所用材料质量应符合国标、部标及相应的技术文件，所进厂的材料须有钢厂、钢材厂的质量保证书。
尽管制冷换热器所承受压力均不太高，但按国家劳动人事部的规定，按容器的工作压力、所存介质的性质、容器的容积等因素划分，它们大多数属于II或I类容器，唯有容积在2.5m2以上的高压氨贮液器划分为III类容器，它的制造要求最高。
制造厂必须持有国家劳动人事部的制造许可证才能生产III类容器，持有省市劳动人事部门的制造许可证才能生产I或II类容器。
壳管式冷凝器（包括制冷换热器或设备）通常使用碳素钢或普通低合金钢即可满足强度方面的要求，在一般温度下工作的热交换器，采用A3F、A3、A3R及20g等碳素钢即可。
热交换器的传热管通常使用的有无缝钢管、紫铜管、黄铜管。
而薄板、铜皮、铝皮等均可用来制作翅片。
在不影响设备性能的条件下，应尽可能采用国产材料，易得材料和价格低廉的常用材料，以节约贵重材料和有色金属材料。
在选用换热器的材料时，还应考虑制冷剂、载冷剂及冷却介质对材料的腐蚀性。
氨对黑色金属无腐蚀作用，对铜和铜合金材料有强烈的腐蚀性，故氨制冷换热器不能使用铜材。
氟利昂对一般金属均无侵蚀作用，但会侵蚀含镁量超过2%的合金材料，在选择材料时亦应注意。
当用海水作冷凝器的冷却介质时，氨冷凝器仍可用碳素钢管，但选择的管壁应加厚些，并用锌极保护；对氟利昂冷凝器仍可用钢管，但当海水冷却且流速又较高时，最好使用镍铜管。
在用盐水作载冷剂时，氟利昂蒸发器的铜管上应镀锌加以保护。
第二节壳管式冷凝器的传热计算
在本节中我们将对壳管式冷凝器的设计计算（指传热计算）作介绍
一、给定设计条件
壳管式冷凝器一般是根据冷凝器的额定负载设计的。
并给出制冷压缩机的形式、制冷剂的种类、额定运行工况（包括蒸发温度t0、冷凝温度tk、制冷量Q0）。
设计的任务就是根据上述条件确定冷凝器的形式、传热面积和结构，最后求出冷却水在冷凝器中的流动阻力。
制冷装置中冷凝器的热负荷与制冷量有关Q0有关，一般可表示为：
Qk＝CQ0
其中C0称为负荷系数，C0随制冷装置的种类及运转工况而变，单级压缩制冷系统及氟利昂系统C0随工的变化曲线如图2--1
二、壳管式冷凝器设计中几个参数的选择
1、冷却水的选择
冷却水在管内的流动速度对换热系数有较大的影响。
流速增加，水侧换热系数增加，但冷却水在冷凝器传热管内的流动阻力也增加，且水对管子的腐蚀性也增加，管子的腐蚀与管子材料、冷却水的种类、冷却水流速和冷凝器年使用小时有关，在氨冷凝器中，由于水对钢管的腐蚀作用较大，通常选用较低的流速，水速在0.5~1.5m/s之间。
对于使用海水冷却的钢管冷凝器，水速要在0.7m\s以下。
对于氟利昂的冷凝器，水速则要稍高一些，表2-1列出了氟利昂冷凝器的设计水速.
表2—1氟利昂冷凝器中的设计水速
年使用时间（h）
1500
2000
3000
4000
6000
8000
设计水速（m/s）
3.0
2.9
2.7
2.4
2.1
1.8
2、冷却水进口温度t1和冷却水温升（t2—t1）的选择
冷却水进口温度t1应根据当地的气象资料取高温季节的平均水温。
冷却水的温升与冷却水流量有关，流量愈大，温升愈小，此时冷凝器的对数平均温差大，所须的冷凝器传热面积小，但大的冷却水流量将引起耗水量和水泵的耗功的增加，因此在一般卧式冷凝器中冷却水温升为4~5℃，当使用循环水时可取下限，而对于以自来水或河水作为水源的冷凝器可取高一点
3、污垢热阻
水侧污垢热阻ri与管子的材料、水速和冷却水含盐量有关，表2—2给出了在不同的条件下
表2—2冷却水侧的污垢热阻ri（m2.k/w）
冷却水的种类
有色金属管
钢管
水速（m/s）
水速（m/s）
≤0.9
≥0.9
≤0.9
≥0.9
海水
0.000086
0.000086
0.000172
0.000172
碱水
0.000344
0.000172
0.000688
0.000344
井水
0.000172
0.000172
0.000344
0.000344
湖水
0.000172
0.000172
0.000344
0.000344
硬水
0.000518
0.000516
0.000516
0.000516
流动水
0.000344
0.000172
0.000688
0.000344
泥水
0.000516
0.000344
0.001032
0.000688
的ri值。
制冷剂侧污垢主要是油垢，对于氟利昂而言，它与润滑油互相溶解，可以认为不存在油污，对氨冷凝器一般污垢热阻r0=（3~4）×10-4m2.k/w
4、冷却水流动阻力
冷却水在冷凝器中总的阻力用下述公式计算
Δp=
ρw2（ξ·N·
+1.5（N+1））（2–2）
式中w—冷却水流速（m/s）
ρ—冷却水密度（kg/m）
l—单根传热管长度（m）
di—传热管内径（m）
N—流程数
ξ—沿程阻力系数
对于水
ξ=
（2–3）
管外制冷剂侧流动阻力一般不记。
三ִ传热管的型式
在氨冷凝器中传热管钢管制成，一般为光管，卧式氨冷凝器采用Ø25、Ø32、Ø38等直径的钢管；立式氨冷凝器采用直径为Ø38、Ø51的钢管。
由于冷却水对钢管的腐蚀性较大，一般管壁厚度δ取2.5～3.0mm。
氟利昂冷凝器的传热管通常用薄壁紫铜管在常温下滚轧而成，轧出的翅高较小（1.2～2.0mm），因而通常称为低螺纹管，常用的低螺纹管的节距为1.34～1.60mm肋高为1.3～1.5mm，肋化系数3～4之间。
图2-2为低螺纹管示意图。
为了强化传热，提高壳管式换热器的效率，人们不断制成新的强化传热元件。
如翅片管波管内插物，或采用异形管作为壳管式换热器的传热管，下图是常用的一些传热管。
四、传热计算
1．低螺纹管的翅片面积
翅片面积
ff=
（
）
翅片间管子外表面积
）（
）
翅顶面积
（
）
n=
每米翅片数（1/m）
翅片当量高度
H=
翅片管的外表面积
2、制冷剂蒸汽在低螺纹管上的换热
蒸汽在水平低螺纹管上的换热系数
（2—9）
式中
—低螺纹管增强系数
—
=
制冷剂液膜组合物性参数（
--蒸发潜热（
液膜温度（k）
壁温（k）
（2—10）
翅片效率，对于低螺纹紫铜管
=1.0
表2—3列出了几种制冷剂在不同温度下rs1/4和Bm的值。
表2—3rs1/4（J/kg）1/4和Bm（kg·w/m2·k3·s
的值
t℃
NH3
R12
R22
rs1/4
Bm
rs1/4
Bm
rs1/4
Bm
0
33.519
235.82
19.747
78.28
21.26
86.68
10
33.275
233.88
19.578
76.61
21.039
83.30
20
33.010
232.01
19.374
74.77
20.792
79.65
30
32.715
228.36
19.191
72.85
20.513
75.81
40
32.383
223.116
18.963
70.70
20.192
71.65
50
32.027
217.01
18.704
68.27
19.811
66.84
蒸汽在管簇上换热与在单管上不同，主要是由于上排管子的冷凝液流到下排管子上，使下排管排液膜增厚，换热系数降低，因而与光管换热相比，要有一个修正系数
（2—11）
—管簇修正系数
上式是根据努谢尔特的膜层凝结理论，认为上排管上冷凝液完全滴下并积聚在下排管上推导出的修正系数
=
（2—12）
管簇平均排数
=
（2—13）
N—总管数
nj—每列中管排数
上面是理论推导，实际上排管滴下的冷凝液有部分溅落出去，因而实际修正系数一般用下式计算：
（2—14）
3．冷却水侧换热
（w/m2.k）（2—16）
表2—4水的Bf值
tf（℃）
0
20
40
60
Bf
1430
1878
2314
2686
4．热管总传热系数k
以外表总面积为基准时传热系数：
（2—16）
式中：
w/
k
管外制冷剂换热系数w/
k
管内水垢热阻
传热管内表面积
平均面积
壁厚m
上式可写成：
（2—17）
从式（2—17）可看出已知αo即可求出Ko，但αo是壁面温度tw和热流密度q的函数，所以Ko可以通过迭代法或图解法来求出
令
则
（2—18）
而
（2—19）
从式（2—18）和（2—19）中消去（tk-tw）则有
（2—20）
代入式（2—17）
而
则整理有
（2—21）
对数平均温差
式（2—21）既可以用迭代法又可以用图解法求出qo然后便可逐一求出αo、ko。
第三节壳管式冷凝器结构设计
制冷用壳管式冷凝器一般采用固定管板式，下面就介绍一下它的结构设计。
一、换热管
壳管式换热器的传热面积主要式由传热管的表面积所构成，换热管的几何形状、尺寸及排列型式直接影响传热效果。
氨冷凝器通常用无缝钢管（光管），卧式采用Ø38、Ø51mm的钢管，一般壁厚δ取2.5~3.0mm，氟利昂冷凝器中的传热管用薄壁的紫铜低螺纹管，以增加氟利昂侧的换热系数。
一般而言，粘性大、不清洁的流体用直径大的管子，小直径可以提高管内流速，提高传热效果，使换热器紧凑。
换热管的长度根据设计计算和整个换热器几何尺寸的布局来确定。
一般管子越长，换热器单位材料消耗就越低，但换热管不宜过长，管子过长则换热器必然太细，造成换热器竖放不稳、卧置容易弯曲变形，而且管子过长后对流体产生较大的阻力，维修、清洗、运输、安装都不方便，常用的管长规格有1，1.5，2.5，3，4.5，6m等。
二:
管子在管板上的布置
1:
管子在管板上的排列
管子在管板上的排列不单考虑设备的紧凑性，还要考虑流体的性质、结构设计及加工制造方面的情况。
管子在管板上的排列主要有三种方式：
等边三角形排列（或称正六角形排列）、正方形排列
图3—1管子排列形式
和组合排列，如图3――1所示。
在一定的管板面积上，等边三角形排列方法可排列最多的管数，由于管与管之间距都相等，在管板上划线、钻孔等加工都非常方便，但是管外清洗较困难，所以当壳程流体是清洁、不结垢的介质时，一般采用等边三角形排列。
正方形排列在相同管板面积上排列的管子数最少，比等边三角形排列少10~14%，但它的优点在于管外机械清洗方便。
组合排列法用于多程换热器，其中每一程中用三角形排列，各程之间常常采用正方形排列，这主要从便于安排隔板方面考虑。
当换热器直径较大，管子较多时，都必须在管束周围的弓形空间内尽量配置换热器管（附加
表3—1按等边三角形排列的管子的根数
六角形的层数
对角线上的管数
不记弓形部分管子的根数
弓形部分管数
换热器内管子的总根数
在弓形的第一排
在弓形的第二排
在弓形的第三排
在弓形部分内总管数
1
3
7
—
—
—
—
7
2
5
19
—
—
—
—
19
3
7
37
—
—
—
—
37
4
9
61
—
—
—
—
61
5
11
91
—
—
—
—
91
6
13
127
—
—
—
—
127
7
15
169
3
—
—
18
187
8
17
217
4
—
—
24
241
9
19
271
5
—
—
30
301
10
21
381
6
—
—
36
367
11
23
397
7
—
—
42
439
12
25
469
8
—
—
48
517
13
27
547
9
2
—
66
613
14
29
631
10
5
—
90
721
15
31
721
11
6
—
102
823
16
33
817
12
7
—
114
931
17
35
919
13
8
—
126
1045
18
37
1027
14
9
—
138
1165
19
39
1141
15
12
—
162
1303
20
41
1261
16
13
4
198
1459
管），这不但可以增大传热面积，而且也消除了管外空间这部分不利于传热的地方。
等边三角形排列可参考表3—1。
对于多程换热器而言，分程隔板占据了管板上一部分面积，实管管排数比表3—1所列的要少，设计时一般采用作图法确定。
2．管子的间距
管板上两根管子中心的距离称为管间距s，管间距的选择既要考虑结构的紧凑性、传热效果，又要考虑管板的强度和清洗管子外表面所需的空间，除此之外还要考虑管子在管板上的固定方法这个因素。
管间距s越小则换热器直径就越小，结构紧凑，同时壳程流体流速增加，传热效果提高。
但间距太小将给制造带来麻烦，当采用胀管连接时，则会使管板“小桥”（相邻两管孔之间部分）发生永久变形，降低和失去换热器和管板间的连接力；如果采用焊接连接，由于焊缝太近，互相受到热影响，焊缝质量下降，此外间距s太小会使管板强度下降，一般而言要求间距s≥1.25do（do管子外径），而且要满足s≥do+b。
表3—2管板孔、折流板及最小管间距（mm）
管子外径do
14
19
25
32
38
57
管板孔
14.4+0.1
19.4+0.2
25.4+0.2
32.5+0.3
38.5+0.3
57.7+0.4
折流板孔
14.6+0.4
19.6+0.4
25.8+0.4
32.8+0.45
38.8+0.45
58+0.5
最小管间距
19
25
32
40
48
70
对于多程换热器，在分程隔板两侧的第一排管间距c（见图3—1c）为了满足分程隔板的密封和管子固定等要求，其间距还要大一些，见表3—3。
表3—3分程隔板槽两侧管子之间的距离
管子外径do
14
19
25
32
38
管子间距c
32
38
44
52
60
无论何种排列，管板上最外层管子的管壁与壳体内壁的间距不得小于10mm。
3．管子与管板的连接
管子与管板间的连接是壳管式换热器设计中主要问题之一，是制造的关键，管子与管板的连接处必须充分保证充分的密封性能足够的紧固强度。
常用的连接方法有：
胀接、焊接、胀焊接。
（1）胀接
将换热管穿入管板孔，再将胀管器插入管内一般按顺时针方法旋转胀管器，利用胀管器的滚柱将管子孔扩大，使管端产生塑性变形的同时使管板孔的变形保持在弹性范围内，这时管端直径增大，紧贴于管板孔，取出胀管器板恢复弹性变形，使管子与管板间产生一定的挤压力而紧紧贴和在一起，从而达到管子与管板连接的目的。
如图3—2
这种结构随着温度的升高，管子或管板材料会产生高温蠕变，使胀接应力松弛或逐渐消失而使连接处引起泄漏，造成连接失效，故对胀接结构的使用温度和压力都有一定限制，使用温度一般不超过300℃，压力在2.5MPa以下，最高不得超过4ZPa。
胀管时应注意的问题：
a）管板材料的硬度要高于管子材料的硬度，若选用同样的材料则采用管端退火使其变软的方法来实现。
b）管子与管板的间隙要适当（理论上讲间隙越小越好），若间隙过小在制造过程中穿管就十分困难，间隙值按表3—2选择。
c）
管板孔的结构形式分为光孔，开一个槽和开两个槽等几种结构。
当操作压力≤0.6MPa时一般不开槽，压力在0.625mm时可开二个槽，见图3—3所示，管孔开槽的目的主要是提高抗拉脱力及增加管子与管板连接的密封性。
d）胀接前管端和管板孔必须清洗干净，管子的清洗长是管板厚度的二倍。
f）胀接时周围场地温度必须在-10℃以上进行。
e）胀接过程必须保持适当的胀度，任何欠胀和过胀都要影响连接质量，甚至失效。
随着机械制造业的发展，近年来出现了爆炸胀接新工艺，这种爆炸胀接采用定量、定向炸药使之瞬时产生较大的推动力，达到胀接目的，其使用方法简单、方便，现已逐渐得到推广。
（2）焊接
当换热器使用温度高于300℃和压力P>4MPa时，一般采用焊接型式，将换热管子焊在管板孔上，其优点是：
i.管子与管板是金属熔接形式的连接，可用于高温和较高的压力，连接结构可靠。
ii.管板的加工要求低（管板孔一般不开槽），节省胀管工具，节约加工消耗的部分动力和部分加工工时，生产过程简单，生产效率高。
iii.管子与管板选材要求简易（管端也不需退火），在压力很高的情况下，可使用较薄的管板。
但焊接也有如下缺点：
（a）由于是金属熔接，在冷却收缩时，焊接处容易产生裂纹，容易在接头处产生应力腐蚀而降低连接强度。
（b）管子与管板间存在间隙（见图3—4），这些间隙中的介质会形成死区，造成间隙腐蚀。
（3）胀焊接
由于单独采用胀接或单独采用焊接均有一定局限性，为了补此不足，出现了胀接加焊接的型式，根据加工的次序可分为先胀后焊和先焊后胀两种型式。
采用胀焊接可以消除间隙，增加抗热疲劳的性能，适用于高温高压的换热设备。
三、管板
壳管式换热器的管板，一般采用圆平板，管板与壳体的连接可分为可拆式与不可拆式二大类，固定管板式换热器采用的是不可拆式连接，管板直接焊在壳体上，其结构型式分为管板兼作法兰和管板不兼作法兰两种，见图3—5和图3—6，管板在设备中要承受管程和壳程介质的压力，
（a）S<10mm（b）S≥10mm
图3---5管板兼作法兰
图3--6管板不作法兰
还要承受温差应力的影响，受力情况十分复杂，且应力分布又不均匀，确定管板尺寸就比较困难，影响管板应力大小的因素如下：
a.管板的几何尺寸、压力、使用温度、材料强度等；
b.管板是圆平板，开孔后对圆平板强度和刚度的影响；
c.管束对管板的支撑作用（阻碍管板的变形）；
d.管板外边缘的固定形式（与壳体连接形式）对管板应力的影响。
固定形式分为简支和夹持两种，而实际上多数情况是介于二者之间，图3—7为简支和夹持受力的情况。
e.管束与设备壳体温差应力的影响；
f.附加弯曲应力的影响。
由于管板受力情况十分复杂，因而要从理论上分析清楚这些因素，精确地计算管板尺寸是十分困难的。
目前使用计算公式很多，每一种公式都是在某已假设条件下推导出来的，结果差异很大。
对于固定管板式换热器的管板选择可按表3—4选取，其尺寸见图3—8。
四、管程分程
如果换热器所需面积较大，而管子又不能做得太长，又希望保证管内流体又一定的流速，已提高传热效果，常采用多管程换热器。
在管箱内布置若干与管子中心线平行的隔板，将管束
分成顺次串接的若干个组，这样在相同的流量和传热面积下减少管程流通截面积，提高流速和对流换热强度。
为使各程中流动情况基本一致，应使各程管数大致相同。
分程隔板的布置方式常用的平行布置法和T形布置法，见图3—9。
表3—4固定式换热器管板尺寸（毫米）
公称直径Dg
D
D1
D2
D3
D4
D5=D6
D7
b
b1
c
d
螺栓孔数n
重量①公斤
单管程
双管程
四管程
六管程
重沸器
Pg=6公斤/厘米2（0.Mpa）
800
930
890
790
798
-
800
850
32
-
10
23
32
102
103
107
108
91.6
1200
1130
1200
1190
1198
-
1200
1250
40
-
12
23
44
-
-
-
-
219
1000
1130
1000
990
998
-
1000
1050
36
-
10
23
36
138
142
145
146
139
1400
1330
1490
1390
1398
-
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