壳管式干式蒸发器设计说明书Word文件下载.doc
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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
Abstract
Heatexchangerisoneoftheimportantequipmentinchemicalindustry，ittransferheatbetweencoldandheatfluid.Inthisheatexchangerthetubularheatexchangerismostwidelyused.
ThisdesignisatubularDXevaporator.ThetypeoftheheatexchangeristheUtype
heat
exchanger.Utypeheatexchangerwithatubeplate,bothendsofwhicharefixedonthesametubeplates,tubescanbefreelytelescopic,thermalstress,thermalcompensationperformanceisgood;
tubewithdoubletubepass,longerprocess,theflowvelocityishigher,theheattransferperformanceisgood,strongbearingability,simplestructure,cheapprice,appliedtothetube,thelargertemperaturedifferencebetweentheshellwallorshellpassmediumeasyscalingneedscleaningandnotsuitableforfloatingheadtypeandfixedtubeplateoccasions,especiallysuitableforthetubeawaycleanandnoteasytoscalethehightemperature,highpressure,strongcorrosivematerials.Utypeheatexchangermainstructureconsistsofatubebox,cylinder,head,tube,pipe,baffleplate,frontpanelanddrafttube,shortcircuitprotectionstructure,supportandotheraccessoriessuchaspipeshell.
Floodedchillerisbeingmoreandmorepopularwithourgovernment’spromotionofenergysavingproducts．Themajordifferencebetweenfloodedchillerandnormalchilleristheirevaporatorinstalledinside，floodedevaporatorwasinstalledinfloodedchillerwhileDXevaporatorinnormalchiller．Theobviousdifferenceofthesetwokindsofchillersistheirrefrigerationpasses．Inthefloodedchiller，refrigerantrunsintoshellfromthebottom，thenflowsoutsideofheatexchangingpiping，beingheatedandboiled，turnsintovaporandbeingdischargedfromthetopofshel1．InDXevaporator，refrigerantrunsinsidetubes．Itenterstubebundlesfromthebottomofendcover，flowsinsidethetubes，beingheatedandevaporates，thenbeingdischargedfromtopofendcover．
Heatexchangeriswideusedinindustry，specialinenergyconsumptionfield.Asenergy-savingtechnologymoving,，moreseriousheartexchangerwillappear.
Keywords：
DXevaporator，Utypeheatexchanger，structure，designandcalculation
II
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
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传热系数及按内表面计算的热流密度 21
4.4.1传热系数 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
6U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
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
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。
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
负荷
蒸发温度
冷凝温度
冷冻水进口温度
冷冻水出口温度
R22
50kW
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。
进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；
另一种在管外流动，称为壳程流体。
为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。
挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。
换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。
等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；
正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。
流体每通过管束一次称为一个管程；
每通过壳体一次称为一个壳程为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。
这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。
同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。
多管程与多壳程可配合应用。
1.3.2壳管式换热器分类
由于管内外流体的温度不同，因此换热器的壳体与管束的温度也不同。
如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。
因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。
根据所采用的补偿措施，壳管式换热器可分为以下几种主要类型：
（1）浮头式换热器
浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。
管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。
新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：
在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通；
在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸；
另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。
浮头换热器的特点：
浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。
这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。
其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。
浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。
（2）固定管板式换热器
固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈（或膨胀节）。
当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。
固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。
固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。
这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。
这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。
此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。
通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。
同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。
因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。
为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。
但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。
一般壳程压强超过0.6MPa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。
固定管板式换热器的特点：
1、旁路渗流较小；
2、造价低；
3、无内漏；
固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。
（3）U型管式换热器
U形管换热器的管束结构由U字形弯管组成。
管子两端固定在同一块管板上，弯曲端不加固定，使每根管子具有自由伸缩的余地而不受其它管子及壳体的影响。
这种热交换器在需要清洗时可将整个管束抽出，但要清除管子内壁的污垢却比较困难；
因为弯曲的管子需要一定的弯曲半径，因而在制造时需用不同曲率的模子弯管，而使管板的有效利用率降低；
此外，损坏的管子也难于调换，U形管管束的中心部分空间对换热器的工作有着不利的影响。
由于这些缺点的存在，使得它的应用受到很大的限制。
这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。
其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。
本次干式蒸发器设计采用型式的就是U形管换热器。
（4）填料函式换热器
这是一种使一端一端管板固定而让另一端管板可在填料函中滑动的热交换器，其结构如图所示，实际上它是将浮头露在壳体外面的浮头式热交换器，所以又称外浮头式热交换器。
由于填料密封处容易泄露，故不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒和高压流体的热交换。
而且由于制造复杂，安装不便，因此此结构不常采用。
这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。
但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。
1.3.3壳管式换热器的发展
壳管式换热器的发展总体上是支承形式的发展，从板式支承到折流杆式支承，再到空心环支承，最后到管子的自支承，当然期间也有交错发展的情况。
随着支承形式的发展，壳管式换热器的壳程给热系数呈现不断提高的趋势，压降呈现不断下降的趋势，换热器的传热综合性能得到很大的提高。
从壳管式换热器的发展可知，新的支承结构的出现，绝大多数是为了是流体的流动方式尽可能的变为纵向流，这样有利于管程与壳程热交换，从而提高了传热系数，同时伴随着压降的降低，使得传热综合性能得到很大的提高。
其次，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。
近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料铝镁合
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