-管壳式热交换器第三部分

1、第二章第二章 管壳式热交换器管壳式热交换器管壳式冷凝器与蒸发器管壳式冷凝器与蒸发器n 在上一部分我们学习了一台常温常压单相对流在上一部分我们学习了一台常温常压单相对流 热管壳式换热器的设计。热管壳式换热器的设计。n在接下来的部分，将考察存在相变换热、以及在接下来的部分，将考察存在相变换热、以及高温高压或是低温换热情况下，管壳式换热器高温高压或是低温换热情况下，管壳式换热器的设计有哪些不同之处，或者说应该特别注意的设计有哪些不同之处，或者说应该特别注意的问题。的问题。n 对于相变换热主要考察传热机理不同带来的设对于相变换热主要考察传热机理不同带来的设计改变；对于高温、高压或是低温换热情况，计改变

2、；对于高温、高压或是低温换热情况，主要考察换热器耐受高温高压及低温时所作的主要考察换热器耐受高温高压及低温时所作的结构、材料等的改变。结构、材料等的改变。2.7 2.7 管壳式冷凝器与蒸发器的工作特点管壳式冷凝器与蒸发器的工作特点2.7.1 管壳式冷凝器的工作特点管壳式冷凝器的工作特点工质由汽态变为液态的过程叫凝结，当工质由汽态变为液态的过程叫凝结，当蒸汽与低于它的饱和温度的流体和壁面接蒸汽与低于它的饱和温度的流体和壁面接触时，就会发生凝结并放出潜热。蒸汽在触时，就会发生凝结并放出潜热。蒸汽在冷壁凝结并放出潜热，而冷却流体在壁面冷壁凝结并放出潜热，而冷却流体在壁面的另一侧吸收热量，这就是冷凝器

3、的工作的另一侧吸收热量，这就是冷凝器的工作原理。原理。n按照冷凝方式，凝结换热分珠状凝结和膜状按照冷凝方式，凝结换热分珠状凝结和膜状凝结，一般膜状凝结普遍，冷凝器按膜状凝凝结，一般膜状凝结普遍，冷凝器按膜状凝结进行设计。结进行设计。n按被冷凝的物质进行分类，冷凝过程又可分按被冷凝的物质进行分类，冷凝过程又可分为可凝蒸汽的冷凝和含有不凝气蒸汽的冷凝。为可凝蒸汽的冷凝和含有不凝气蒸汽的冷凝。n而可凝蒸汽可以是单一成分的纯净蒸汽，也而可凝蒸汽可以是单一成分的纯净蒸汽，也可能是多种组分的混合蒸气。可能是多种组分的混合蒸气。因此我们分三种情况讨论冷凝器的设计因此我们分三种情况讨论冷凝器的设计 1）纯净蒸

4、汽的冷凝）纯净蒸汽的冷凝 2）含有不凝气蒸汽的冷凝）含有不凝气蒸汽的冷凝 3）混合蒸汽冷凝）混合蒸汽冷凝1)纯净饱和蒸汽在冷凝器内的冷凝纯净饱和蒸汽在冷凝器内的冷凝在设计这种冷凝器时应注意以下一些问题：在设计这种冷凝器时应注意以下一些问题：(1)一般说来，冷凝换热是一种高效换热过程，液膜是主要热一般说来，冷凝换热是一种高效换热过程，液膜是主要热阻，因而冷凝换热往往不会成为整个传热过程的主要热阻。阻，因而冷凝换热往往不会成为整个传热过程的主要热阻。但是也有不少设备中，冷凝换热反而构成了传热过程的主要但是也有不少设备中，冷凝换热反而构成了传热过程的主要热阻。热阻。在这些情况下，也就有必要对冷凝换热

5、过程的强化给在这些情况下，也就有必要对冷凝换热过程的强化给以充分的注意。以充分的注意。如各种石油馏分和有机物蒸汽的冷凝器当采用水作为吸如各种石油馏分和有机物蒸汽的冷凝器当采用水作为吸热工质时，冷凝侧换热系数将低于水侧换热系数。比如氟利热工质时，冷凝侧换热系数将低于水侧换热系数。比如氟利昂冷凝换热系数（昂冷凝换热系数（800-1000）比冷却水侧小。）比冷却水侧小。(2)对饱和蒸汽的冷凝，一般都采取卧式冷凝器。对饱和蒸汽的冷凝，一般都采取卧式冷凝器。根据冷凝过程的机理，当冷凝液膜处于层流状态时，根据冷凝过程的机理，当冷凝液膜处于层流状态时，以横管和竖管的管外冷凝相比，在两者的温差及冷凝介质以横管

6、和竖管的管外冷凝相比，在两者的温差及冷凝介质的物性相同时，采用横管时的换热系数总是高于竖管的换的物性相同时，采用横管时的换热系数总是高于竖管的换热系数。热系数。此时若使饱和蒸汽在管外冷凝，不仅换热系数高，而且此时若使饱和蒸汽在管外冷凝，不仅换热系数高，而且压降也少，使易结垢的水在管内流动，可以保持较高的流压降也少，使易结垢的水在管内流动，可以保持较高的流速，对传热和防止结垢都很有很有利。速，对传热和防止结垢都很有很有利。如果管排数很多，采用斜转排列方式，减小后排管子液如果管排数很多，采用斜转排列方式，减小后排管子液膜厚度。膜厚度。 对于卧式冷凝器，按转角等边三角形排列时，对于卧式冷凝器，按转角

7、等边三角形排列时，板的轴线与水平轴线间比较有利的偏转角，如图板的轴线与水平轴线间比较有利的偏转角，如图2.10所示，可按下式计算：所示，可按下式计算：30oarcsin(do/2s)do：管子外径；：管子外径；s：管间距。：管间距。目的：减少液膜在换热管上的包角及液膜厚度目的：减少液膜在换热管上的包角及液膜厚度但在某些情况下，采用立式冷凝器也具有一定的但在某些情况下，采用立式冷凝器也具有一定的优点：优点：当冷凝液需要过冷时，如果采用卧式，会使一当冷凝液需要过冷时，如果采用卧式，会使一部分传热面浸没冷凝液中才能通过自然对流部分传热面浸没冷凝液中才能通过自然对流传热方式实现过冷。而采用立式冷凝时，

8、冷传热方式实现过冷。而采用立式冷凝时，冷凝液呈降膜式向下沉动，此时的换热系数较凝液呈降膜式向下沉动，此时的换热系数较高，降低了冷凝液过冷所需传热面。高，降低了冷凝液过冷所需传热面。在压降允许范围内，使蒸汽在竖管内冷凝时，在压降允许范围内，使蒸汽在竖管内冷凝时，流速可以较高，使液膜减薄，不易在设备内流速可以较高，使液膜减薄，不易在设备内积聚不凝结气体，汽流速度分布均匀。积聚不凝结气体，汽流速度分布均匀。(3)采用蒸汽在水平管内冷凝的方式必须十分慎重。采用蒸汽在水平管内冷凝的方式必须十分慎重。 这种情况下的冷凝器往往采用多管程，第一管这种情况下的冷凝器往往采用多管程，第一管程凝结的液体连同未冷凝的

9、蒸汽一起进入下一程凝结的液体连同未冷凝的蒸汽一起进入下一管程，因而在同一管程的管束中，管子下半部管程，因而在同一管程的管束中，管子下半部往往积聚较多的凝液，而管子上半部往往积聚往往积聚较多的凝液，而管子上半部往往积聚较多的蒸汽，从而使管束中的汽液分配难以均较多的蒸汽，从而使管束中的汽液分配难以均匀，凝液的积存又起了阻碍传热的作用，使其匀，凝液的积存又起了阻碍传热的作用，使其换热系数比同样条件下的管外冷凝低。换热系数比同样条件下的管外冷凝低。2)过热蒸汽在冷凝器内的冷却和冷凝 过热蒸汽在冷凝器内的冷却和冷凝分为三段，第过热蒸汽在冷凝器内的冷却和冷凝分为三段，第一段为单冷却过程，第二段壁面出现冷凝

10、，主流一段为单冷却过程，第二段壁面出现冷凝，主流区尚未达到饱和温度继续冷却，第三段为饱和冷区尚未达到饱和温度继续冷却，第三段为饱和冷凝过程。凝过程。 第一段特征第一段特征 由于蒸汽的过热部分冷却到饱和状态，所进行为由于蒸汽的过热部分冷却到饱和状态，所进行为单相气体冷却换热，热量传递为显热传递，换热单相气体冷却换热，热量传递为显热传递，换热系数比冷凝换热系数要小得多。而过热蒸汽的比系数比冷凝换热系数要小得多。而过热蒸汽的比热较小，显热传递的热量不大。如果过热度比较热较小，显热传递的热量不大。如果过热度比较显著，那么完成这一阶段的换热需要的换热面积显著，那么完成这一阶段的换热需要的换热面积也比较显

11、著。也比较显著。 第二阶段和第三阶段出现了凝结液，主要换第二阶段和第三阶段出现了凝结液，主要换热方式为凝结热，主要是潜热传热方式，换热方式为凝结热，主要是潜热传热方式，换热系数比较大。热系数比较大。 由于换热方式不同，对过热蒸汽的冷却过程由于换热方式不同，对过热蒸汽的冷却过程和冷凝过程应该分段计算。第一段为一阶段，和冷凝过程应该分段计算。第一段为一阶段，第二三段为另一阶段。方法：设计一个换热第二三段为另一阶段。方法：设计一个换热器，此换热器的面积应该是两部分相加。一器，此换热器的面积应该是两部分相加。一部分是完成第一阶段需要的换热面积，计算部分是完成第一阶段需要的换热面积，计算单相对流换热，另

12、一部分是完成第二三阶段单相对流换热，另一部分是完成第二三阶段换热所需要的换热面积。这两部分采用的换换热所需要的换热面积。这两部分采用的换热、阻力计算等完全不同。热、阻力计算等完全不同。但当过热度不是很大时，仍可利用纯净饱和蒸汽但当过热度不是很大时，仍可利用纯净饱和蒸汽冷凝放热公式计算其平均换热系数，不过公式中冷凝放热公式计算其平均换热系数，不过公式中的汽化潜热，要用下式所示的的汽化潜热，要用下式所示的r代替：代替：r =cg (tg-ts)+r式中式中cg一过热蒸汽比热；一过热蒸汽比热； r一蒸汽汽化潜热。一蒸汽汽化潜热。至于计算至于计算或或Q时所用的冷凝温差时所用的冷凝温差t，都仍然按饱，都

13、仍然按饱和温度和温度ts，而不是以过热温度，而不是以过热温度t计算。这种处理还计算。这种处理还是足够准确的。是足够准确的。 3)含不凝气蒸汽的冷凝含不凝气蒸汽的冷凝 蒸汽中所含不凝结性气体可能有两个不蒸汽中所含不凝结性气体可能有两个不同的来源，一是由于外部漏入，二是由同的来源，一是由于外部漏入，二是由于冷凝物质所固有或夹带。于冷凝物质所固有或夹带。 当蒸汽中含有不凝气时，传热过程实际当蒸汽中含有不凝气时，传热过程实际上是由蒸汽的冷凝和不凝气的冷却共同上是由蒸汽的冷凝和不凝气的冷却共同所组成，这一过程叫做冷凝一冷却过程。所组成，这一过程叫做冷凝一冷却过程。 在冷凝器中，即使所含不凝气很少随着冷在

14、冷凝器中，即使所含不凝气很少随着冷凝过程的进行，凝结蒸汽不断凝结，不凝气凝过程的进行，凝结蒸汽不断凝结，不凝气相对量增加，会造成换热系数大幅度地下降。相对量增加，会造成换热系数大幅度地下降。 实验表明，蒸汽中即使只有实验表明，蒸汽中即使只有1体积的空气，体积的空气，也会使换热系数降低也会使换热系数降低60。因此，工业上应。因此，工业上应用的冷凝器，一般都应设置气体排出机构。用的冷凝器，一般都应设置气体排出机构。例如，在正压下工作的冷凝器，在适当部位例如，在正压下工作的冷凝器，在适当部位装置排气阀在负压下工作的汽轮机冷凝器，装置排气阀在负压下工作的汽轮机冷凝器，则设置射汽抽气器。则设置射汽抽气器

15、。总压不变，在壁面液膜外，由于蒸汽凝结，总压不变，在壁面液膜外，由于蒸汽凝结，不凝气的分子积聚形成一层气模，在此处不不凝气的分子积聚形成一层气模，在此处不凝气的分压力升高，蒸汽分压下降。凝气的分压力升高，蒸汽分压下降。在液膜外面的这层气膜使蒸汽必须借助扩散在液膜外面的这层气膜使蒸汽必须借助扩散使蒸汽分子通过气膜而达到液膜冷凝。这层使蒸汽分子通过气膜而达到液膜冷凝。这层气膜构成了冷凝过程的主要热阻，使换热系气膜构成了冷凝过程的主要热阻，使换热系数大为降低。数大为降低。此外由于这层气膜中蒸汽分压此外由于这层气膜中蒸汽分压Pvi低，冷低，冷凝温度也将由与凝温度也将由与Pv相对应的饱和温度相对应的饱和

16、温度tv降低降低到与气液膜分界面上到与气液膜分界面上Pvi相对应的相对应的ti，其结果，其结果是使冷凝温差减小，降低了冷凝强度。是使冷凝温差减小，降低了冷凝强度。n含不凝气蒸汽的传热被认为是由两部分含不凝气蒸汽的传热被认为是由两部分 组成的；一部分是由于蒸汽冷凝而产生组成的；一部分是由于蒸汽冷凝而产生的潜热传递；另一部分是不凝气及蒸汽的潜热传递；另一部分是不凝气及蒸汽的总体的总体(主流主流)与液膜之间的显热传递。与液膜之间的显热传递。n蒸汽凝结部分的热量大小决定于蒸汽分子通蒸汽凝结部分的热量大小决定于蒸汽分子通过气膜的扩散，它的推动力是蒸汽的分压差过气膜的扩散，它的推动力是蒸汽的分压差(Pv-

17、Pvi)，压差越大，蒸汽的扩散速度就越大，压差越大，蒸汽的扩散速度就越大，传质传质(冷凝冷凝)的量就越多，根据质交换过程与热的量就越多，根据质交换过程与热交换过程的相似关系则可将单位传热面上交换过程的相似关系则可将单位传热面上的潜热传递的热量表示为的潜热传递的热量表示为：n不凝气及蒸汽的总体(主流)与液膜之间的显热传递，其动力是气膜的温差，则单位传热面上显热传递的热量可用牛顿公式表示为： 随着冷凝过程的进行，气膜中的蒸汽分随着冷凝过程的进行，气膜中的蒸汽分压力，液膜温度，以及换热系数都在明压力，液膜温度，以及换热系数都在明显变化，这个总传热量在每个截面不同。显变化，这个总传热量在每个截面不同。

18、因此需要分为许多段才能完成含不凝气因此需要分为许多段才能完成含不凝气蒸汽的冷凝器设计。蒸汽的冷凝器设计。另外还需要注意：另外还需要注意： 在含有不凝性气体的蒸汽冷凝时，蒸汽流速在含有不凝性气体的蒸汽冷凝时，蒸汽流速对冷凝放热的影响十分显著。对冷凝放热的影响十分显著。 在蒸汽放热一侧传质系数起着很大的作用。在蒸汽放热一侧传质系数起着很大的作用。不凝气愈多，则传质系数所起作用愈大。当不凝气愈多，则传质系数所起作用愈大。当蒸汽流速提高时，传质系数迅速增大，这样蒸汽流速提高时，传质系数迅速增大，这样就使换热得到加强。由此可见，当其它条件就使换热得到加强。由此可见，当其它条件不变时，汽气混合物中不凝气愈

19、多，提高流不变时，汽气混合物中不凝气愈多，提高流速就愈是增强换热的有效手段。速就愈是增强换热的有效手段。 当不凝气的相对含量高时，则不凝气的含量当不凝气的相对含量高时，则不凝气的含量对换热热的影响是主要的。对换热热的影响是主要的。 当汽气混合物在管束中冷凝时，由于蒸汽的当汽气混合物在管束中冷凝时，由于蒸汽的不断冷凝，容积流量不断降低，流通截面又不断冷凝，容积流量不断降低，流通截面又改变很小，因而在冷凝器的后半部分流速猛改变很小，因而在冷凝器的后半部分流速猛烈下降，且不凝气相对含量达到相当高的程烈下降，且不凝气相对含量达到相当高的程度。这就使得传质系数迅速下降、使换热强度。这就使得传质系数迅速下

20、降、使换热强度显著地减小。度显著地减小。4)混合蒸气的冷凝 工业上还会遇到由两种以上可凝性蒸气混合而工业上还会遇到由两种以上可凝性蒸气混合而成的混合蒸气的冷凝。在冷凝过程中，一定温度成的混合蒸气的冷凝。在冷凝过程中，一定温度下，各种成分以不同的比例冷凝；在另下，各种成分以不同的比例冷凝；在另温度下温度下又是另一个比例冷凝，亦即它们的冷凝量随着温又是另一个比例冷凝，亦即它们的冷凝量随着温度的不同而改变，这是一个显著的特点。度的不同而改变，这是一个显著的特点。 混合蒸气冷凝还与它的各成分在液态时能否混合蒸气冷凝还与它的各成分在液态时能否互互溶有关。溶有关。 混合蒸气冷凝过程可归结为以下几方面的特点

21、混合蒸气冷凝过程可归结为以下几方面的特点 混合蒸气冷凝时，冷凝温度不断下降，因而是混合蒸气冷凝时，冷凝温度不断下降，因而是一个非等温的冷凝过程。同时，由于各组分的冷一个非等温的冷凝过程。同时，由于各组分的冷凝潜热不同，温度的变化和所放出的热量一般不凝潜热不同，温度的变化和所放出的热量一般不成比例。因而在温度变化范围大时，应该分段计成比例。因而在温度变化范围大时，应该分段计算平均温差；算平均温差； 在冷凝过程中气体和液体的组成也在不断改在冷凝过程中气体和液体的组成也在不断改变，因而物性和换热系数均沿程不断交化由变，因而物性和换热系数均沿程不断交化由此，当进口、出口温度变化范围大时，也需要分此，当

22、进口、出口温度变化范围大时，也需要分段计算流体的平均温度，并求出相应的物性和换段计算流体的平均温度，并求出相应的物性和换热系数。热系数。 由于混合蒸气的冷凝与含不凝气蒸汽由于混合蒸气的冷凝与含不凝气蒸汽冷凝有相似之处，后冷凝的蒸气也会滞积冷凝有相似之处，后冷凝的蒸气也会滞积在壁面附近形成气膜，在此气膜内同样由在壁面附近形成气膜，在此气膜内同样由于蒸气分压的变化而存在误差，因而通过于蒸气分压的变化而存在误差，因而通过气膜先冷凝的液体温度较高，在往后流动气膜先冷凝的液体温度较高，在往后流动中也必然要进一步被冷却而放出显热。中也必然要进一步被冷却而放出显热。2.7.2 管壳式蒸发器的工作特点 蒸发器

23、中所进行着的沸腾换热和冷凝换热一样，蒸发器中所进行着的沸腾换热和冷凝换热一样，均属于强化型换热，液体在沸腾时能吸收大量的均属于强化型换热，液体在沸腾时能吸收大量的汽化潜热，汽泡在形成和脱离加热面时，在边界汽化潜热，汽泡在形成和脱离加热面时，在边界层内产生强烈的扰动，从而达到很高的换热系层内产生强烈的扰动，从而达到很高的换热系数，与单相流体的对流换热系数相比，可提高几数，与单相流体的对流换热系数相比，可提高几倍乃至二、三十倍。倍乃至二、三十倍。 因而在工业上的应用甚为广泛，例如动力、化工因而在工业上的应用甚为广泛，例如动力、化工等部门用的蒸汽锅炉、蒸发器、再沸器等高参数、等部门用的蒸汽锅炉、蒸发

24、器、再沸器等高参数、高热负荷设备。高热负荷设备。n但是也有一些设备中，沸腾换热反而构但是也有一些设备中，沸腾换热反而构成了传热过程的主要热阻。成了传热过程的主要热阻。n如低沸点流体沸腾，沸腾侧换热系数将如低沸点流体沸腾，沸腾侧换热系数将低于加热液体侧换热系数。比如氟利昂低于加热液体侧换热系数。比如氟利昂沸腾换热系数比水侧冷凝小。在这些情沸腾换热系数比水侧冷凝小。在这些情况下，也就有必要对沸腾换热过程的强况下，也就有必要对沸腾换热过程的强化给以充分的注意。化给以充分的注意。举例：举例： 在各种工业企业生产过程中，常需将溶在各种工业企业生产过程中，常需将溶有有固体物质的水溶液加以浓缩。固体物质的水

25、溶液加以浓缩。 其主要方法是用蒸发器将稀溶液加热至其主要方法是用蒸发器将稀溶液加热至沸沸腾，使其中部分水蒸发而使溶液的浓度得腾，使其中部分水蒸发而使溶液的浓度得到提高。到提高。 图图2.52所示的是一种在水溶液蒸发过程中所示的是一种在水溶液蒸发过程中使用比较普遍的中心循环管式蒸发器。使用比较普遍的中心循环管式蒸发器。 它由加热室及分它由加热室及分离室组成，由于离室组成，由于中心循环管的直中心循环管的直径比加热管的直径比加热管的直径大得多。使中径大得多。使中心循环管内溶液心循环管内溶液的密度大于周围的密度大于周围加热管内强烈沸加热管内强烈沸腾着的溶液的密腾着的溶液的密 度，从而产生了度，从而产生

26、了自然循环。自然循环。 蒸发器内加热的蒸汽称为一次蒸汽，溶液受热蒸发蒸发器内加热的蒸汽称为一次蒸汽，溶液受热蒸发 发而产生的蒸汽称为二次蒸汽。发而产生的蒸汽称为二次蒸汽。 为使那些需要蒸发大量水分的场合减少加热蒸汽为使那些需要蒸发大量水分的场合减少加热蒸汽 耗量，可采用多效蒸发耗量，可采用多效蒸发(或称多级蒸发或称多级蒸发)的方法，其的方法，其 特点是将每一效蒸发器中所产生的二次蒸汽用作特点是将每一效蒸发器中所产生的二次蒸汽用作 下一效的加热蒸汽，如此则在下一效又产生了新下一效的加热蒸汽，如此则在下一效又产生了新 的二次蒸汽，既使溶液浓度得到提高，又节省了的二次蒸汽，既使溶液浓度得到提高，又节省了 加热蒸汽量。一般限于加热蒸汽量。一般限于23效，也有效，也有46效的。效的。 工作压力及温度逐级降低。工作压力及温度逐级降低。 在对水溶液蒸发器作计算时，要注意到如下一些在对水溶液蒸发器作计算时，要注意到如下一些特点：特点：在水溶液蒸发器中，由于被蒸发的是含有非挥发在水溶液蒸发器中，由于被蒸发的是含有非挥发性物质的水溶液，溶液的沸点要高于纯溶剂性物质的水溶液，溶液的沸点要高于纯溶剂(水水)的沸点，称为溶液的物理化学温降。但二次蒸汽的沸点，称为溶液的物理化学温降。但二次蒸汽的温度却只等于相应压力下的饱和温度。的温度却只等于相应压力下的饱和温度。故当加热蒸汽温度一定时，