《换热器设计》教材

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《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

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第一节壳管式冷凝器

换热器是制冷装置中的重栗设备，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17所示：

进气

is-ij

I:!20

图1T壳管式冷凝器

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。

图1-2管壳式换热器

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,

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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

平衡

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I

压

式壳管式冷凝器用于大中型氨制冷装置，其结构如力

表

图1-3所示。筒体直立地安装在贮水池上，冷却水混合气

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

放

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图1-3立式壳

壳管式冷凝器。管式氨冷凝器

卧式氨冷凝器通常以。25~32mm的无缝钢管作

传热管。水流速度约为r2m/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

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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2.511?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，最好使用镶铜管。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t。、冷凝温度七八制冷量Q。）。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Q。有关，一般可表示为：

QkCQo

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1.4

蒸发温度十。Ie

a氨系统图

-^30^2D=TD0=10

蒸发温度gel

b氟里昂系统

图2-1c0与t口\tk的关系曲线图

其中C。称为负荷系数,Co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

C。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,

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水速栗在0.7m\s以下。对于氟利昂的冷凝器，水速则要稍高一些，表27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)150020003000400060008000

设计水速(m/s)3.02.92.72.42.11.8

2、冷却水进口温度t和冷却水温升(&一t,)的选择

冷却水进口温度匕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n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r；(m2.k/w)

有色金属管钢管

冷却水

水速(m/s)水速(m/s)

的种类

W0.920.9W0.920.9

海水0.0000860.0000860.0001720.000172

碱水0.0003440.0001720.0006880.000344

井水0.0001720.0001720.0003440.000344

湖水0.0001720.0001720.0003440.000344

硬水0.0005180.0005160.0005160.000516

流动水0.0003440.0001720.0006880.000344

泥水0.0005160.0003440.0010320.000688

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的n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,

对氮冷凝器一般污垢热阻r°=(3~4)X10V.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

△p=-pw2(^•N•—+1.5(N+1))(2-2)

2a

式中w—冷却水流速(m/s)

P一冷却水密度(kg/m)

I一单根传热管长度(m)

di—传热管内径(m)

N一流程数

&一沿程阻力系数

对于水

_0.3164

(2-3)

氏0.25

管外制冷剂侧流动阻力一般不记。

三口传热管的型式

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025、032、038等直

径的钢管；立式氨冷凝器采用直径为

038、051的钢管。由于冷却水对

钢管的腐蚀性较大，一般管壁厚度b

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

t

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,肋化系图2-2低螺纹管剖面图

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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

可（力一或）（m"）

s*cos—

ff2

翅片间管子外表面积

力=万*4（1-F）（//）

翅顶面积

fT=7T*dt*3T*n（冽2/）

n=—每米翅片数（1/m）

sf

翅片当量高度

H=»*（力-点）④

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

1_11

4=0.72*G4*纥*&-九）4*或7*%（2—9）

式中

%/一低螺纹管增强系数

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Bm~原=0.023^^制冷剂液膜组合物性参数（/o.2*,〃z6*P

afVf/3"K

q-蒸发潜热（/g）

tk—液膜温度（k）

tw—壁温（k）

乎/=//+1]*（/7+力）*样*3。/4尸/（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4"和Bm的值。

£

1/41/423

表2—3rs（J/kg）Bm（kg•w/m•k•s）l的值

NH3R12R22

t℃

1/41/41/4

rsBrarsBmrsBm

33.5119.7478.286.6

0235.8221.26

9788

33.2719.5776.621.0383.3

10233.88

58190

33.0119.3774.720.7979.6

20232.01

04725

32.7119.1972.820.5175.8

30228.36

51531

32.38223.1118.9670.720.1971.6

40

363025

32.0218.7068.219.8166.8

50217.01

74714

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

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排管排液膜增厚，换热系数降低，因而与光管换热相比，栗有一个修正系数

(2—11)

£„一管簇修正系数

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

管簇平均省卜数

〃,”二(』T)4(2T3)

工力

N一总管数

rij一每列中管排数

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：

3.冷却水侧换热

=B—―(w/m.k)(2—16)

'ffd?

表2一4水的&值

tf(℃)0204060

1430187823142686

4.热管总传热系数k

以外表总面积为基准时传热系数：

1,1、力西力1

(2—16)

——=(—+ri)—+——+r0+—

k。%Z4fm/

式中：

-管内水膜换热系数w/m2k

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%--管外制冷剂换热系数w/m2

—管内水垢热阻mk

2

ft——传热管内表面积m

力——平均面积m2

刈

»

汗

吩

(a)(b)(cXd)

(a)扁平管(b)椭圆管

(c)几种形管(d)波纹管

(a)焊接板刺片管(b)整体式外刺片管

(c)镶嵌式外刺片管(d)整体式的外刺片

7

Z

多“Z

/

-^

/

/

/

H

/

/

5

/

/

/

H

/I

/

^

/

)

/

,

/

1

N

上N

s

螺纹管

(cl径向翅片管

图2-3常用传热管型式

3,--壁厚m

上式可写成:

1

+—（2—17）

+ro

力fm

从式(2—17)可看出已知a。即可求出K。，但a。是壁面温度乜和热流密度q的函数，所以K。

可以通过迭代法或图解法来求出

1

1

aO=0.72r?*练*巧*J

程(鼠—/())_

1]_

令孰=0・72巾*纵*%*邑/成

则a0=CStk-twy（2-18）

而%=。0（〃-&）（2-19）

从式（2—18）和（2—19）中消去（t-tj则有

11

4=/ol（2-20）

代入式(2—17)

£

-L.=R+显

K。。।

0Q3

10

而一则整理有

k°q°

4f4

（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q。然后便可逐一求出a。、koO

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---------4-^-

弟二甲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。

氮冷凝器通常用无缝钢管（光管），卧式采用038、051mm的钢管，一般壁厚b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，还栗考虑流体的性质、结构设计及加工制造方面

的情况。管子在管板上的排列主栗有三种方式：等边三角形排列（或称正六角形排列）、正方形排列

Q等边三角形排列b正方形排列匚组合排列

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但它的优点

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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

六角形对角线上不记弓形部分弓形部分管数换热器内管子

的层数的管数管子的根数在弓形的在弓形的在弓形的在弓形部分的总根数

第一排第二排第三排内总管数

137————一一7

2519————一一19

3737————一——37

4961——一————61

51191——一——一91

613127————————127

7151693——一18187

8172174————24241

9192715————30301

10213816————36367

11233977————42439

12254698————48517

132754792——66613

1429631105——90721

1531721116——102823

1633817127——114931

1735919138——1261045

193911411512——1621303

20411261161341981459

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

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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，一般而言栗求

间距S21.25&（&管子外径），而且要满足s2d0+b。

表3—2管板孔、折流板及最小管间距（mm）

管子外径比141925323857

管板孔14.4+0'119.4+0225.4+0-232.5+0338.5+0357.7+0-4

折流板孔14.6+0419.6"°"25.8+0-432.8位的38.8+04558位5

最小管间距192532404870

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