一 : 新中式风格的设计说明
一、新中式风格的设计原则
第一就是以人为本，因为所用的装修生活离不开人;第二就是因地制宜，根据实际的空间创造出个性的形式，在主要是体现在壮戏上的灵活性;第三就是一种可持续发展，这主要是根据我们目前的国情，和建筑所倡导的理念来考虑的，最后一个就是人文化的考虑，在装修设计上充分考虑到别墅的文化内涵，一提高别墅的级别和品味。
二、新中式别墅的设计形式
这是我们在城市中常看见的一种装修形式，在修建别墅的时候有一个整体的规划，修建的形式通常是采用一种风格，强调空间的整体性，风格的统一性。
装修提倡自然简洁和理性的规则，比例均匀、形式新颖，内部结构严密紧凑、空间穿插有序、围护体各界面要素的虚实构成非常的明显，另外通过虚实互换的空间形象，取得局部与整个空间的和谐。强调空间的完整性和高贵、典雅感。
新中式别墅布置的主要功能进行设计，根据我们中国人的习性，一般应具备一定的商务功能(会客、休闲)。在别墅的平面布局上，要有完整、大气，赋有贵族气质的体现，杜绝华而不实的装修，体现真正的”高品质建筑“和“高品位生活“。
庭院设计和室内装修可按家庭成员的爱好、兴趣等设定，做好是有一个主题的体现，这样采用更有逻辑性。
新中式别墅整体形式设计体现出了一种庄重、典雅、尊贵，完成古典和现代的交融，现代都市和中国宫廷的联系，建筑和环境的自然融合。
处处见景、处处是景，注重生活品质和细节，在装饰设计中所采用的任何一个小件(线条、图案等)都要求清晰明确，毫不含糊，做到”细节重于上帝“的设计原则。
新中式别墅设计因为文化内涵的不同，有具体的设计依据和设计要求，对空间处理讲究的整体和灵活性，风格的”纯粹“性、典型的地域性和深刻文化内涵。
按照中国人的习性，新中式别墅的装修一般应具备一定的会客功能。不仅如此，在布局上还要讲究大气、完整。在装修上要做到既富有贵族气质，又能体现低调。看完上面的新中式别墅设计说明，相信大家一定心中有数了。
二 : 壳管式干式蒸发器设计说明书
毕业设计（论文）
题目名称：50kW壳管式干式蒸发器设计
学院名称：能源与环境学院
班 级：
学 号：
学生姓名：
指导教师：
2014年5月
蒸发器设计 壳管式干式蒸发器设计说明书
50kW壳管式干式蒸发器设计 论文编号：201001124130 50kW tubular DX evaporator design
学院名称：能源与环境学院
班 级：
学 号：
学生姓名：
指导教师：
2014年5月
蒸发器设计 壳管式干式蒸发器设计说明书
中原工学院能源与环境学院毕业论文（设计）
摘 要
换热器是化工生产中重要的设备之一，它是一种冷热流体间传递热量的设备，其中壳管式换热器应用最为广泛。［www.61k.com）
本设计为壳管式干式蒸发器的设计，换热器类型选择为U型管式换热器。U型管式换热器仅有一个管板，两端均固定于同一管板上，管子可以自由伸缩，无热应力，热补偿性能好；管程采用双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好，承压能力强，结构比较简单、价格便宜，适用于管、壳壁温差较大或者壳程介质易结垢需要清洗又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合，特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性强的物料。U型管式换热器的主要结构包括管箱、筒体、封头、换热管、接管、折流板、防冲板和导流筒、防短路结构、支座及管壳程的其他附件等。
随着国家对节能产品的提倡，满液式机组也越来越受到欢迎。满液式机组与普通冷水机组的区别就在于蒸发器采用了满液式蒸发器，而普通冷水机组采用干式蒸发器。满液式蒸发器与干式蒸发器二者的明显区别在于制冷剂流程的不同，满液式蒸发器制冷剂走壳程，制冷剂从壳体下部进入，在传热管外流动并受热沸腾，蒸汽从壳体上部排出。干式蒸发器中制冷剂走管程，即制冷剂从端盖下部进入传热管束，在管内流动受热蒸发，蒸汽从端盖上部排出。
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
蒸发器设计 壳管式干式蒸发器设计说明书
中原工学院能源与环境学院毕业论文（设计）
Abstract
Heat exchanger is one of the important equipment in chemical industry ，it transfer heat between cold and heat fluid. In this heat exchanger the tubular heat exchanger is most widely used.
This design is a tubular DX evaporator. The type of the heat exchanger is the U type heat exchanger. U type heat exchanger with a tube plate, both ends of which are fixed on the same tube plates, tubes can be freely telescopic, thermal stress, thermal compensation performance is good; tube with double tube pass, longer process, the flow velocity is higher, the heat transfer performance is good, strong bearing ability, simple structure, cheap price, applied to the tube, the larger temperature difference between the shell wall or shell pass medium easy scaling needs cleaning and not suitable for floating head type and fixed tube plate occasions, especially suitable for the tube away clean and not easy to scale the high temperature, high pressure, strong corrosive materials. U type heat exchanger main structure consists of a tube box, cylinder, head, tube, pipe, baffle plate, front panel and draft tube, short circuit protection structure, support and other accessories such as pipe shell.
Flooded chiller is being more and more popular with our government’s promotion of energy saving products．The major difference between flooded chiller and normal chiller is their evaporator installed inside，flooded evaporator was installed in flooded chiller while DX evaporator in normal chiller．The obvious difference of these two kinds of chillers is their refrigeration passes．In the flooded chiller，refrigerant runs into shell from the bottom，then flows outside of heat exchanging piping，being heated and boiled， turns into vapor and being discharged from the top of shel1．In DX evaporator， refrigerant runs inside tubes．It enters tube bundles from the bottom of end cover，flows inside the tubes，being heated and evaporates，then being discharged from top of end cover．
Heat exchanger is wide used in industry，special in energy consumption field. As energy-saving technology moving,，more serious heart exchanger will appear.
Keywords：DX evaporator，U type heat exchanger，structure，design and calculation
II
蒸发器设计 壳管式干式蒸发器设计说明书
中原工学院能源与环境学院毕业论文（设计）
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
蒸发器设计 壳管式干式蒸发器设计说明书
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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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中原工学院能源与环境学院毕业论文（设计）
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。[www.61k.com)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
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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。（www.61k.com)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
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 2
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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。（www.61k.com］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 3
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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。（www.61k.com)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 4
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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。［www.61k.com]
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；
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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。(www.61k.com)
（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。
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蒸发器设计 壳管式干式蒸发器设计说明书
中原工学院能源与环境学院毕业论文（设计）
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。(www.61k.com］近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水氯碱醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。
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2 设计与计算的理论概述
2.1 壳管式换热器的结构
2.1.1 管程结构
（1）换热管规格和排列的选择 换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。［www.61k.com]因此，对于洁净的流体管径可取小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。 按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。我国生产的钢管长度多为6m、9m，故系列标准中管长有1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m六种，其中以3m和6m更为普遍。同时，管子的长度又应与管径相适应，一般管长与管径之比，即L/D约为4～6。
（2）管板
固定管板式换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。
管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。
（3）封头和管箱
封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体（一般小于400mm），圆形用于大直径的壳体。
管箱 壳管式换热器管箱即换热器的端盖，也叫分配室。用以分配液体和起封头的作用。压力较低时可采用平盖，压力较高时则采用凸形盖，用法兰与管板连接。检修时可拆下管箱对管子进行清洗或更换。
2.2.2 壳程结构
（1）壳体
换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可用作图法确定壳体的内径。但是，当管数较多又要反复计算时，作图法太麻烦费时，一般在初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。待全部设计完成后，仍应用作图法画出管子排列图。为了使管子排列均匀，防止流体走"短路"，可以适当地增加一些假管或安排一些 8
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拉杆。[www.61k.com］
（2）折流挡板 安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。 常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。切去的弓形高度约为外壳内径的10～40％，一般取20～25％，过高或过低都不利于传热。
两相邻挡板的距离（板间距）h为外壳内径D的（0.2～1）倍。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。 对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。弓形缺口太大或太小都会产生"死区"，既不利于传热，又往往增加流体阻力。 挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍。
（3）缓冲板
缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。
（4）拉杆、定距杆 拉杆、定距杆起到固定折流板和保证折流板间距离的作用，另一个重要作用就是减少管束震动。
2.2 管程和壳程数的确定
当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，就得排列较多的管子，为了提高流体在管内的流速，需将管束分程。但是程数过多，导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有 1、2、4、6 四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。
2.3 流动空间的选择
在管壳式换热器的设计中，首先要决定哪种流体走管程，哪种流体走壳程。这需要遵循一些一般原则。
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（1）应尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。(www.61k.com]
（2）在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量的损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量的损失。
（3）管、壳程的决定应尽量做到易于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。
（4）应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。从这个角度来说，顺流式就优于逆流式，因为顺流式进出口端的温度比较平均不像逆流式那样，热、冷流体的高温段都集中在一端，低温部分集中于另一端，易于因两端收缩不同而产生热应力。
（5）流量小而粘度大（??1.5?10?3~2.5?10?3Pa?s）的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re>100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。
（6）对于有毒的介质或气体介质，必使其不泄露，应特别注意其密封，密封不仅要可靠而且还要求方便和简单。
（7）应尽量避免采用贵金属，以降低其成本
以上这些原则有的是相互矛盾的，所以在具体设计时应综合考虑，决定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。
适于通入管内空间（管程）的流体：
（1）不清洁的流体 因为在管内空间得到较高的流速并不困难，而流速高时，悬浮物不易沉淀，且管内空间也易于清洁。
（2）体积小的流体 因为管内空间的流动截面往往比管外空间的流动截面小，流体易于获得必要的理想流速，而且也便于做多程流动。
（3）有压力的流体 因为管子承压能力强，而且简化了壳体的密封要求。
（4）腐蚀性强的流体 因为只有管子及管箱才需要用耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的所有零件均可用普通材料制造，所以可以降低造价。此外，在管内空间装设保护用的衬里或覆盖层也比较翻遍，并容易检查。
（5）与外界温差较大的流体 因为可以减少热量的散失。
宜于通入管间空间（壳程）的流体：
（1）当两流体温度相差较大时，α值较大的流体走管间 这样可以减少管壁与壳壁间的温度差，因而也减少了管束与壳体间的相对伸长量，故温差应力可以降低。
（2）若两流体的给热性能相差较大时，α值较小的流体走管间 此时可用 10
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翅片管来平衡传热面两侧的给热条件，使之相互接近。［www.61k.com]
（3）饱和蒸汽 以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。
（4）粘度大的液体 管间的流动截面与方向都在随时变化，在低雷诺准数下，管外给热系数比管内大。
（5）被冷却的流体 可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。 （6）泄漏后危险性大的流体 可以较少泄露机会，以保安全。
此外，易析出结晶、沉渣、淤泥以及其它沉淀物的流体，最好通入比较更容易清洗的流动空间，在管壳式换热器中，一般易清洗的是管内空间。但在U形管、浮头式换热器中，易清洗的都是管外空间。
2.4 流体流速的选择
增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。
表2-4-1 列管换热器内常用的流速范围
表2-4-2 液体在列管换热器中流速（在钢管中）
此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管
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子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。(www.61k.com)管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。
2.4 流体流动方式的选择 除逆流和并流之外，在壳管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或壳程越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。
2.5 流体温度和流体终温的确定
冷却介质（或加热介质）终温的选择在换热器的设计中，进、出换热器物料的温度一般是由工艺确定的，而冷却介质（或加热介质）的进口温度一般为已知，出口温度则由设计者确定。如用冷却水冷却某种热流体，水的进口温度可根据当地气候条件作出估计，而出口温度需经过经济权衡确定。为了节约用水，可使水的出口温度高些，但所需传热面积加大；反之，为减小传热面积，则可增加水量，降低出口温度。一般来说，设计时冷却水的温度差可取3~10℃。缺水地区可选用较大温差，水源丰富地区可选用较小的温差。若用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。
2.6 材质的选择
壳管式换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。
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3 结构初步设计计算
3.1 设计方案确定/
本次设计题目为壳管式干式蒸发器设计，制冷剂走管程，水走壳程，逆流换热，换热器类型选择U型管式换热器，两管程一壳程结构。（www.61k.com]换热管采用φ9.52×0.5mm规格的内螺纹铜管。
3.2 设计条件确定
制冷剂 R22
换热量 Q0?50kW
蒸发温度 t0?2℃
℃ 冷凝温度 tk?32
℃ 冷冻水进口温度 t1?12
冷冻水进口温度 t2?7℃
3.3 制冷剂质量流量计算
制冷剂进口焓值
h3?239.35kJ/kg
制冷剂进口焓值
h1?406.24kJ/kg
制冷剂侧制冷流量
Q050Mt???0.30kg/s h1?h3406.24?239.35
3.4 冷冻水流量计算
冷冻水比热容
c?4.187kJ（/kg?℃)
水侧的质量流量
m?Q050??2.39kg/s c(t1?t2)4.187?(12?7)
m2.39?2.39?10?3m3/s 1000水侧的体积流量 vm???
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3.5 对数传热温差初步计算
平均传热温差
?tm=t1?t212?7==7.21℃ t1?t012?2（）ln（）ln7?2t1?t0
3.6 管长初步计算
取换热系数K?2400W（/m2?℃)（采用一般的铜光管时，换热器的传热系数为523～580W（/m2?℃)，如果采用小直径铜管密排时，传热系数可提高为1000～
/m2?℃)，采用强化管传热系数会有更大的提高，能提高多少，根据铜光1160W（
管时的水速和制冷剂的质量流速而定，即为水侧的换热系数和制冷剂侧换热系数而定）。（www.61k.com］则在此换热系数下换热器的换热面积
Q50?103
F?==2.89m2 K?tm2400?7.21
考虑过热、折流板和管板30%的安全余量（初步规划的换热面积要考虑过热度对传热系数的影响，因此规划的换热面积要比校核计算的换热面积提高15%～30%左右，根据过热度的大小，选择合适的范围，另外，管板及折流板占据了换热面积不参与换热，因此初步规划的换热面积要再提高5%左右），则换热面积
F?2.89?1.3=3.75m2
假定制冷剂质量流速?t=98kg（（为了保证润滑油带回压缩机，制冷剂/m2?s）
在换热管的出口流速要大于4m/s，此时制冷剂的质量流速一般为?t=100kg（/m2?s）左右，质量流速越大，制冷剂侧和整体的换热系数越高，该假定值后面会有校核）。
单管程热交换器的管程流通截面积
At?Mt
?t=0.30=3.06?10?3m2 98
单管程的管数
4At4?3.06?10?3
n???53.65根 22?di3.14?0.00852
取整为54根。
为满足热计算所需的传热面积，每根管子的长度
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L?F2.89==2.60m ?din3.14?0.00852?54
已知管程数为ct?2，则每一程的换热管长
L??L2.60==1.30m 22
总管数
Zt?ctn?2?54?108根
实际的制冷剂质量流速为
?t?=Mt
di2=0.30?4=97.36kg（/m2?s) 23.14?0.008524
与假设值?t=98kg（接近，故假设值合理。(www.61k.com) /m2?s）
3.7 结构初步设计
管板厚度?B?30mm
折流板数Nb?19
折流板直径db?176mm
折流板厚度?b?5mm
上缺口高H1?45mm
下缺口高H2?45mm
上缺口管数nb1?21根
下缺口管数nb2?21根
折流板间距s2?55mm
管板与第一个折流板间距s1?95mm 最后一个折流板距与换热管管端间距s3?90mm 壳体直径附近的管数ndi?12根 据作图法得到壳体内径Ds?178mm 实际管长
l??B?s1+(Nb-1)s2+Nb?b?s3 ?30?95?(19?1)?55?19?5?90 1000
?1.3m
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该值与初步计算的管长1.30m相等，故初步设计合理。［www.61k.com) 实际参与换热的管长
l??s1+(Nb-1)s2?s3
?95?(1?9?1)?5590 1000
?1.175m
实际有效传热面积
F0??d0Ztl?=3.14?0.00952?108?1.175=3.79m2
以上结构尺寸在后面结构总体设计中均有校核。 16
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4 换热器计算
4.1 壳程换热系数计算
折流板的平均间距
s ?s1?(Nb?1)s2+s385?(19?1)?55+100=/1000=0.0587m Nb?119?1
横向流通截面积
Ac?(Ds?ncdo)s=(0.178-12?0.00952)?0.0587=0.0037459m2 横向流速
vm2.39?10?3
uc=?=0.6376m/s Ac0.0037459
折流板上、下缺口面积按下面两个公式计算。(www.61k.com]计算时Kb值取自表4-1-1中。
1Ab1?Kb1Ds2?nb1?do2 4
1Ab2?Kb2Ds2?nb2?do2 4
表4-1-1 Kb的数值
由于 H1/Ds?H2/Ds?0.044/0.178?0.25
故Kb取值为Kb1=Kb2=0.154
折流板上缺口面积
1Ab1?Kb1Ds2?nb1?do2 4
1?0.154?0.1782?21??3.14?0.009522 4
?0.00338529m2
折流板下缺口面积
1Ab2?Kb2Ds2?nb2?do2 4
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1?0.154?0.1782?21??3.14?0.009522 4
?0.00338529m2
上、下缺口面积的平均值
Ab?1(Ab1?Ab2)?0.00338529m2 2
纵向流速
vm2.39?10?3
ub=?=0.7055m/s Ab0.00338529
uc与ub的几何平均值
u???0.6707m/s 冷冻水平均温度
11ts=(t1?t2)=?(7?12)?9.5?C 22
据此温度查得水的物性数据为： 普朗特常熟 Pr 3f?9.7
运动粘性系数 ??1.282?10?6m2/s 导热率 ??0.575W/(m??C) 则水的雷诺数
Ref?udo
?=0.6707?0.00952=4980 ?61.282?10
管外换热系数计算
?o=0.22?
doRef0.6Prf0.33
=0.22?0.575?49800.6?9.730.33 0.00952
=4654.71W（/m2?℃)
4.2 管内换热系数的计算
假定蒸发器按内表面计算的热流密度qi=9700W?m2（此假定将在后面检验），则管内换热系数
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表4-2-1 系数与蒸发温度的关系
0.2
qi0.6?m
?i=57.8c0.2
di
式中 di——换热管内径；
c ——系数，查表4-2-1可得；
?m——制冷剂质量流速。（www.61k.com)
本设计中制冷剂为R22，蒸发温度为2?C，故c取值0.02332。 则管内换热系数
qi0.6?t0.2
?i=57.8c0.2
di
97000.6?980.2
=57.8?0.02332? 0.2
0.00852=2157.13W（/m2?℃)
4.3 制冷剂流动阻力及传热温差的计算
4.3.1 制冷剂的流动阻力计算 饱和制冷剂蒸气在t0?2℃时的比容
???=0.04427m3/kg
该状态下的密度
11==22.59kg/m3 ???0.04427
???=
饱和制冷剂蒸气的流速
u???
?t98==4.34m2/s ???22.59
蒸发器出口处的蒸发温度t0?2℃，据此从物性表中查得R22制冷剂蒸气的物性参数如下：
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普朗特常熟 Pr???0.726
70m2/s 运动粘性系数 ????5.35?2?1
则制冷剂蒸气的雷诺数
Re???u??di4.34?0.00852==69065 ?7???5.352?10
沿程阻力系数
?=0.31640.3164==0.0195 (Re??)0.25(69065)0.25
饱和蒸气的沿程阻力
l1?p1????ct???u??2 di2
=0.0195?2?1.301??22.59?4.342?10?6 0.008522
=0.001266MPa
??两相流动时制冷剂的沿程阻力?P2??=?R?P1，式中?R从表4-3-1中取值。[www.61k.com]
表4-3-1 两相流动时，R22阻力的换热系数与质量流速的关系
本设计中?R取值为0.6652。
故两相流动时制冷剂的沿程阻力
???P2??=?R?P1=0.6652?0.00127=0.000842MPa
总阻力
?P=5?P2??=5?0.000842=0.004211MPa
制冷剂侧的流动阻力小于小于0.01MPa是合理的，故本次设计压降在合
适的范围之内。
4.3.2 实际对数平均温差
在t0?2℃附近，压力每变化0.1MPa,饱和温度约变化5.5℃，因此蒸发器进口处制冷剂冷剂的温度为
to1?to?5.5?P0.004211=2+5.5?=2.23℃ 0.10.1
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实际对数平均温差
?tm?(t2?t01)?(t1?t0)(7?2.23)?(12?2)==7.06℃ 201lnln(12?2)(t1?t0)
4.4 传热系数K0及按内表面计算的热流密度qi
4.4.1 传热系数K0
换热器总的传热系数
K0=1
dd1(??i)o?t(o)?(??o)?idi?tdm?o1
式中： ?t——铜管的壁厚，m，取值0.0005；
dm——铜管的均直径，m，取值0.00902；
/m?℃)，取值380。（www.61k.com] ?t——铜管的导热系数，W（
（m2?℃）/W，本设计中制冷剂流速较高，润滑?i——管内侧污垢系数，
油在高速下被带出，故管内污垢系数取值0；
（m2?℃）/W，取值8?10?5。 ?0——管外侧污垢系数，即水侧污垢系数，
则
Ko=1 10.009520.00050.009521(?0)???()?(?8?10?5)2157.130.008523800.009024654.71
=1228.18W（/m2?℃)
由于上面换热系数计算过程是换热管为铜光管的计算过程，而本设计采用的换热管为内螺纹铜管，经实验得到采用内螺纹铜管时换热器总的换热系数约提高一倍。
故换热器实际的换热系数约为
Ko??=2Ko=2?1228.18=2456.36
/m2?℃)相符，故假定值合理。 该值与结构初步设计中假定的K?2400W（
4.4.2 按内表面计算的实际热流密度
qi???do0.00952(Ko???tm)??(2654.36?7.06)?9694.5W?m2 di0.00852
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该值与假定值qi=9700W?m2相近，故假定值合理。[www.61k.com)
4.5 所需传热面积
3Q50?10OFO???==2.88m2 KO???tm2456.36?7.06
前已述及，初步规划的实际有效传热面积为F0=3.79m2。
FO?FO??3.79?2.88==30% 2.88??FO
说明换热面积满足要求，并且有30%左右的余量。 22
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5 总体结构设计
5.1 换热管设计
（1）管程分程
换热器的换热面积较大而管子又不是很长时，就得排列较多的管子。[www.61k.com）为了提高流体在管内的流速，增大管内传热系数，就必须将管束分程，分程可采用不同的组合方法，但是每程中的管数应该大致相同，分程隔板应该尽量简单，密封长度应短。管程数一般有1、2、4、6、8、10、12等七种。偶数管程的换热器无论对制造、检修或是操作都比较方便，所以使用最多。除单程外，奇数管程一般少用，程数不能分的太多，不然隔板要占去相当大的布管面积。
本换热器类型为U型管式换热器，因为U型管换热器的管路进出口是对称的，故取对称两程。
（2）换热管的规格和尺寸偏差
本设计换热管选用江苏高新张铜股份有限公司生产的φ9.52×0.32mm规格的内螺纹铜管，计算时按照φ9.52×0.5mm规格的光管计算。 具体规格参数见表5-1-1。
表5-1-1 内螺纹管规生产规格
（3）换热管的排列型式
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换热管的排列型式主要有以下四种。[www.61k.com]
图5-1-1 换热管的排列型式
等边三角形排列用的最为普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列的管子数最多，便于管板的划线和钻孔。但管间不易清洗，TEMA标准规定，当壳程需要机械清洗时，不得采用三角形型式。
在壳程需要进行机械清洗时，一般采用正方形排列，管间通道沿整个管束应该是连续的，而且要保证6mm的清洗通道。
图5-1中（a）和（d）两种排列方式，在折流板间距相同的情况下，其流通截面要比（b）和（c)两种的小，有利于提高流速，因此更加合理些。
本设计换热器换热管即采用（a）三角形排列方式。
（2）换热管中心距
表5-1-2 热管中心距
换热管中心距，最小应为管子外径的1.25倍，多管程的分程隔板处的换热管中心距，最小应为换热管中心距加隔板槽密封面的厚度，以保证管间小桥在胀接时有足够的强度。在次啊用焊接方法连接管板和管子时，管间距可以小些，但是要保证壳程清洗时，由6mm的清洗通道。当壳程用于蒸发过程时，为使气相更好地逸出，管间距可以大到1.4倍管外径。按GB151-1999规定，常用的换热管中心距见表5-1-2。
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图5-1-2 分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn
对于换热管外径为9.52mm的管子，换热管中心距取13mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距为28mm。(www.61k.com)由于换热器类型选择的是U型管换热器，所以在确定铜管长度时在结构计算中得出的铜管长度基础上，还应该加上铜管弯曲的那一段长度。
（3）换热管排列原则
1.换热管的排列应该使整个管束完全对称。
2.在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板的距离规定的范围内，应该全部布满换热管。
3.拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。在靠近折流板缺边的位置处应布置拉杆，其间距小于或等于700mm。
4.多管程的各程管数应尽量相等，其相对误差应控制在10%左右，最大不能超过20%。
5.2 壳体结构设计
5.2.1 壳体壁厚的确定
壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。管壳式换热器的壳体通常是由管材或板材卷制而成的。当直径小于400mm时，通常采用管材和管箱壳体。当直径不小于400mm时，采用板材卷制壳体和管箱壳体。其直径系列应与封头、连接法兰的系列匹配，以便于法兰和封头的选型。一般情况下，当直径小于1000mm时，直径相差100mm为一个系列；当直径大于1000mm时，直径相差200mm为一个系列，若采用旋压封头，其直径系列的间隔可取100mm。
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表5-2-1 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度
而由上表知可取壳体壁厚为8mm。［www.61k.com） 5.2.2 壳体直径的确定
在确定壳体直径时，应先确定内径。壳体内径与管子的排列方式密切相关。在排列管子时，要考虑每一拉杆也占一根管子的位置。分程隔板和纵向隔板所占位置也增大了壳体内径。因此，在确定内径，尤其是多程热交换器的内径时，最可靠的方法是通过作图。
图5-2-1 换热器布管图
粗估内径：
Ds=(b-1)s?+ 2b式中： s——换热管管间距；
b?——管束中心线上最外层管中心至壳体内壁的距离，一般取； b?=(1~1.5)dd0为管外径）0（
b——沿六边形对角线上的管数。b值也可作如下估算，当管子按等边三角形排列时，
本设计中取：
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b?=1.5d0=0.01428m；
b=1.1根，取整12根。(www.61k.com］
则粗估内径
Ds=(b-1)s+2b?=(12-1)?0.013+0.01428=0.172m
据作图得到壳体内径为178mm，与粗估值接近，图5-2-1为换热器布管平面图。
5.3 进出口设计
在换热器的壳体和管箱上一般均装有接管或接口以及进出口管。在壳体和大多数管箱的底部装有排液管，上部设有排气管，壳侧也常设有安全阀接口以及其他诸如温度计、压力表、液位计和取样管接口。对于立式管壳式换热器，必要时还应设置溢流管。由）于在壳体、管箱壳体上开孔，必然会对壳体局部位置的强度造成削弱。因此，壳体、管箱壳体上的接管设置，除考虑其对传热和压降的影响外，还应考虑壳体的强度以及安装、外观等因素。
5.3.1 壳程接管设计
接管外伸长度 接管外伸长度也叫接管伸出长度，是指接管法兰面到壳体（管箱壳体）外壁的长度。可按下式计算：
l=h?h1???15
式中 l——接管外伸长度，mm；
h——接管法兰厚度，mm； hl——接管法兰的螺母厚度，mm； δ——保温层厚度，mm。
除按上式计算外，接管外伸长度也可由表5-3-1的数据选取。
表5-3-1 PN<4.0MPa的接管外伸长度
壳程接管直径取60mm，因为换热器无保温层，故δ=0mm。因此壳程接管外伸长度取为150mm。
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5.3.2 管程接管设计
接管开孔满足下面要求时，可不另设补强：
设计压力不大于2.5MPa；
两相邻开孔中心的间距（对于曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；
接管公称外径不大于89mm；
表5-3-2 接管最小壁厚
接管最小壁厚满足表5-3-2要求。(www.61k.com)
本次设计制冷剂进口开孔直径取22mm，出口开孔直径取35mm， 进口接管壁厚取4mm，出口接管壁厚取5mm。 因此管程接管可以不另设补强。管程接管外伸长度根据实际用途做改变。
5.3 端盖设计
由于本次设计的蒸发器压力较低，故可选择平盖形式的管箱，即端盖。端盖厚度选择与壳体厚度一样，取8mm。端盖进深取35mm。端盖尺寸详见图5-3-1。
图5-3-1 端盖平面图
5.4 管板设计
管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个主要受压元件。对于管板的设计，除满足强度要求外，同时应合理考虑其结构设计。
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（1） 管板厚度
下图为固定式管板式换热器兼作法兰的管板，管板与法兰连接的密封面为凸面，分程隔板槽拐角处，倒角10×45°。(www.61k.com］
图5-4-1 整体管板结构 图5-4-2 堆焊管板结构
图5-4-1为碳钢、低合金钢和不锈钢制整体管板，碳钢、低合金钢管板的隔板槽宽度为12mm，不锈钢管板为11mm，槽深一般不小于4mm。
（2）管板最小厚度
表5-4-1 胀接时的管板最小厚度
管板最小厚度除满足计算要求外，当管板和管热管采用焊接时，应满足结构式就和制造的要求，且不小于12mm。若管板采用复合管板，其复层的厚度应不小于3mm。对有腐蚀性要求的复层，还应保证距复层表面深度不小于2mm的复层化学成分和金相组织复层材料的要求。
图5-4-3 管板尺寸布置图
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当管板和换热管采用胀接时，管板的最小厚度（不包括腐蚀裕度）应满足表5-4-1。[www.61k.com)
本此设计管板选材为碳钢，厚度取值为30mm，管板开口槽深5mm，槽宽12mm，即分程隔板厚度为12mm。图5-4-3为管板尺寸图。
5.5 折流板设计
折流板的结构设计，主要根据工艺过程及要求来确定，设置折流板的主要目的是为了增加壳程流体的流速，提高壳程的传热膜系数，从而达到提高总传热系数的目的。同时，设置折流板对于卧式换热器的换热管具有一定得支撑作用，当换热管过长，而管子承受的压应力过大时，在满足换热器壳程允许压降的情况下，增加折流板的数量，减小折流板间距，对于焊接换热管的手里状况和防止流体流动诱发震动有一定的作用。而且，设置折流板也有利于换热管的安装。
5.5.1 折流板型式
折流板的型式由弓形折流板、圆盘-圆环形（也称盘-环形）折流板和矩形折流板。最常用的折流板是弓形折流板和圆
盘-圆环形折流板。
此换热器使用弓形折流板。而弓形
折流板又分为单弓形、双弓形和三弓形，
大部分换热器都采用单弓形折流板。其
流体流动方式及结构型式见图5-5-1
5.5.2 折流板尺寸
（1）弓形折流板的缺口高度
弓形板折流板的缺口高度应使流体
通过缺口时与横过管束时的流速接近。
缺口大小用切去的弓形高度占到圆筒直径的百分比来确定单弓形折流板缺口见
右图。缺口弦高也可取0.20～0.45倍的
圆筒内直径。弓形折流板的缺口按右图
切在管排中心线以下，或切与两排管孔
的小桥。
30 图5-5-1 弓形折流板介质流动方式及 结构形式图
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（2）折流板最小厚度
表5-5-1 折流板最小厚度
（3）折流板管孔
I级管束（适用于碳素钢、低合金钢和不锈钢换热器）折流板或支持板管孔直径及允许偏差应符合表5-5-2。[www.61k.com］
表5-5-2 I级管束管孔直径及允许偏差
（4）折流板直径及允许偏差
用DN≤426mm无缝钢管做壳体时，折流板名义外径为无缝钢管实际内径减2mm。
（5）折流板的布置
一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口接管，其余折流板按等距离布置。
（6）折流板间距
折流板最小间距一般不小于圆筒内直径的五分之一，且不小于50mm；特殊情况下也可取较小的间距。
综上所述，本次换热器设计折流板参数如下：
折流板的缺口弦高取圆筒内直径的25%，取值为45mm； 折流板厚度取5mm；
折流板上的管孔直径在换热管外径基础上增加0.4mm，即9.92mm； 壳体内径为178mm，故折流板直径取为176mm； 折流板间距均相等，取为55mm；
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第一个折流板与管板之间的间距取为95mm；
最后一个折流板距离U型管弯曲处的距离取为90mm，且考虑到U型管的尾部支撑，最后一个折流板选择具有一定支撑作用的钢制折流板。［www.61k.com]
折流板具体样式见图5-2-2和5-2-3。
图5-5-2 折流板切割尺寸图 图5-5-3 最后一个钢制折流板尺寸图
5.6 拉杆和定距管
5.6.1 拉杆的直径和数量
拉杆的直径和数量可以从表5-6-1和表5-6-2中选取。
表5-6-1 拉杆直径选用表
表5-6-2 拉杆数量选用表
由于换热管外径为9.52mm，故拉杆直径取8mm，其数量为4。
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5.6.2 拉杆的位置
拉杆的布置位置见下图5-6-1。（www.61k.com]
图5-6-1 拉杆布置尺寸图
5.6.3 定距管尺寸
定距管的尺寸，一般与所在换热器的换热管规格相同。对管程是不锈钢，壳程是碳钢或低合金钢的换热器，可选用与不锈钢换热管外径相同的碳钢管作定距管。定距管的长度，按实际需要确定。
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5.7 结构部件明细表
换热器各结构具体尺寸及材料明细见表5-7-1，换热器整体结构图见附图1。[www.61k.com）
表5-7-1 结构明细表
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6 U型管换热器的制造、检验和验收
换热器的制造、检验和验收要遵守GB151-1999第6章和GB150-1998第10章规定。（www.61k.com］
6.1 换热器的制造
6.1.1 换热器的主要受压部分的焊接接头
GB151-1999中规定的焊接接头分为A、B、C、D四类，如图6-1-1所示。对于本设计中的U型管式换热器来说，涉及到了其中的A、C和D三种：
图6-1-1 列管式换热器的A、B、C、D四类焊接接头
6.1.2 管箱、壳体和头盖
用板材卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，外圆周长允许上偏差为10mm；下偏差为零。
用钢管作圆筒，其尺寸允许偏差应符合GB/T8163和GB/T14976的规定。壳体内壁凡有障碍管束顺利装入或抽出的焊缝均应磨至与母材表面齐平。在壳体上设置接管或其他附件而导致壳体变形较大，影响管束顺利安装时，应采取防止变形的措施。
在本设计中，接管接头不应伸出管箱、壳体的内表面。
6.1.3 换热管
在换热管拼接时，应符合以下要求：
（1）对接接头应作焊接工艺评定试件的数量、尺寸、试验方法按JB4708规定；
（2）同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；
（3）管端坡口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净；
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（4）对接后应用14.25mm直径的钢球对焊接接头进行通球检查以钢球通过为合格；
（5）对接接头应进行射线检测，抽查数量应不少于接头总数的10%，以JB4730的Ⅱ级为合格；如有一条不合格时，应该加倍检查；再出现不合格时，应该100%检查；
（6）对接后的换热管，应逐根进行液压试验，试验压力为设计压力的2倍。(www.61k.com］
6.1.4 管板
拼接的管板的对接接口应进行100%的射线，按JB4730射线检测不低于Ⅱ级为合格。
管板材料为碳钢，拼接后管板应作消除应力热处理。
管孔直径为9.92mm，允许上偏差为+0.4，下偏差为零。钻孔后应检查60°管板中心角区域内的管孔，在这一区域内允许有4%的管孔上偏差比其允许的上偏差的数值大0.15mm。
管板与管束是强度胀接的，所以管孔表面粗糙度Ra值不大于12.5μm。
胀接时，管孔表面不应有影响胀接紧密性的缺陷。
隔板密封面应与环形密封面齐平，或略低于环形密封面。
6.1.5 换热管与管板的连接
连接部位的换热管和管板孔表面应清理干净，不应留有影响胀接连接质量的毛刺、铁屑、锈斑、油污等。
胀接连接时，其胀接长度，不应伸出管板背面（壳程侧），换热管的胀接部分和非胀接部分应圆滑过渡，不应有急剧的棱角。
6.1.6 折流板、支撑板
折流板、支撑板的管孔直径为9.5、92，允许公差上偏差为+0.40，下偏差为0。但允许超差0.1mm的管孔数不得超过4%。
折流板、支撑板外圆表面粗糙度Ra值不大于25μm，外圆面两侧的尖角应倒钝。
应去除折流板、支撑板上任何毛刺。
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6.1.7 管束的组装
拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管。[www.61k.com)
穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤。
除换热管与管板间的焊接外，其他零件均不准与换热管相焊。
6.1.8 换热器的密封面
应予以保护，不得因磕碰划伤、电弧损伤、焊瘤、飞溅等而损坏密封面。 密封垫片应为整体垫片，特殊情况下允许拼接，但垫片拼接接头不得影响密封性能。
补强圈的信号孔，应在压力试验前通入0.4~0.5Mpa 的压缩空气检查焊接接头质量。
6.1.9 换热器的组装
换热器零、部件在组装前应认真检查和清扫，不应留有焊疤、焊接飞溅物、污锈及其他杂物等。
吊装管箱时，应防止管束变形和损伤换热管。
螺栓的紧固至少应分为三遍进行，每遍的起点应相互错开120°。
6.1.10 无损检测
焊接接头无损检测的检查要求和评定标准，按GB 150-1998中10.8的规定和图样要求执行。
在本设计中的换热器允许对其A类、B类焊接接头进行局部射线或超声检测，检测长度不得少于各条焊接接头长度的20%，且不小于250mm，射线检测时不低于Ⅲ级为合格，超声检测时不低于Ⅱ级为合格。
6.1.11 压力试验
压力试验的方法及要求应按GB150 -1998中10.9的规定。
U形管式换热器压力试验顺序：
（1）用试验压环进行壳程试验，同时检查接头，
（2）管程试压：
液压试验压力：
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pT?1.25p[?] t[?]
气压试验压力：
[?] pT?1.15pt[?]
式中： pT－试验压力，MPa
p －设计压力，MPa
[?]－容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa
[?]t－容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa
6.1.12 铭牌
铭牌上应包括以下内容：
（1）制造单位名称及制造许可证号码；
（2）制造单位出厂编号；
（3）产品名称；
（4）产品图号或设备位号；
（5）产品型号；
（6）折流板间距；
（7）设计温度（分管程和壳程）；
（8）试验压力（分管程和壳程）；
（9）类别；
（10）重量；
（11）制造日期；
（12）监检标记。(www.61k.com）
铭牌的材料应具有耐腐蚀性，一般为黄铜、铝或协定规定的其他材料。
6.2 安装、试车和维护
应根据换热器的结构型式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要。
6.2.1 安装
换热器安装前应抽芯检查、清扫。抽管束时应注意保护密封面和折流板。移动和起吊管束时，应将管束放置在专用的支撑结构上，在本设计中为特殊设计的 38
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支撑板。[www.61k.com)以免损伤换热管。
活动支座的地脚螺栓应装有两个锁紧的螺母，螺母与底板间应留有1-3mm的间隙。
地脚螺栓两侧均应有垫铁。设备找平后，斜垫铁可以与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。
垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨。
应在不受力的状况下连接管线，避免强力装配。
拧紧换热器螺栓时，一般应起点错开120°，并应涂抹上适当的螺栓润滑剂。
6.2.2 试车
试车前应清洗整个系统，并在入口接管处设置过滤网。
系统中如无旁路，试车时应增设临时旁路。
开启放气口，使流体充满设备。
开车或停车过程中，应缓慢升温和降温，避免造成压差过大和热冲击。
6.2.3 维护
换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行。
应经常对管、壳程介质的温度及压降进行监督，分析换热器的泄漏和结垢情况。
在压降增大和传热系数降低超过一定数值时，应该根据介质和换热器的结构，选择有效的方法进行清洗。应该经常监视管束的振动情况。
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结论
本文旨说明壳管式干式蒸发器的设计计算过程。［www.61k.com)
本文伊始首先叙述了本课题所研究的背景和任务，同时对干式蒸发器及管壳式换热器的概况进行了详细的介绍，其中包括管壳式换热器的历史、结构和特点、未来发展以及强化换热技术在换热管中的应用。然后，简单而又系统的介绍了设计与选型的基本步骤。
其次，本文总体的思路是以设计步骤为主线，应用传热学、流体力学等理论知识基础进行设计计算，根据所计算的结果进行校核。最后，按照整体尺寸设计进行蒸发器的绘图。
以下归纳壳管式干式蒸发器设计的几点结论：
一、蒸发器的传热计算、流动阻力计算和强度计算符合相关要求，能完成课题规定的换热负荷任务，对实际制造提供了理论依据；
二、该蒸发器的设计满足加工工艺要求，可以实际制造；
三、采用的强化管传热系数高，使得换热器结构紧凑，节省了换热管和壳体的材料。
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致谢
岁月如歌，转眼间就要结束我的大学生活，有对即将开启另外一种生活的欣悦，也有对这个我挥洒了四年青春的校园的不舍。［www.61k.com］感激四年来教授我知识的老师们，感激一路走来的兄弟姐妹们。
要特别感谢我的毕业设计指导老师崔四齐老师，在崔老师的悉心指导和严格要求下已完成课题的整个设计。从课题选择、方案论证比较到具体设计，无不凝聚着导师的心血和汗水，崔老师始终给予我精心的指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向崔老师表示深深的感谢。
同时也感谢一起研究和攻克设计难题的同学们，我的毕业设计顺利完成离不开大家的帮助。在和大家一起交流的过程中，我找到了自己的不足和缺点，并及时的改正。
此外，本文参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬！
最后祝各位老师工作顺利，身体健康，万事如意。愿中原工学院的明天更加美好！
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附录
附录1 换热器设计计算表
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三 : 《PHP设计模式介绍》关于本书说明
中国站长站关于《PHP设计模式介绍》的说明
《PHP设计模式介绍》一书的英文原名是“ Guide.to.PHP.Design.Patterns ”，此书由Marco Tabini & Associates, Inc.出版，原作者是Jason E. Sweat。此书的英文版版权由Jason E. Sweat和Marco Tabini & Associates, Inc.公司拥有。本书部分章节是由PHPCHINA翻译和校验并负责整个项目的管理和推进。中国站长站取得PHPCHINA授权刊发并制作专题供广大站长阅读学习。责任编辑谷汶锴，由于水平有限，有所疏漏在所难免,希望大家指正。
关于本书的翻译工作
关于本书的翻译成果属于参与本次项目的所有PHPer共同所有，PHPchina.cn负责为大家维护大家的版权。PHPchina和各位参与项目的PHPer共同拥有此书的中文版权。
第一章 飞凤(feifengxlq)
第二章 forest
第三章 h058
第四章 刀客羽朋
第五章 HRTSEA
第六章 wangyun522
第七章 hosander
第八章 bmli (大宝)
第九章 ses513ses
第十章 飞凤
第十一章 mikale
第十二章 HRTSEA
第十三章 infi_image
第十四、五章 weiwei
第十六章 weiwei+hosander
第十七章 loothinker
第十八章 hosander
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4. 建立中国的PHP使用规范，提供更多的PHP相关的资源
5. 建设PHP工程师人才库，提升中国的PHP人才价值
6. 形成中国的PHP培训和人才体系，提供PHP系统培训和证书认证
7. 组织和协调中国的PHP年度和季度，及不定期的主题场地会议
8. 铺设中国PHP和国外PHP的交流通道，对PHP发展提出中国的建设意见
9. 搭建官方支持的专业的PHP网络交流平台：www.PHPchina.cn
欢迎PHP的爱好者和使用者加入PCC，只要你在我们的网站注册登记，经过审批就可以加入PCC，我们将提供最新的PHP有关新闻，技术支持，获得与 PHP国内外专家的交流机会，参与PCC的各项活动，获得PCC的有关会员的内部支持，参加培训和技术认证。免费享受有关产品和开放代码的下载，加入 php人才宝库，最快获得php工作和项目机会。同时我们希望会员能够为我们中国的php事业贡献自己的力量，多提建议，贡献文章，思路，以及资源。
PCC暂时设在北京市海淀区上地三街9号嘉华大厦C401
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