《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）150020003000400060008000设计水速（m/s）3.02.92.72.42.11.82、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0.0000860.0000860.0001720.000172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/w4、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Ø 38、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—3 rs1/4(J/kg)1/4和Bm（kg·w/m2·k3· s的值 t ℃NH3R12R22rs1/4Bmrs1/4Bmrs1/4Bm033.519235.8219.74778.2821.2686.681033.275233.8819.57876.6121.03983.302033.010232.0119.37474.7720.79279.653032.715228.3619.19172.8520.51375.814032.383223.11618.96370.7020.19271.655032.027217.0118.70468.2719.81166.84 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（℃）0204060Bf1430187823142686。