换热器设计指导书概要Word格式.docx
《换热器设计指导书概要Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《换热器设计指导书概要Word格式.docx(17页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
但是有的热交换器中也有多于两种温度不同的流体在其中传热的,例如空分装置中的可逆式板翅热交换器。
1.2换热器性能指标
1)传热性能
保证满足生产过程所要求的热负荷。
热交换强度高,热损失少,在有利的平均温差下工作。
2)阻力性能
保证较低的流动阻力,以减少热交换器的动力消耗。
3)机械性能
强度足够及结构合理。
要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构,运行可靠。
4)经济性能
经济上合理是指换热器在满足了其他性能指标的同时,自身的全部费用(包括设备费,运行费等多方面的费用)达到最小。
此外,一台较完善的换热器还应该便于制造,安装和检修,设备紧凑(这对大型企业,航空航天,新能源开发和余热回收装置更有重要意义)等。
2、产品选型
2.1产品类型
换热器按照它们的一些共同特征来加以区分。
1)按照用途来分:
有预热器(或加热器),冷却器,冷凝器,蒸发器等。
2)按照制造换热器的材料来分:
有金属的,陶瓷的,塑料的,石墨的,玻璃的等。
3)按照温度状况来分:
温度工况稳定的热交换器,热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变;
温度工况不稳定的热交换器,传热面上的热流和温度都随时间改变。
4)按照热流体与冷流体的流动方向来分:
顺流式(或称并流式):
两种流体平行地向着同一个方向流动;
逆流式:
两种流体也是平行流动,但他们的流动方向相反;
错流式(或称叉流式):
两种流体的流动方向互相垂直交叉。
当交叉次数在四次以上时,可根据两种流体流向的总趋势将其看成逆流或顺流;
混流式:
两种流体在流动过程中既有顺流部分,又有逆流部分。
5)按照传送热量的方式来分:
间壁式:
热流体和冷流体间有一固体壁面,一种流体恒在壁的一侧流动,而另一种流体恒在壁的他侧流动,两种流体不直接接触,热量通过壁面进行传递;
混合式(或称直接接触式):
这种换热器内依靠热流体与冷流体的直接接触而进行热量传递,例如冷水塔以及喷射式换热器;
蓄热式(或称回热式):
其中也有固体壁面,但两种流体并非同时,而是轮流地和壁面接触。
当热流体流过时,把热量储蓄于壁面,其温度逐渐升高;
而当冷流体流过时,壁面放出热量,其温度逐渐降低,如此反复进行,以达到热交换的目的。
2.2产品主要结构及材料选择要求
2.2.1管壳式热交换器(间壁式)主要结构及材料选择要求
1)管子:
管子构成了换热器的传热面,它的材料应根据工作压力,温度和流体腐蚀性,流体对材料的脆化作用及毒性等决定,可选用碳钢,合金钢,铜,塑料及石墨等。
2)管板:
管板是管壳式热交换器关键零件之一,常用的均为圆形平板。
管板的受力情况比较复杂,影响管板强度的因素很多。
当管板与管子用涨接法连接时,管板的最小厚度(不包括腐蚀裕度)按下表规定;
当用焊接法连接时,最小厚度除满足要求外还要满足结构和制造的要求。
3)分程隔板:
在管箱内安装分程隔板是为了将热交换器的管程分为若干流程。
分隔板的形状应力求简单,并使密封长度尽可能短。
4)纵向隔板,折流板及支持板:
为了提高流体的流速和紊流程度,强化壳程流体的传热,在管外空间常装设纵向隔板或折流板。
纵向隔板在U形管壳式换热器中常有应用。
由于它的安装难度较大,也由于它于壳体内壁之间容易存在间隙而产生流体泄露,在它两侧的流体温度不同又存在热的泄露,往往降低了装设纵向隔板的效果。
考虑到以上两个方面的问题,两块以上的纵向隔板在实际中很少采用。
折流板除使流体横过管束流动外,还有支撑管束,防止管束震动和弯曲的作用。
当设备上无安装折流板的要求(如冷凝换热)而管子无支撑跨距又超过折流板的最大间距时,应该安装一定数量的支持板,用来支撑换热管,防止它产生过大的挠度。
5)挡管和旁路挡板:
挡管和旁路挡管是为了防止流体短路而设立的构件。
挡管是两端堵死的管子,安置在分程隔板槽后面,每根挡管占据一根换热管的位置,但不穿过管板,用点焊的方法固定于折流板上。
旁路挡板可减小管束外环间隙的短路,用他增加阻力,迫使大部分流体通过管束进行热交换。
6)防冲板与导流筒:
处于流体进口处的管束,经常受到高流速的流体的冲刷,故在进口处设一防冲板,使之起防护作用。
在立式交换器中,为使流体更均匀的流入管间,防止流体对进口段管束的冲刷,并减小远离接管处的死区,提高传热效果,可装设导流管。
2.2.2高效间壁式换热器主要结构及材料选择要求
A.螺旋板式热交换器
螺旋板式热交换器的构造主要包括螺旋行传热板,隔板,头盖,连接管等。
各种形式的螺旋板式热交换器均包含由两张厚越2-6mm的钢板卷制而成的一对同心圆的螺旋通道,中心处的隔板将板片两侧流体隔开,冷,热两流体在管板两侧的流道内流动,通过螺旋板进行换热。
B.板式换热器
板式换热器由三个主要部件:
传热板片,密封垫圈,压紧装置及其他的一些部件,如轴,接管等组成。
1)传热板片:
传热板片是板式换热器的关键元件。
它的设计主要考虑两个方面的因素:
a:
使流体在低速下发生强烈紊流,以强化传热;
b:
提高板片刚度,能耐较高的压力。
板片材料有碳钢,不锈钢,铝及合金,黄铜,蒙乃尔合金,钼,钛等。
目前应用最广的是不锈钢。
2)密封垫圈:
为了防止流体的外漏和两流体之间内漏,必须要有密封垫圈。
它安装于密封槽中,运行中承受压力和温度,而且受着工作流体的侵蚀,此外在多次拆装后还要求具有良好的弹性。
对垫圈橡胶质量的要求除了耐蚀,耐温外,还要求其他物理性能满足下列要求根据使用压力不同,硬度一般应在65-90邵氏硬度,压缩永久变形量不大于10%,抗拉强度>
或=200%。
目前广泛使用的有:
天然橡胶,丁晴橡胶,丁苯橡胶,氯丁橡胶,三元乙丙橡胶,硅橡胶等。
3)压紧装置:
它包括固定与活动的压紧板,压紧螺栓。
它将垫圈压紧,产生足够的密封力,使得热交换器在工作时不发生泄露,通过旋紧螺栓来产生压紧力。
对于大型版式换热器,其密封压紧力甚至超过980KN,所以要有坚固的框架。
C.板翅式热交换器
隔板,翅片及封条三部分构成了板翅式热交换器的结构基本单元。
冷热流体在相邻的基本单元的流道中流动,通过翅片及与翅片连成一体的隔板进行换热。
1)隔板:
隔板材料是在母体金属表面覆盖一层厚约0.1-0.4mm,含硅5%-12%的钎料合金,所以又称金属复合板,在钎焊时合金熔化而使翅片与金属平板焊接成整体。
隔板厚度一般为1-2mm,最薄为0.36mm。
2)翅片:
翅片是板翅式换热器的最基本元件。
冷热流体之间的热交换大部分通过翅片,小部分直接通过隔板来进行。
翅片除承担主要的传热任务外,还起着两隔板之间的加强作用。
3)封条:
封条的作用是使流体在单元体的流道中流动而不向两侧外流。
它的上下面均具有0.15mm的斜度,以便在组成板束时形成缝隙,利于钎剂渗透。
D.翅片管热交换器
翅片管是翅片管热交换器中最重要的部件。
管内外流体通过管壁及翅片进行热交换,由于翅片扩大了传热面积,使换热得以改善。
对翅片管的基本要求是:
有良好的传热性能,耐温性能,耐热冲击能力及耐腐蚀能力,易于清理尘垢,压降较底等。
翅片管管子常为圆形,空冷器中为强化传热也用椭圆管。
椭圆管的管外对流换热系数比光管约可提高25%,而空气阻力约可降低15%-25%。
翅片材料根据使用环境和制造工艺来确定。
有碳钢,不锈钢,铝及铝合金,铜及铜合金等。
所用基管材料有碳钢,铬钼钢,不锈钢,铝等。
E.热管换热器
热管是热管换热器的最基本元件,它由管壳,管芯和蒸汽腔组成。
1)热管的管壳是受压部件,要求由高导热率,耐压,耐热应力的材料制造。
但在材料的选择上必须首先考虑到与所要使用的工质的相容性,即要求热管在长期运行中管壳无腐蚀,工质与管壳不发生化学反应,不产生气体。
管壳材料有多种,以不锈钢,铜,铝等较多,也可用贵金属铌或玻璃,陶瓷等。
管壳的作用是将热管的工作部分封闭起来,在热端和冷端接受和放出热量,并承受管内外压力不等时所产生的压力差。
2)管芯是一种紧贴管壳内壁的毛细结构,通常用多层金属丝网或纤维,布等以衬里形式紧贴内壁以减少接触热阻,衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。
2.2.3混合式热交换器主要结构及材料选择要求
A.冷水塔
各种形式是冷水塔,一般包括下面所讲的几个主要部分:
1)淋水装置:
淋水装置又称填料,其作用在于将进塔的热水尽可能形成细小的水滴或水膜,增加水和空气的接触面积,延长接触时间,以增进水气之间的热质交换。
在选用淋水装置的形式时,要求它能提供较大的接触面积并具有良好的亲水性能,制造简单而又经久耐用,安装检修方便,价格便宜等。
2)配水系统:
配水系统的作用在于将热水均匀地分配到整个淋水面积上,从而使淋水装置发挥最大的冷却能力。
2)通风筒:
通风筒是冷水塔的外壳,气流的通道,其作用在于创造良好的空气动力条件,并将排出冷却塔的湿热空气送往高空,减少或避免湿热空气回流。
自然通风冷水塔一般都很高,有的达150m以上,而机械通风冷水塔的风筒一般在10m左右的高度。
B.喷射式热交换器
喷射式热交换器的主要部件有:
工作喷管,引入室,混合室和扩散管。
压力较高的流体称为工作流体。
工作流体通过喷管的膨胀,使其势能转变为动能,以很高的速度从喷管喷出,并将压力较低的流体(称被引射流)卷吸到引入室内。
工作流体把一部分动能传给被引射流,在沿喷射器流动的过程中,工作流体与被引射流体混合后的混合流体的速度渐趋均衡,动能相反地转变为势能,然后送给用户。
2.2.4蓄热式热交换器主要结构及材料选择要求
A.回转型蓄热式热交换器
回转型蓄热式热交换器主要由圆筒形蓄热体(常称转子)及风罩两部分组成。
它又分为转子回转型和外壳回转型。
转子:
转子就是一个蓄热体。
在转子回转型中,转子转动,而风罩不动。
转子回转时,按照一定的周期不断交替地通过冷,热流体通道。
蓄热板由厚为0.5-1.25mm钢板压成的波纹板和定位板两种组件相间排列而成。
蓄热板的形状应不使气体在其上做层流流动,同时能防止它在烟气中发生腐蚀和堵塞。
B.阀门切换型蓄热式热交换器
阀门切换型热交换器由两个相同的充满蓄热体的蓄热室所构成。
蓄热室中的蓄热体大多由耐火砖砌成的“格子砖”构成。
为了连续运行,都具有两个蓄热室。
3、设计计算…………………………………………………
下面介绍经常使用的壳管式换热器、翅片式换热器的设计计算
(1)壳管式热交换器的设计计算
一般规定
壳管式换热器应符合国家相关标准的规定,并按经规定程序批准的图样和技术条件制造。
对于内直径超过150mm或容积大于0.025m3的换热器,属于压力容器,还应遵守国家颁布的有关法令、法规和规程。
设计要求:
项目
壳程
管程
设计压力
设计温度
水冷冷水式机组用干式蒸发器
1.0MPa
38℃
1.4MPa
水冷冷水式机组用冷凝器
2.0MPa
50℃
1.0MPa
45℃
水源热泵式机组用干式蒸发器
水源热泵式机组用冷凝器
2.5MPa
60℃
55℃
风冷冷(热)水式机组用换热器
2.4MPa
资格和职责:
作为压力容器,此类换热器的设计和制造应以标准JB/T4750-2003《制冷装置用压力容器》中3.2条款。
标准工况条件:
1水冷冷水机组用蒸发器/冷凝器:
蒸发温度2℃,过热度5℃/冷凝温度40℃,过冷度5℃。
2水源热泵式机组用蒸发器/冷凝器:
制冷--蒸发温度2℃,过热度5℃/冷凝温度30℃,过冷度5℃;
制热--蒸发温度5℃,过热度5℃/冷凝温度55℃,过冷度5℃。
3风冷冷(热)水机组用换热器:
制冷--蒸发温度2℃,过热度5℃;
制热--冷凝温度50℃,过冷度5℃。
5换热器水侧污垢系数:
取为0.086m2℃/kw。
6换热器的实际换热量不得低于设计换热量的95%。
压力实验:
换热器水侧采用液压实验,实验压力取1.25倍设计压力,保压10min,应无泄漏和异常变形现象。
氟侧采用气压实验,实验压力取1.15倍设计压力。
氟侧气密性实验压力取设计压力,保压10min,应无泄漏和异常现象。
设计资料——设计顺序说明
1干式蒸发器:
1.1管的选定:
决定采用的换热管的种类(光管或内螺纹管),采用简单的经验数值决定必要的总管的长度。
一般标准条件下换热管为直径1/2"的光管:
单系统换热器取13m/Ton制冷量;
双系统换热器取12m/Ton制冷量。
换热管为直径1/2"的内螺纹管:
单系统换热器取11m/Ton制冷量;
双系统换热器取10m/Ton制冷量。
1.2连接用水配管的尺寸:
决定进出水配管的尺寸。
一般参照同行业的设计标准:
标准流量时,流速取2m/s左右、最大不超过3m/s。
根据设计流量和流速计算得出水配管尺寸。
再贴近标准规格钢管进行确定。
1.3确定筒体尺寸:
根据产品的大小选定管板间隔。
根据换热管的标准化,从数种长度中选择一种合适的单管长度。
(从购买以及制造方面来说管的长度标准化很重要)。
从而确定了管板的间隔((管的长度)-2~10mm)。
单根换热管的长度确定后,计算出换热管总根数。
根据不同筒体尺寸能够容纳的换热管数量的经验值,确定筒体直径及长度。
还需考虑的是选定的筒体尺寸必须能够满足相应水配管的安装。
(筒体越小越好,可以降低成本)。
每种筒体可能容纳的换热管根数(对于换热管直径1/2"管的情况):
筒体(钢管内径)
8"
10"
12"
14"
16"
18"
换热管(直径1/2")根数
128
192
288
335
494
594
1.4折流板位置:
决定水折流板的数量、配置。
A.决定折流板的间隔,在标准水量时,使筒体中央的水速为1m/s左右。
水速快虽然可以确保产品的能力、但是因为水的压力损失增加、所以需要选定合适的水量。
水的压力损失标准水量条件下60kPa以下、最大水量条件下100kPa以下。
B.决定水的配管的位置——水的入口和出口的配管是焊接时,有必要把折流板的间隔扩大一些。
另外、固定折流板的定距管因为水的流动震动,注意不要能伤其他的管。
折流板一般选用树脂材料制作,在折流板边缘上设计3~5mm的扉边,可以实现与筒体的过盈配合。
1.5水配管位置:
考虑排气排水的情况决定。
一般采用冷媒和水逆向流的方式。
对于双系统换热器,一同向一逆向流对系统的影响不会很大。
另外为了确保过热度,冷媒的出口和入口水相接触。
1.6冷媒流程(Pass)数的设计:
是偶数还是奇数,根据装置总体的液体配管、气体配管的位置来决定。
冷媒气侧、液侧在换热器同一端时,系统流程数是偶数,否则为奇数。
管的间隔(标准间隔)——使用换热管直径1/2"管的情况易于热交换的间隔如右图所示。
除1/2"管之外、设计相似。
右图的设计是以水向垂直流动为标准的。
1.7决定管的配列:
冷媒从液体变为气体、比容增加、尽可能的使冷媒的速度变为均一,增加各Pass的根数。
另外为了回油容易,配列采用Pass切换的方式使油容易移动到上部的Pass。
确认冷媒的流速:
参照热交换器的标准值。
冷媒侧的压力损失在标准条件下根据温度换算的损失为2℃(0.02MPa)左右。
压力损失过小不容易回油、压力损失过大,导致能力下降。
1.8隔板、封板的设计:
关于隔板的厚度应该使冷媒可以顺畅的通过,(一般选为17~23mm)。
隔板太薄,冷媒的流动损失大。
决定封板上冷媒液管连接的位置——液管位置、使冷媒可以均一的分配到各个配管上。
为了达到分配均一,可以在液体入口安装扩散用的分流器。
决定封板上冷媒气体管连接的位置——气体管的下部内侧面位于隔板的分流部位,使存积在隔板的油易于返回。
1.9排气阀、排水阀:
在筒体安装排气/排水阀——为了排除筒体上部积存的空气,在筒体最上部安装排气阀。
排气阀的位置应该是到了现场在连接方面没有什么麻烦。
为了排筒体内的水、在筒体最下部安装排水阀。
在现场能够连接到排水阀的位置,注意换热器的安装脚的高度、位置。
1.10管壁厚度强度计算:
关于热交换用管、筒体、管板、封板的厚度,通过强度计算来决定。
关于管板的厚度,必须符合管的拉伸强度。
1.11保温材料:
一般水冷式换热器使用20mm的橡塑保温材料。
2管壳式冷凝器
2.1管的选定:
决定采用的换热管的种类(外螺纹高效管),采用简单的经验数值决定必要的总管的长度。
一般标准条件下换热管为直径3/4"的外螺纹高效管:
取2m/Ton制冷量。
2.2连接配管的尺寸:
2.3确定筒体尺寸:
每种筒体可能容纳的换热管根数(对于换热管直径3/4"管的情况):
换热管(直径3/4")根数
36
67
109
137
2.4水侧流程(Pass)数的设计:
是偶数还是奇数,根据装置总体的进出水管的位置来决定。
进出水管在换热器同一端时,换热器流程数是偶数,否则为奇数。
一般选为偶数。
管内水速确定为标准流量时水速2m/s左右、最大3m/s以下。
水速快虽然可以确保能力、但是水的压力损失增加、所以要选择合适的水速。
管的间隔(标准间隔)——使用3/4管的情况易于热交换的间隔如右图所示。
除3/4管之外、设计相似。
筒体上部的空间——确保高温气体沿筒体纵向均一扩散的空间。
大约是筒体直径的30%。
决定管的配列——为了使水速均一,各流程的管的根数尽可能的相同。
管群最下部的管(5~6%)靠近筒体下部、这样容易确保过冷度。
2.5冷媒配管位置:
决定筒体的冷媒液管的连接位置——液管位置为筒体最下部。
为了易于确保过冷却度、液体冷媒和入口的冷却水相接触。
根据需要,为了确保过冷却度,另外设置热交换管。
决定筒体的冷媒气体管的连接位置——气体管的位置为筒体最上部、为了气体均一扩散在入口部安装分流器。
2.6封板的设计:
决定管的配列、设计封板——封板的厚度应确保水可以充分通过。
决定封板上水配管连接的位置——水配管配置在入口的下部、出口的上部。
为了排出管上部存积的空气,把出口配管的内径上部作为管群最上部的位置。
另一方面为了排出管群内的水、把入口配管内径下部作为管群最下部的位置。
2.7排气阀、排水阀:
在封板上安装排气/排水阀——为了排出存积的空气,在封板最上部安装排气阀。
如果水配管是容易排气的结构就不需要。
为了排出筒体内的水、在封板最下部安装排水阀。
如果是从水配管容易排水的结构就不需要了。
2.8厚度强度计算:
关于管板的厚度应确认管的拉伸强度。
(2)翅片式热交换器的设计计算
翅片式热器应符合国家相关标准的规定,并按经规定程序批准的图样和技术条件制造。
设计要求\标准工况条件:
1、热工系数
蒸发器在名义工况下传热系数满足下标要求
制冷剂
传热系数K
R22
≥40
冷凝器在名义工况下传热系数满足下标要求
≥30
R134A(R12)
≥25
2、名义工况
蒸发器名义制冷工况
进风参数
蒸发温度t0
出口过热度△t
迎面风速m/s
干球温度t1
湿球温度ts1
27
19.5
5
2.5
冷凝器名义排热量工况
参数
进风温度t1
35
冷凝温度tk
50
出口过冷度△tu
≥3
进出风温差△t
10
2~3
结构参数
管子
翅片
排数n
材料
外径D0
壁厚δ0
管距S
排列方式
片厚
节距
紫铜
7-16
0.30~1
20-38
等边或等腰三角形
铝
0.10~0.30
1.3~3.5
1~6
设计条件
设计压力MPa
最高冷凝温度℃
65
压力实验:
翅片换热器制成后,应经不低于1.15倍设计压力的气压试验,气压试验时,气体压力应缓慢上升,达到试验压力后,保压10min,降到设计压力后进行检查,应无泄漏和异常变形现象。
1.1换热管、翅片的选定:
决定采用的换热管的种类(光管或内螺纹高效管);
如果是蒸发、冷凝专用盘管,虽然裂隙片性能好、但是需要注意静压损失过大。
如果是制冷制热兼用盘管,考虑到除霜,选用平片好、但是性能下降;
如果是耐腐蚀的规格、室内蒸发盘管,进行防水防锈处理好,但是需要注意的是价格方面比较高。
室外盘管的亲水性处理虽然在使用的初级阶段有效果、但是即使是事先不进行处理,因为外部的灰尘等使其拒水性消失,达到和亲水处理相同的效果、没有什么意义。
采用简单的经验数值决定必要的换热器的规格,如下表所示。
蒸发器
铜管规格-排管数-片距
铜管类型-翅片类型
单位冷吨所需换热面积
风速(m/s)
3/8-2-1.7
内螺纹-平片
0.270
2.0
3/8-2-1.5