换热器设计指导书.docx

1、换热器设计指导书空调器主关件设计指导书换热器 编制： 审核： 会签： 审定： 批准： 青岛海尔空调电子有限公司一、总述1、用途32、参考资料及参考标准3二、设计步骤1、基本原理及性能指标32、产品选型2.1 产品类型 42.2产品主要结构及材料选择要求43、设计计算74、安装规范要求11三、设计雷区及规避措施11四、检验要求12一、 总述1、用途这份换热器设计指导书，涉及到所有换热器的分类、换热器的选型、设计标准、安装规范，曾出现的社会问题，保证换热器的稳定可靠性。2、参考资料及标准2.1参考资料制冷换热器设计、制冷原理及设备、传热学2.2参考标准Q/HKT J05101-1999 热交换器J

2、B/T7659.4-1995 氟利昂制冷装置用干式蒸发器JB/T7659.5-1995 氟利昂制冷装置用翅片式换热器JB/T4750-2003 制冷装置用压力容器GB 150 钢制压力容器JB4734 铝制压力容器JB4745 钛制压力容器二、 设计步骤1、 换热器基本原理及性能指标1.1换热器基本原理 在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称为换热器.在这种设备中，至少有两种温度不同的流体参与传热。一种流体温度较高，放出热量；另一种流体温度较低，吸收热量。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

3、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

4、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

5、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：

6、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

7、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

8、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

9、，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

10、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

11、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

12、。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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、令、法规和规程。设计要求：项目壳程管程设计压力设计温度设计压力设计温度水冷冷水式机组用干式蒸发器1.0MPa381.4 MPa38水冷冷水式机组用冷凝器2.0 MPa501.0 MPa45水源热泵式机组用干式蒸发器1.0 MPa381.4 MPa38水源热泵式机组用冷凝器2.5 MPa601.0 MPa55风冷冷（热）水式机组用换热器1.0 MPa552.4 MPa60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

18、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

19、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

20、准化很重要）。从而确定了管板的间隔（管的长度）-210mm）。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）81012141618换热管（直径1/2）根数1281922883354945941.4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

21、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35mm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

22、、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，（

23、一般选为1723mm）。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

24、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：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。2.3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

25、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）-210mm）。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3/4管的情况）：筒体（钢管内径）8101214换热管（直径3/4）根数366710913719.23mm22.20mm19.05mm2.4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。

26、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（56%）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

27、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。排气阀的位置应该是到了现场在连接方面没有什么麻烦。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。排气阀的位置应该是到了现

28、场在连接方面没有什么麻烦。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。关于管板的厚度应确认管的拉伸强度。（2）翅片式热交换器的设计计算一般规定 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KR2240冷凝器在名义工况下传热系数满足下标要求制冷剂传热系数KR2230R134A(R12)252、 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ts12719.5

29、52.5冷凝器名义排热量工况项目参数进风温度t135冷凝温度tk50出口过冷度tu3进出风温差t10迎面风速m/s23结构参数项目管子翅片排数n材料外径D0壁厚0管距S排列方式材料片厚节距参数紫铜7-160.30120-38等边或等腰三角形铝0.100.301.33.516设计条件制冷剂设计压力MPa最高冷凝温度R222.565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。设计资料设计顺序说明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0.2702.03/