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绪论

能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新源开发利用，各种类型的换热器越来越受到工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。

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。喷淋式蒸发器，这种换热器与满液式蒸发器相似，但是它又与满液式蒸发器有区别。这种蒸发器的制冷剂是从换热器的上部喷淋到换热管上，制冷剂只是在换热管上形成一层薄薄的冷剂液膜，这样冷剂在沸腾蒸发时便减少了静液位压力，从而提高了换热效率，其换热效率较满液式机组提高了5倍左右。

1课题的提出和研究内容

1.1课题任务

本课题将喷雾制冷与蒸发器结合，拟设计出一款新型喷射式壳管换热器。明确喷射式换热系数、制冷剂、制冷量、换热器换热系数、换热面积、管排方式、喷嘴布置方式，并进行结构优化设计，最终给出其制冷剂充注量计算方法和结果。

本次设计的蒸发器是50kW喷雾式蒸发器，主要完成的是冷冻水和制冷之间的热量交换，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。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、拉杆、定距杆、法兰、进出口的设计等几个方面。

2传热初步设计计算

2.1设计参数

蒸发器的换热量Q0=50KW；

给定制冷剂：R22；

蒸发温度：2℃，冷凝温度：40℃，

冷却水的进出口温度：进口：12℃，出口：7℃

2.1.1制冷剂流量的确定

制冷剂压焓图：

根据R22热力性质图和表差得:P0=530.83kPa，h1=405KJ/Kg，h2=430KJ/Kg，

PK=1.5MPa，h3=h4=250KJ/Kg，v1=0.04328m3/kgv2=0.01789m3/kgv3=0.00079

制冷剂流量qm=Q0h1-h

2.2传热计算

2.2.1冷媒水的流量

为提高冷媒侧的对流换热系数，采用外螺纹管，根据资料得换热管

用低翅片管序号3，规格φ16×1.5，如图所示：

sf=1.25mm,dt=15.86mm,h=1.5mm,di=11mm,db=12.86mm,每米管长管外表面积a=0.15m2,螺纹管增强系数φ=1.35

铜管导热系数λ=398W/(m2.℃)，按正三角形排列，管距为s=22mm

2.2.2污垢的热阻

管内污垢系数γ1=4.6×10

管外污垢系数γ2=9×10

2.2.3管内换热系数的计算?

冷冻水平均温度ts=12(t

查饱和水物性表得Pr=9.7275,u=1.330×10-6m2/s,导热率λ=0.575W/(m?

冷冻水比热容

c=4.197kJ/(kg?℃)

水侧的质量流量

m=Q0

水侧的体积流量vm=mρ

取水的流速为u=1.6m/s,管程设计为2程。

每流程管子数Z：Z=4vmπ

当Z=16时，冷媒水的实际流速u=4qmπdi2Z=1.57m/s,

管内换热系数为：ai=Nuλdi=88.895×0.5750.011=46

2.2.4管外传热系数的计算

平均传热温差

Δtm=

管外换热系数a0=3.2θ00.82P00.45,其中θ0=tw0-t

2.2.5热系数K0的确定计算

估计壁温和热流密度

传热过程分成两部分：第一部分是热量经过制冷剂的传热过程，其传热温差为θ0；第二部分是热量经过管外污垢层、关闭、管内污垢层以及冷媒水的传热过程。

第一部分热流密度q=αθ0=3.2θ01

第二部分热流密度

q=9.5-tw

用试算法估算tw的值，确定热流密度

由此取tw=4.073℃,q=4404.296w/m2

K0=qΔtm=610.61W/（m2

2.2.5流动阻力计算

对于水，沿程阻力系数?=0.3164Re

冷媒水的总流动阻力：

ΔP=12ρu2

查资料得允许压降，设计合理

2.2.5传热面积和管长确定

传热面积F0=Q0q=11.33

管子有效长度l=2.38m,按国标GB1