1. 套管式蒸发器的设计1.1. 设计参数根据上面确定的设计条件，以及热泵热水机的试验工况[17]，可知，套管式蒸发器设计的相关参数，如表4.1所示。

1.2. 设计热力计算 1.2.1. 热源水流量的计算采用名义制热量及进出口５℃温差确定的水流量，由文献[17]可知，热泵热水机的试验工况。

根据水的定性温度C t t o 21m 5.17215202t =+=+=，由文献[16]查得，水的密度为ρ=998.583/kg m ，水的比热容为cp=4.185kJ/(kg ·K)。

于是，热源水的流量。

体积流量()3119.240.00093/998.58 4.1852015o v p Q q m s c t ρ===∇⨯⨯- （4.1）质量流量0.00093999.580.926/m q kg s =⨯= （4.2）1.2.2. 传热平均温差的计算由上面的设计参数，可知，蒸发器中流体的温度变化如图4.1所示。

图4.1 蒸发器中流体的温度变化由文献[20]可知，对数平均温度计算公式为max minmaxminln lm t t t t t -∆=V V V V （4.3）式中 max t V —进出口温差大者，℃；min t V —进出口温差小者，℃。

于是，蒸发器的对数平均温差为1'1''1'1''()()7.21ln o o o m oot t t t t C t t t t ---∆==-- （4.4）1.2.3. 选管根据文献[6]，采用外螺纹管，选用低翅片[7]管序号3规格φ16×1.5，mm t 4.0=δ，mm s f 2.1=，mm d t 1.15=，mm h 35.1=，mm d i 4.10=，mm d b 4.12=，每米管长管外表面积m m 2of 139.0a =，螺纹管增强系数384.1=ϕ，铜管导热系数)·m (3982℃W =λ，因其增强系数相比较大，有利换热使蒸发器结构紧凑[8]。

图2.1 外螺纹管结构图单位管长的各换热面积计算如下： 每米管长翅顶面积： d a =t tfd s πδ=m m 20158.00012.00004.00151.0=⨯π （2.3）每米管长翅侧面积： f a =22()2t b fd d s π-=m m 2220972.00012.020124.0-0151.0=⨯）（π （2.4）每米管长翅间管面面积： b a =d ()b f t fs s s π-=m m 2026.00012.00004.0-0012.00124.0=⨯）（π （2.5）每米管长管外总面积：of a =d a +f a +b a = m m 2139.0 （2.6） 每米管长管内面面积：i a = m m d i 20327.00104.0==ππ（2.7） 1.2.4. 传热计算1、水侧表面传热系数热源水的流速为0.000930.66/0.0022890.000874v s w n q u m s A A ===-- （4.9）当量直径()()440.0022890.0008740.013473.140.054 3.140.0095214w n e A A d m L -⨯-===⨯+⨯⨯ （4.10）热源水进出口平均温度 C t t o 21m 5.17215202t =+=+=，由文献[16]，水的运动粘度s m v /10081.126-⨯=。

于是，可计算雷诺数460.660.01347Re 10374101.08110s e u d v -⨯===≥⨯ （4.11） 故水在管内的流动状态为湍流。

考虑将套管盘成曲率半径150R mm =的螺旋盘管，盘管水侧换热修正系数为13.471 1.771 1.77 1.159150e R d R ε=+=+⨯= （4.12） 由文献[18]可知，()K m W ⋅⨯=/10275.592-λ，65.7Pr =水侧表面换热系数的公式()0.80.40.80.420.023Re Pr 0.5930.023103747.65 1.1590.013474322/wi f f Red W m K λαε==⨯⨯⨯⨯=⋅ （4.13）2、换热管管内换热系数的计算假定蒸发器换热管管内按内表面计算的热流密度24000/i q W m >（此假定将在后面检验）。

考虑将套管盘成曲率半径200R mm =的螺旋盘管，盘管水侧换热修正系数'8.921 1.771 1.77 1.105200i R d R ε=+=+⨯= （4.14） 由文献[18]可知，换热系数公式计算R imi i d v q c εα2.02.06.08.57= （4.15）管内换热系数i α为()0.60.20.20.60.20.20.6257.816057.80.0241 1.1590.0089211.449/i mi Rii o i q v c d q q W m C αε=⨯=⨯⨯⨯=⋅、 （4.16） 式中 由文献[21]可知，系数0.0241c=；换热管内径m mm d i 00892.092.8==。

单位面积流量s m d q v i m m /16000892.014.310994.944232=⨯⨯⨯==-π3、传热系数0K 及按内表面计算的热流密度i q ① 传热系数0K由文献[18]可知，管内侧的污垢系数20.00009/i m W γ=⋅（℃） ，管外侧的污垢系数20.000086/om C W γ=⋅（）。

由文献[18]可知，传热系数0K 的计算公式111()()()O o o i o i i m o K d d d d δγγαλα=++++ （4.17）蒸发器的传热系数为)/(0003013.0100103.01000086.06320122.952.93800003.092.852.900009.0659.101111126.06.00C m W q q d d d d K i i o o m o i o i i ⋅+=⎪⎭⎫⎝⎛++⨯+⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-γαλδγα（4.18）式中δ—为管壁厚度0.3mm ；λ—为管材的导热系数3802/W m k ⋅；m d —为管子平均直径9.528.929.220.0092222o i m d d d mm m ++====。

② 按内表面计算的热流密度i q)/(21.70003013.0100103.0192.852.926.0m W q t K d d q i m o i o i ⨯+⨯=∆=- （4.19） 用迭代法解得，22/4000/11286m W m W q ≥=，说明前面假定24000/i q W m >是正确的。

③ 传热系数0K 的数值)/(146752.921.792.8112862C m W d t d q K o o m i i o ⋅=⨯⨯=∇=（4.20）所需的传热面积2200001.8917.211467o o m o Q A m t K ===∇⨯ （4.21）管长0 1.891 4.5183.140.0095214l A L m A ===⨯⨯ （4.22） 4、阻力计算由文献[18]可知，阻力计算相关公式 水的沿程阻力系数0.250.250.31640.31640.03135Re 10374ξ=== （4.23） 水的流动阻力为()()221.512998.580.660.03135 6.369 1.5 3.5120.010875463se L u p n d Paξρ⎡⎤∆=+⨯+⎢⎥⎣⎦⨯⨯⎡⎤=⨯+⨯+⎢⎥⎣⎦= （4.24）其中， 6.369s L m =在后面的“4.3.1 蒸发器整体结构设计”可知。

考虑到外部管路损失，热源水泵总压头约为'0.10.0054630.10.105463p p MPa MPa MPa ∆=∆+=+= （4.25）1.3. 蒸发器结构设计及计算 1.3.1. 蒸发器整体结构设计图4.3 套管式蒸发器整体结构图蒸发器整体结构如图4.3所示的相似。

蒸发器外管采用60 3.0mm mm φ⨯的无缝钢管。

将套管成型为曲率半径200R mm =和200mm 直管投影面像运动场螺旋盘管，则可计算得每一圈盘管的长度。

每一圈盘管的长度为m R L m 656.12.022.014.322.022=⨯+⨯⨯=⨯+=π （4.26）所需套管的圈数：4.518 2.731.656m L n L === （4.27） 套管式蒸发器的进出口端面一般情况朝向同一方向，则圈数为3.5、4.5、5.5……另外，由文献[18]可知，蒸发器传热面积需要比较传热计算传热面积大10%-20%，才满足要求，所以满足要求。

本次设计采用进出口端面一般情况朝向同一方向，则设计为3.5圈，并且进出口均向外延伸出0.3m 的接管，则可计算出套管的实际换热管长和蒸发器的高度。

换热管实际长度为m L L m s 369.6230.0656.15.3230.05.3=⨯+⨯=⨯+⨯= （4.28）由 6.396 1.415141.5%4.518s L L ===得，实际冷凝传热面积比传热计算传热面积大41.5%，可作为冷凝传热面积富裕量。

每个蒸发器的高度为0.0640.24h m =⨯=，则蒸发器的总高约为0.24mm 。

1.3.2. 蒸发器零部件设计1、热水进出口接管蒸发器的连接管包括进气管、出液接管以及水的进出口接管。

各连接管内径（按下式计算3.50.302 3.5 1.6560.302 6.396s m L L m =⨯+⨯=⨯+⨯= （4.29）有文献[21]管内径i d （单位为m ）按下式计算i d =（4.30） 式中 v q —过热蒸气、冷凝液体或冷却水的体积流量，/m s ；u —流速，/m s 。

由文献[21]可知，在进出口水接管中，水的流速约为u=1m/s 。

热水的流量由上面可知，30.00093/v q m s =，因为采用一个套管式蒸发器，于是热水进出口接管内径为0.034434.4is d m mm ==== （4.30） 于是由热轧无缝钢管(YB231-70)的规格，选用42 3.0mm mm φ⨯，钢管的内径为36is d mm =。

2、热泵工质进液接管即分液前接管管径，其截面积大小应是换热管面积的总和，则 进液管内径：26 3.148.921228.14i d mm ⨯=⨯= （4.31）于是，根据无缝铜水管、铜气管的外形尺寸及允许偏差，采用32 2.0mm mm φ⨯，即铜管的内径为628i d mm =。