第1章绪论换热器是一种实现物料之间传递热量的节能设备，在石油，化工，动力，食品，轻工等行业应用普遍。

在炼油，化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%—45%。

近年来随着节能技术的发展，换热器的应用领域不断扩大带来了显著的经济效益。

换热器的种类很多，但根据冷，热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。

在三大类换热器中，间壁式换热器应用最多。

间壁式换热器又可分为夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、套管式换热器和壳管式换热器。

其中壳管式换热器（又称列管式）是最典型的间壁式换热器，它在工业应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占有主导的地位。

1.1 课题的提出和研究内容1.1.1 课题背景管壳式冷凝器所涉及到的原理和它应用的领域都十分广泛，特别在制冷工业中蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的冷凝器，大型中央空调的冷水机组中都有其身影。

可以说在民用和工业领域中的重要性不言而喻，所以对其的合理优化设计是非常重要的。

这次的毕业设计是与上海第一冷冻机厂的校企合作项目，上海第一冷冻机厂有限公司始创于1934年，我国第一台活塞式制冷压缩机、第一台离心式压缩机、第一台溴化锂制冷机和第一台螺杆制冷压缩机都诞生在这里！公司现已成为一个集冷冻空调设备研制开发、制造和压力容器制造、压力管道设计及相关工程安装和系统服务于一体的集约化企业。

此次的毕业设计正是为企业设计HSG70-2型冷凝器，也是将大学四年所学知识学以致用。

1.1.2课题任务本课题是按照上海第一冷冻机厂的要求设计HSG70-2型双机头（双回路）管壳式冷凝器。

由于这个型号是工厂第一次设计，所以需要对传热系数，传热面积，外形，流动阻力，压降及冷凝器尺寸和强度进行计算和校核。

由于冷凝器为双机头服务，因此壳体中间需加装中间管板，将壳体一分为二。

要求给出二维零件图、机体总图和三维装配图。

因为此次毕业设计与厂里的产品直接挂钩，所以设计要求较为严格，完全按照生产制造的国家标准进行设计与计算，因此对自身来说是一次挑战，同时也是为今后就业打下坚实的基础。

具体设计条件如表1-1：1.2管壳式热交换器的概述1.2.1换热器的昨天和今天在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。

随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。

在国外二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。

以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。

30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。

接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。

30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。

在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。

60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。

此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展，这一类换热器不但是从材料上有了较大的突破而且采用新颖的理念，增加强化传热。

70年代中期，为了进一步减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，人们更是采用各种科学的办法来增强换热器内的传热。

70年代的世界能源危机，有力促进了换热强化技术的发展。

为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效换热设备。

这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高。

所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。

最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。

同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。

当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics),模型化技术，强化技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[1]。

国外推出的新型换热器有：ABB公司的螺旋折流板换热器(HelixchangerTM) [2]、 NTIW列管式换热器[3]、英国Cal Gavin公司的丝状花内插物换热器(Hitran) [4]、美国Chemineer公司的Kenics换热器(Kenics Heat Exchanger)、日本的SM型换热器(内插静态混合器)、美国的Brown Fintube Ltd.的带扭带插入物的湍流增强式换热器(Exchanger With Turbulator)和麻花扁管换热器(Twisted Tube Heat Exchanger)、澳大利亚Roach Heat Exchangers公司的柔性换热器(Flexible Heat Exchanger)等。

1.2.2 管壳式热交换器的类型，结构和特点(1) 结构：由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。

壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。

进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。

为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。

挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。

等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。

流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。

这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。

同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。

多管程与多壳程可配合应用。

(2) 类型：由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。

如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。

因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。

根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：①固定管板式换热器：管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。

当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。

②浮头式换热器：管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。

浮头式换热器的应用较广，但结构比较复杂，造价较高。

③U型管换热器：每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。

此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。

(3) 特点：管壳式热交换器的主要优点是结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压的要求，虽然它面临着各种新型热交换器的挑战，但由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于优势地位。

如在日本，其产量占全部热交换器的70%，产值占了60%[5]。

1.2.3 壳管式热交换器的强化传热设计强化表面比光滑表面传热更有效。

强化表面的应用可带来以下各种好处：（1）减少换热所需的面积，因而在热负荷和压降一定时，减少换热器的重量；（2）在换热器尺寸，流速，压降一定时，增强换热；（3）换热器尺寸和热负荷一定时，减少泵功率；强化措施包括主动（active）措施和被动（passitive）措施。

被动强化管相对便于制造，对很多应用经济有效，并可应用于改造现有设备，而主动强化方法如管子振动，则价值昂贵而复杂。

因此这里主要介绍与本次所应用的强化换热管相关的被动强化的措施：(1) 扩展表面:扩展表面是紧凑式换热器和壳管式换热器最常用的强化措施，无论是液体换热还是气体换热方式均如此。

利用整体内肋管内强化换热的研究有大量的结构形状，如图1-2所示，尤其紫铜管和铝管已商业化大量运用。

近年来，在制冷系统中，对管内几何形状增强沸腾换热的研究比较多。

另外，其他方法也可以达到强化效果，包括管内粗糙表面，管内插入物。

（a）光管内插扭曲带（b）内螺纹管（c）五倍翅化管（d）光管内插星化物（e）amatron内翅管（f）内波纹面管（g）两面翅化管（h）内直翅管图1-2 现已运用的管内强化表面(2) 表面处理:表面处理包括表面粗糙度细小尺寸的改变及连续的或非连续的表面涂层,例如疏水涂层和多孔涂层。

这样的表面对相交换热的强化效果非常有效。

(3) 粗糙表面:粗糙表面指管子或通道的表面形成具有一定规律性的重复肋一样的粗糙凸出微元体。

粗糙表面的作用通常选择可增强湍流度而不是增大换热表面积。

粗糙表面既可适用于任何常规换热表面，也适用于各种扩展面。

(4) 管内插入物和流体置换型的强化元件:管内插入物可破坏流体边界层的发展，增大有效的表面换热面积；可增大有效的表面换热面积：流动产生旋流和二次流。

(5) 旋转流场设备:螺旋流场设备包括一些几何布置或者管内插入物，这些设备可强迫管内流体产生旋转流动或者二次流。

强化表面有几个作用：增加流体通道的长度，产生二次流，增加翅片效率。

如果需要对管内管外的表面都进行强化，就叫做管子的双面强化。

这种强化措施一般用于蒸发器和冷凝器。

双面强化的典型形式有[6]：①管内螺纹粗糙肋面，管外整体翅片②管内整体内翅片，管外多孔附着表面③管内扭曲类的插入物，管外用整体翅片④管内外轧槽粗糙表面此次选用的换热管采用的即是双面强化表面。

壳程管外的外螺纹设计大大增强了冷凝换热系数。

而管程由于管内的里脊的作用，不仅增大了换热面积，且造成紊流二次流，管内换热效率得到提高，因此提高了整体的换热效率。

1.2.4壳管式换热器的发展壳管式换热器的发展总体上是支承形式的发展，从板式支承到折流杆式支承，再到空心环支承，最后到管子的自支承，当然期间也有交错发展的情况。

随着支承形式的发展，壳管式换热器的壳程给热系数呈现不断提高的趋势，压降呈现不断下降的趋势，换热器的传热综合性能得到很大的提高。

从壳管式换热器的发展可知，新的支承结构的出现，绝大多数是为了是流体的流动方式尽可能的变为纵向流，这样有利于管程与壳程热交换，从而提高了传热系数，同时伴随着压降的降低，使得传热综合性能得到很大的提高。