满液式蒸发器设计计算

第一章满液式蒸发器设计计算

1.1满液式蒸发器设计计算模型

管束之间的距离不能太大，也不能太小。管间距很大的时候，管束之间沸腾换热不会相互影响，单管换热效果好，但是对于整体会造成制冷剂不能充分沸腾，换热面积减小；如果管间距太小，则制冷剂沸腾量增大，但是由于沸腾过程中气泡的扰动，会使得相邻管束之间相互干扰，尤其是下部管子沸腾后产生的气泡会对上部管子的沸腾起到抑制作用，这一部分已在第二章中介绍过。

满液式蒸发器在设计时，应首先确定制冷剂种类、压缩机形式、压缩机运行工况等，按照这些参数进行设计计算[50]。

设计时，几个主要参数的选择如下：

1)结构形式

满液式蒸发器在设计时，制冷剂从底部或侧面进入，制冷剂蒸汽从顶部出来。为了防止制冷剂液体出来进入压缩机造成液击等，小型蒸发器可在顶部焊接一个气包，大型蒸发器则在壳体上部预留一定的空间，使工作时，液面上部有1～3排管子。

本设计采用CO2做制冷剂，制冷剂从底部进入壳体中，蒸汽从顶部出来，壳体内液面上部有一排管子。

2)水流速度的选择

水流速度取为0.5～2.5m/s，计算过程中取1.5m/s。

3)水在蒸发器内部的降温

水在蒸发器内部的降温一般控制在2～5℃之间。降温大，会使水与制冷剂之间的换热温差减小，需要的传热面积大；降温小，会使水流量增大，水泵耗功增大。

满液式蒸发器在运行时，壳体内制冷剂的充注量对蒸发器的工作性能有较大的影响。当制冷剂为氨时，氨的液面高度应控制在壳体直径的70 % ～80 %；如果制冷剂为氟利昂，则液面高度应控制在壳体直径的55% ～65 %[51]。

制冷剂的液面高度不能太低，也不能太高。如果液面过低，则蒸发器的有效换热面积减小，不能充分发挥沸腾传热作用，冷冻水的出口温度就可能达不到设计要求；反之，如果液面过高，则有可能沸腾换热不充分，有可能将液体制冷剂

带入到压缩机，造成液击现象，对压缩机造成损害；并且受液体静压力的影响，蒸发器下部液体的蒸发温度会提高。在实际的运行过程中，氨的充注量一般浸没换热管即可，若采用氟利昂类制冷剂，因其沸腾时产生大量的泡沫，液面以上露出1～3排换热管即好。

为了保证满液式蒸发器壳体内制冷剂的充注液面高度适中，在蒸发器结构设计过程中，需对管板上换热管的布置方式进行设计。目前，关于满液式蒸发器的管排设计，大都是在传统管壳式换热器的设计基础上凭借经验完成管板上换热管的布置，这种管排设计方法容易造成壳体内液面高度过高或过低，从而导致对压缩机造成液击或使蒸发器换热能力降低等现象，整体效果下降[52]。

1.1.1 冷冻水流量

3600()

in out Q V C t t ρ=- （4-1） 式中：V —冷冻水流量，3/m h ；Q —换热量，kW ；C —冷冻水比热，kJ/kg ； in t 、out t —冷冻水进出口温度，℃。

1.1.2 对数平均温差

ln()in out m in o out o

t t t t t t t -∆=-- （4-2） 式中：m T ∆—对数平均温差，℃；o t —蒸发温度，℃。

1.1.3 传热面积

1000m

Q F K T =∆ （4-3） 式中：F —换热面积，2m ；K —传热系数，2W/(m )k ，计算过程中首先先假定传热系数，

等计算完成后进行校核调整。

1.2 满液式蒸发器结构设计

本蒸发器设计为固定管板式，结构紧凑。两端的管板固定在壳体上，管板为圆形，以法兰连

接。

换热管在壳体内的布置形式主要有三种：等边三角形、同心圆

形、正方形。如图4-1所示。

图4-1 管束布置形式

等边三角形布管方式比较紧凑，同时便于管板加工，本文采用等

边三角形布管方式。

1.2.1 确定换热管尺寸

o d 为换热管外径，m ；

i d 为换热管内径，m 。

1.2.2 确定冷冻水的流通面积

根据热力计算的结构，确定每流程需要的冷冻水的流通面积。

3600V s v

= （4-4） 式中：s —流通面积，2m ；v —换热管内冷冻水流速，/m s 。

1.2.3 确定所需管子数

24i

s n d π= （4-5） 式中：n —管子数

1.2.4 确定所需换热管总数

N zn = （4-6）

式中：z —管程数

1.2.5 确定每根换热管长度

o F L d N

π= （4-7） 式中：L —总长，m

1.2.6 确定管间距

管中心距一般取为管子外径的1.25～1.5倍，管子边缘之间的距离不应小于4mm ，最外部管子的外边与壳体的内表面的距离大于4mm 。计算过程中管中心距取为管子外径的1.5倍，最外部管子的外边与壳体的内表面的距离为管子外径。

1.2.7 确定壳体尺寸

六边形对角线上的管子数：'n = （4-8） 计算结果取整。

管板上管束最大直径：'('1)*1.5o o D n d d =-+ （4-9） 则壳体内径为：''2o Di D d =+ （4-10） 根据热力计算及结构设计，实际壳体内径取为：'Di Di ε= （4-11） 1.3ε=，换热管越多，该数值越大。

则实际满液式蒸发器管板管束最大直径：''2o D Di d =- （4-12） 管板中心线上的管子数：''''11.5o o

D d n d -=

+ （4-13） 计算结果取整。

管板中心线以上半圆范围内的管子数：1n = （4-14） 计算结果取整。

管板中心线以下半圆范围内的管子数：2n =

（4-15） 计算结果取整

则计算满液式蒸发器总的换热管数为：

(11)1(21)2'''''(12)22n n n n N n n n n ++=++-- （4-16）