换热器设计课程讲稿-蒸发器.ppt

热交器原理及应用 徐之平2008年9月 目录 一 绪论1 换热器研究的意义与重要性2 换热器应用领域二 换热器原理及分类1 换热器原理2 按流动形式3 按使用领域划分三 换热器热计算方法和应用1 计算方法2 设计计算方法3 校核计算方法4 比拟设计计算方法四 热交换器在制冷空调行业的应用1 换热器形式与特点2 应用领域3 计算方法冷凝器的设计计算蒸发器的设计计算 五 热交换器在汽车行业的应用1 换热器形式与特点2 应用领域3 计算方法六 热交换器在电气行业的应用1 换热器结构形式与特点2 应用领域七 热交换器在微型燃气轮机中的应用1 换热器结构形式与特点2 应用领域八 热交换器在化工行业的应用1 换热器形式与特点2 应用领域九 热交换器在锅炉与节能环保方面的应用1 换热器形式与特点2 应用领域十 换热器性能试验1 意义2 试验系统与试验方法3 数据整理方法4 设计编程 介绍LabvieW程序编程方法 四 热交换器在制冷空调行业的应用1 换热器形式与特点在制冷空调领域使用的换热器 有多品种换热器使用 如在制冷制冰行业的换热器 既可以使用盘管换热器 也可使用套管换热器 而在空调应用领域 对冷水机组而言 其蒸发器 冷凝器既可以使用壳管式换热器 也可使用板式换热器等 其系统图如图4 1所示 图4 1空调系统图 2 应用领域换热器在制冷空调领域应用主要集中在两个部分 其一是制冷压缩系统中的冷凝器 蒸发器 中间冷却器 其二是在空调系统中的换热器 如风机盘管 表冷器 诱导器 新风机组中的换热器 水 水热交换器 水 蒸汽热交换器等 3 设计计算 负荷计算要进行换热器的设计 首先须知道换热器的热负荷 就空调热负荷而言 主要有如下几部分 人体负荷 维护结构负荷 设备负荷 照明负荷等 而对于制冷系统冷负荷 主要包括 维护结构负荷 其与冷藏温度 地理位置 当地常年气象条件有关 如低温库或高温库等 食品进入冷库的携带负荷 其与冷藏物品的种类有关 冷藏物的总容量 冷库的大小等有关 有关此方面的计算方法 可参阅相应设计手册 制冷空调蒸发器的设计计算由上面图4所示 系统中的蒸发器 其一是将经膨胀阀节流后产生的汽液物和物中的液相制冷剂进行气化 其二是吸收另一侧流体所带有的热量 使其温度下降 蒸发器的种类和形式与冷凝器差不多 有水冷的蒸发式 直接蒸发式 气冷式等 按供液方式 蒸发器可区分为满液式 非满液式 循环式和喷淋式等 1 满液式蒸发器由于满液式蒸发器内充满了液态制冷剂 使传热面积与液态制冷剂充分接触 因此其沸腾表面传热系数较大 其缺点是需加大量的制冷剂 另外 如果使用与制冷剂亲和力较好的润滑油 由于油含于制冷剂中 因此 很难返回值压缩机内 属满液式蒸发器的有立管 螺旋管 卧式壳管蒸发器等 1 非满液式蒸发器对于非满液式蒸发器主要用于氟利昂系统中 制冷剂经膨胀阀直接进入蒸发器 处于液气混合状态的制冷剂 在蒸发器内蒸发 吸收蒸发器内的热量 由于部分气态制冷剂与管壁接触 因此 非满液式蒸发器的传热系数比满液式小 其优点是充液量少 润滑油容易返回 属这类蒸发器的有管壳式 套管式和直接蒸发式空气冷却器 循环式蒸发器是依靠泵强迫制冷剂在蒸发器中循环 因此 沸腾对流换热系数较大 并且润滑油不宜在蒸发器中积存 由于循环式蒸发器出投资较高 因此 目前在大型系统中应用较多 喷淋式蒸发器是用泵将制冷剂送至喷嘴后 喷淋之传热表面 其好处是制冷剂充液量较少 能消除静液高度对蒸发温度的影响 但由于设备投资高 运行管理费用大 很少使用 其传热系数与非满液式差不多 3 蒸发器的构造和特点根据被冷却介质 蒸发器可分为液态和气态两种 所谓液态 就是冷媒为液体状态 而气态 则是以空气为主 a 立管式蒸发器立管式蒸发器 如图4 21所示 其由数个管组组成的立管式蒸发器组装在矩形水箱内 蒸发管组有上下集管和许多呈180 连接弯管组成 上下集管的一端焊有液体分离器 其底部接有一根立管 与下集管连通 使分离出来的制冷剂液体流回下集管 下集管的一端与集油器相连 集油器的上端与吸气管相通 每组蒸发管组的中部有一根穿过上集管通向下集管 这样能使液体从下部进入下集管后均匀地进入立管中 冷冻水由上部进入水箱 被冷却后右下部流出水箱 值得指出 水箱内的流速通常控制在0 5 0 7m s 如条件允许 可大至1m s 此种蒸发器 主要使用在氨水系统 为了提高换热效果 立管式蒸发器还有加工成螺旋管式的形状 其优点是在相同的传热面积下 占地面积小 结构紧凑 减少加工工作量 图4 21立式蒸发器 图4 22卧式蒸发器 b 卧式壳管蒸发器卧式壳管式蒸发器 如图4 22所示 其外壳是用钢板卷制成立柱形的大圆筒 圆筒两边焊有管板 管板上开有按一定排列的圆孔 主要是插入散热管之用 散热管的形式多为内肋管 散热管与管板连接的方式有涨管和焊接方式之分 筒体两端有端盖 端盖内设有隔板 其根据设计要求 隔成多个流程 每一流程内的管子呈并联方式 介质在壳程绕行 由气态变成液态 储存于蒸发器的底部 经出液管 到达储液罐内 在设计中 卧式蒸发器的流程通常设定为偶数流程 其最大的好处是进水和出水在同一端盖上 而在另一侧的端盖上 装有排气管 管上装有阀门 以便在充水时排尽蒸发器中的空气 下部装有排液口 在冬季时 可及时排尽蒸发器中的积液 卧式蒸发器根据使用介质的不同 其冷却管的材质也不同 对于氨制冷系统 考虑到氨对材料的腐蚀 多采用无缝钢管形式 其管子直径在 25 32之间 而对于氟利昂介质系统 多采用滚压肋片的形式 以此提高换热器的总传热系数 值得指出 对于卧式蒸发器 由于存在回油困难之不足 因此 考虑到回油问题 往往应用的是干式壳管式蒸发器 水的流程与卧式冷凝器有所不同 其管内走制冷剂 而管外走冷媒 为了提高换热效果 在卧式壳管蒸发器内装有折流板 借以提高流速 卧式蒸发器的优点是传热系数高 但其与立式蒸发器相比 占地面积要大些 c 套管蒸发器套管式冷凝器的结构如图4 23所示 其结构为在较大直径管内套了一根或数根 图4 23套管式蒸发器1 连接型管 2 内管 3 外管 铜管或带低肋的管子 并扭成螺旋形 制冷剂蒸汽从外管上部进入套管 冷凝后的液态制冷剂由下部流出 冷却水由内管下部进入 由上部流出 水与制冷剂呈反向流动 形成逆流状态 增强了传热效果 d 板式蒸发器板式换热器也可用于制冷行业 其形式和功能类是于冷凝器 也有装配式和真空钎焊型 其功能和作用也与冷凝器相同 这里不再重复 图4 5板式冷凝器 图4 7介质流程图 e 钎焊板式换热器 蒸发器的选择 1 静液高度对蒸发器的影响 设计选型时 对满液式蒸发器要考虑静液高度对蒸发器的影响 通常蒸发器的底部温度要高于液面的温度 一般 设定的蒸发温度越低 静液高度的影响就越大 2 制冷剂在蒸发其中的压力损失由于制冷剂流过蒸发器时存在流动阻力 使得蒸发器的出口压力低于进口压力 相应蒸发温度也降低了 从而导致压缩机的吸气压力降低 最终使制冷量下降 为了不影响压缩机的制冷能力 就必须加大传热面积 因而 可以说蒸发器的选择计算主要是确定传热面积 选择使用的蒸发器和制冷剂的循环量 确定传热温差由前所述一样 蒸发器的中的制冷剂和冷媒水之间的温差 也用对数平均温差来计算 4 8 4 9 常用蒸发器的传热系数K和热流密度按下表查取 确定蒸发器的传热面积 确定冷媒流量 4 10 蒸发器计算过程 1 确定蒸发温度2 确定制冷量3 确定对数平均温差4 计算传热面积5 根据蒸发器型式 查取热流密度6 管子排列采用正三角形排列方式 并作图 7 采用管子规格和形状8 强度计算9 整体制图 用AutoCAD制图 并编写技术要求和加工工艺要求等 吸收式制冷系统原理及换热器热力计算 对于吸收式系统而言 它是利用低品位能源的制冷系统 在当今节能环保领域中占有一定的比例 吸收式系统 由氨水吸收式系统 硫氰酸钠氨吸收式系统 溴化锂吸收式系统 无泵氨水吸收式系统 太阳能氨水吸收式系统等 对于溴化锂水制冷系统而言 还有单级和双级系统之分 其中大部分制冷剂为水 吸收剂有各种介质 但也有用其它介质的 如氨水系统 氨是制冷剂 水是吸收剂 如果涉及其系统 可以说其是由换热器所组成 现在来分析一下其各部件 对于氨水吸收式系统而言 其由吸收器 发生器 冷凝器 蒸发器 毛细管等组成 其系统图如下图所示 蒸汽吸收式制冷原理 蒸汽吸收式制冷系统是由发生器 冷凝器 制冷节流阀 蒸发器 吸收器 溶液节流阀 溶液热交换器和溶液泵组成 整个系统包括两个回路 一个是制冷剂回路 一个是溶液回路 系统中使用的工作流体是制冷剂和吸收剂 我们称它为吸收是制冷的工质对 吸收剂使液体 它对制冷剂有很强的吸收能力 吸收剂吸收了制冷剂气体后形成溶液 溶液加热又能放出制冷剂气体 因此 我么可以用溶液回路取代压缩机的作用 构成蒸汽吸收式制冷循环 制冷剂回路由冷凝器 制冷剂节流阀 蒸发器组成 高压制冷剂气体在冷凝器中冷凝 产生的高压制冷剂液体经节流后到蒸发器蒸发制冷 溶液回路由发生器 吸收器 溶液节流阀 溶液热交换器和溶液泵组成 在吸收器中 吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂气体 形成富含制冷剂的溶液 将该溶液用泵送到发生器 经过加热使溶液中的制冷剂重新蒸发出来 送入冷凝器 另一方面 发生后的溶液重新恢复到原来的成分 经冷却 节流后成为具有吸收能力的吸收液 进入吸收器 吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸汽 吸收过程中伴随释放吸收热 为了保证吸收的顺利进行 需要冷却吸收液在蒸汽吸收式制冷中 吸收器好比压缩机的吸入侧 发生器好比压缩机的排出侧 对发生器内溶液进行加热 提供提高制冷剂蒸汽压力的能量 对于双效溴化锂制冷机 一般形式为三筒式 主要部件由 高压发生器 低压发生器 冷凝器 吸收器 蒸发器 高温换热器 低温换热器 冷凝水回热器 冷剂水冷却器及发生器泵 吸收器泵 蒸发器泵和电气控制系统等组成 制冷原理为 吸收器中的稀溶液 由发生器泵分两路输送至高温换热器和低温换热器 进入高温换热器的稀溶液被高压发生器流出的高温浓溶液加热升温后 进入高压发生器 而进入低温换热器的稀溶液 被从低压发生器流出的浓溶液加热升温后 再经凝水回热器继续升温 然后进入低压发生器 进入高压发生器的稀溶液被工作蒸汽加热 溶液沸腾 产生高温冷剂蒸汽 导入低压发生器 加热低压发生器中的稀溶液后 经节流进入冷凝器 被冷却凝结为冷剂水 进入低压发生器的稀溶液被高压发生器产生的高温冷剂蒸汽所加热 产生低温冷剂蒸汽直接进入冷凝器 也被冷却凝结为冷剂水 高 低压发生器产生的冷剂水汇合于冷凝器集水盘中 混合后导入蒸发器中 加热高压发生器中稀溶液的工作蒸汽的凝结不 经凝水回热器进入凝水管路 而高压发生器中的稀溶液因被加热蒸发出了冷剂蒸汽 使浓度升高成浓溶液 又经高温热交换器导入吸收器 低压发生器中的稀溶液 被加热升温放出冷剂蒸汽也成为浓溶液 再经低温热交换器进入吸收器 浓溶液与吸收器中原有溶液混合成中间浓度溶液 由吸收器泵吸取混合溶液 输送至喷淋系统 喷洒在吸收器管簇外表面 吸收来自蒸发器蒸发出来的冷剂蒸汽 再次变为稀溶液进入下一个循环 吸收过程所产生的吸收热被冷却水带到制冷系统外 完成溴化锂溶液从稀溶液到浓溶液 再回到稀溶液循环过程 即热压缩循环过程 高 低压发生器所产生的冷剂蒸汽 凝结在冷凝器管簇外表面上 被流经管簇里面的冷却水吸收凝结过程产生的凝结热 带到制冷系统外 凝结后的冷剂水汇集起来经节流装置 淋洒在蒸发器管簇外表面上 因蒸发器内压力低 部分冷剂水闪发吸收冷媒水的热量 产生部分制冷效应 尚未蒸发的大部分冷剂水 由蒸发器泵喷淋在蒸发器管簇外表面 吸收通过管簇内流经的冷媒水热量 蒸发成冷剂蒸汽 进入吸收器 冷媒水的热量被吸收使水温降低 从而达到制冷目的 完成制冷循环 吸收器中喷淋中间浓度混合溶液吸收制冷剂蒸汽 使蒸发器处于低压状态 溶液吸收冷剂蒸汽后 靠压缩系统再产生制冷剂蒸汽 保证了制冷过程的周而复始的循环 溴化锂吸收式制冷机的分类方法很多 根据使用能源 可分为蒸汽型 热水型 直燃型 燃油 燃汽 和太阳能型 根据能源被利用的程度 可分为单效型和双效型 根据各换热器布置的情况 可分为单筒型 双筒型 三筒型 根据应用范围 可分为冷水机型和冷温水机型 目前更多的是将上述的分类加以综合 如蒸汽单效型 蒸汽双效型 直燃型冷温水机组等 换热器设计在蒸发过程中 制冷剂吸收蒸发潜热 由液体蒸发成气体 在冷凝过程中 制冷剂排放冷凝潜热 由蒸气冷凝成液体 吸收与发生过程在吸收式制冷循环中 制冷剂蒸气的吸收或发生过程是在恒定的压力下进行的 上图为单效型吸收式制冷系统示意图 所谓单效指的是驱动热源热能只利用了一次 从图可知 高温热源的热量总是供应给发生器 其热量为 4 10 低温热源的热量供应给蒸发器 其计算式为 4 11 从目前吸收式系统制冷剂和吸收剂看 对几个热量项可以概括如下 显然 对于一个制冷系统来说 单个的热量独立调节是不可能的 4 12 4 13 1 单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组循环流程的溶液回路包括下列过程 1 稀溶液经溶液热交换器的加热升温过程 2 稀溶液在发生器中的发生过程 3 浓溶液经溶液热交换器的冷却降温过程 4 浓溶液和稀溶液在进入吸收器之前的混合过程 5 混合溶液在吸收器中的吸收过程 2 单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组循环流程的制冷剂回路包括下列过程 1 冷剂蒸汽在冷凝器中的冷凝过程 2 冷剂水在蒸发器中的蒸发过程 图单筒单效蒸汽型溴化锂冷水机组1 冷凝器2 发生器3 蒸发器4 吸收器5 溶液热交换器6 溶液泵I7 冷剂泵8 溶液泵II 单效溴化锂 水吸收式制冷机设计参数和操作工况 远大并联流程双效蒸汽型溴化锂冷水机组 对比传统的串联流程 其优点十分突出 1 高发溶液循环量减少一半 启动时间缩短一半 节省启动能耗 机组部分负荷运行时 高发易升温 能耗减少20 以上 2 高发溶液可以更浓 因高发压力高 溶液不易因粘度大而滞留导致结晶 因此可增大吸收器出力 尤其是应付超常规条件 如冷却水超温或吸收器铜管结垢 3 低发溶液不需太浓 避免低交结晶 这样 采用高效板式热交换器才有可能 溴化锂冷水机组传热面积和传热系数计算 溴化锂冷水机组传热面积按下述步骤计算 1 发生器热负荷2 冷凝器热负荷3 蒸发器热负荷4 吸收器热负荷5 溶液热交换器热负荷6 系统热平衡计算7 热力系数计算 4 13 4 14 4 15 4 16 4 17 4 18 4 19 其中D为制冷剂的循环量 单位为 kg h 负荷单位为 kW或kcal h 热力系数单位为 设备传热面积计算 1 发生器 4 20 式中 k 发生器的传热系数tk 工作蒸汽温度t4 发生器出口浓溶液温度t5 发生器开始沸腾的稀溶液温度0 65 与设备内流体流动方式有关的系数 2 冷凝器 式中 kk 冷凝器的传热系数tk 冷凝温度tw1 冷却水进口温度tw2 冷却水出口温度0 65 与设备内流体流动方式有关的系数 3 蒸发器 式中 k0 蒸发器的传热系数t0 蒸发温度ts1 冷媒水进口温度ts2 冷媒水出口温度0 65 与设备内流体流动方式有关的系数 4 21 4 22 4 吸收器 式中 ka 吸收器的传热系数t9 吸收器混合溶液温度tw 冷却水进吸收器的温度tw1 冷却水出吸收器的温度t2 吸收器出口稀溶液温度0 5与0 65 与设备内流体流动方式有关的系数 5 溶液热交换器 式中 kr 溶液热交换器的传热系数t4 进溶液热交换器浓溶液温度t8 出溶液热交换器浓溶液温度t7 进溶液热交换器稀溶液温度t2 出溶液热交换器稀溶液温度0 35与0 65 与设备内流体流动方式有关的系数 4 23 4 24 设备的传热系数 1 冷凝器冷凝器通常采用无缝钢管和紫铜管 无缝钢管 其传热系数在1745W m2 左右 采用紫铜管 传热系数在2559 7000W m2 范围内 冷却管内水侧的表面传热系数 可用下经验公式进行计算 式中 t 冷却水平均温度 w 冷