CN2549406Y

CN2549406Y - 一种壳管式蒸发器

Info

Publication number: CN2549406Y
Application number: CN 02227885
Authority: CN
Inventors: 林培森; 阮复昌; 高学农; 张正国
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2003-05-07
Anticipated expiration: 2012-05-30

Abstract

本实用新型是一种壳管式蒸发器，它是同心圆布管结构，即外径为D₀的管子，管间距为s，完成第n圈同心圆布管的最小壳程内径为D₀+2ns，所能排布的管子总数最大为1+3n(1+n)。本实用新型结构简化，分程方便，且各程均为同心圆或同心圆环结构，结构均衡、对称、无死角，程与程之间形成紧密嵌套，并由里到外自然扩张，与液相介质蒸发时的体积膨胀过程协调一致，可有效保持换热器本身的均衡，彻底消除因失衡造成的内应力，进而消除因结构不合理所造成的管子震动与爆裂事故，保证管壳式蒸发器长期、高效、平稳运行，大幅度降低管内介质的压头损失，为进一步增加流速以强化管内传热膜系数提供了广阔的空间和巨大的潜力。

Description

一种壳管式蒸发器

(一)技术领域

本实用新型涉及换热设备技术领域，具体是指一种壳管式蒸发器。

(二)背景技术

作为一类通用的换热设备，壳管式换热器在石油、化工、制冷、空调及电力等行业中得到广泛应用。其中，干式蒸发器更是制冷和空调设备中体积最大、耗材最多的基本组成部分，在很大程度上决定了制冷和空调设备的成本和效率。对于壳管式换热器，工业上的布管结构主要包括正三角形(或称正六角形布管)和正方形。正三角形为平面最紧凑布管结构，比正方形布管结构的效率参数提高约13.4％，这个结果是从其最少所需面积计算出来的，是基于无穷大平面上布管得出的结果。也就是说，在同等换热器空间内，正三角形布管结构可比正方形布管结构多安装13.4％左右的传热管，多获得13.4％左右的传热面积，从而使换热设备更为紧凑，更高效率，所以正三角形布管结构一直是管壳式换热器中最主要的布管结构。

正三角形布管的最大优势是布管效率最高，但在多管程换热器中，采用正三角形布管时，各管程的结构及其管子分布情况却是不规整及不对称的，部分管子因处于死角而降低甚至失去效率，另有部分管子因负荷太高而失去平衡，进而使整个换热器丧失均衡和效率。工业上经常出现的管子震动及由管子震动引起的管子爆裂，进而使整个空调与制冷机组瘫痪等事故，其深层次原因就是因为换热器本身(包括各管程的结构及其管子分布情况)丧失均衡。为防止换热器本身丧失均衡，现在通常利用各式各样的搁板、支撑物等方式进行弥补，这些方式虽可在一定程度上对其进行必要的补偿，缓解不均衡应力的破坏作用，但这种内在的应力始终存在。只有彻底消除了这种内应力，换热器才可望长期、平稳运行。

(三)发明内容

本实用新型就是为了解决上述现有技术中存在的缺陷，提供一种壳管式蒸发器，该蒸发器彻底消除了内应力的影响，在不降低换热效率的同时，能够有效避免均衡性的丧失。

本实用新型所述的一种壳管式蒸发器，包括壳体和换热管，其特征是，换热管是同心圆布管结构，即外径为D₀的管子，管间距为s，完成第n圈同心圆布管的最小壳程内径为D₀+2ns，所能排布的管子总数最大为1+3n(1+n)。

从理论上来说，同心圆布管结构的效率没有正三角形布管的效率高，但考虑到实际布管平面(即管壳横截面)多数为圆形，对同心圆布管方式十分有利，所以其实际布管效率不一定比正三角形布管效率低。比如，对于外径为12mm的各种Φ12换热管，取管间距为1.4d，则当壳程内径不超过236mm时，同心圆的布管效率与正三角形的布管效率完全相同，而正方形的布管效率则相对低一些；同理，对于Φ16的换热管，取管间距s＝1.25d，则当壳程内径不超过280mm时，同心圆的布管效率与正三角形的布管效率相同，正方形的布管效率稍低。

通常进行换热器设计时，往往是先给定(设计要求)制冷量或热负荷，然后选管型及管参数等，并由此确定所需传热面积。实际传热面积由确定管参数的管子数目和管子有效长度二个因素决定，且这二个因素都与材料损耗及成本密切相关。这当中自然存在一个最优化设计问题，但只要定下其中一个因素，另一个因素也就确定下来了。管子的数目一旦确定，所需排布的管子圈数也就随之确定，于是由给定的管间距即可确定壳程内径。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本实用新型采用同心圆布管结构，可令结构简化，分程方便，且各程均为同心圆或同心圆环结构，结构均衡、对称、无死角，程与程之间形成紧密嵌套，并由里到外自然扩张，与液相介质蒸发时的体积膨胀过程协调一致，可彻底消除管壳式蒸发器因结构不合理所造成的管子震动与爆裂事故，保证管壳式蒸发器长期、高效、平稳运行。

2.本实用新型采用同心圆布管结构，可有效保持换热器本身(包括各管程的结构及其管子分布情况)的均衡，彻底消除因失衡造成的内应力，进而大幅度降低管内介质的压头损失，为进一步增加流速以强化管内传热膜系数提供了广阔的空间和巨大的潜力。

(四)附图说明

图1是本实用新型实施例一的同心圆布管方式示意图；

图2是本实用新型实施例二的同心圆布管方式示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步地详细描述。

实施例一

现以5万大卡干式蒸发器设计及热力计算为例，阐明同心圆布管结构的实际应用。

如图1所示，布管图为标准的同心圆结构。选用卧式壳管式蒸发器：采用φ14×1多头内肋紫铜管(头数60～70，螺旋角18°，肋高0.2mm)强化管内传热；壳程选用螺旋隔板强化传热和降低流阻。布管结构：同心圆分布，管内走制冷工质，壳程通载冷剂。

1.设计参数

制冷量：Q₀＝50000kcal/h＝58.1kW

制冷剂(工质)：R22

载冷剂：水(其比热C_p＝1kcal/kg×℃，比重ρ＝1)

载冷剂进口温度：t_s1＝12℃

载冷剂出口温度：t_s2＝7℃

载冷剂水流量：10m³/h

蒸发温度t₀＝2℃

查R22的lgP～h图。当冷凝液过冷度Δt_sub＝7℃、蒸发器出口为饱和蒸汽时，单位冷剂制冷量Δh＝h₂-h₁＝410-241＝169kJ/kg

制冷剂循环量：G₀＝Q₀/Δh＝58.1/169＝0.343794kg/s

2.设计计算

采用同心圆4流程直管结构，螺旋隔板采用40°螺旋角结构，隔板厚度取5mm。预计单位面积热流量(以外表面计)q₀＝10300W/m²。

所需外表面传热面积：F₀＝Q₀/q₀＝58.1×10³/10300＝5.64m²

若每条蒸发管的直管段全长设定为L＝1500mm，扣除螺旋隔板厚度后，实际换热长度为l＝1465mm。

所需管子总数：N＝F₀/πd₀l≈88

管子排布的中心距：s＝1.25d₀＝17.5mm

管壳参照直缝钢管之产品目录，可选用D₀δ＝219.1×3.2(实际可排布91条管子，中间1条管子的位置不考虑布管，实际可布管90条)。

每程管子数：N₁＝18(20％)；N₂＝18(20％)；N₃＝24(26.7％)；N₄＝30(33.3％)

筒体直径：D₀＝219.1mm；D_i＝212.7mm

如上所述，即可较好地实现本实用新型。

实施例二

参照实施例一的设计及热力计算，我们设计了一台1万大卡干式蒸发器：采用φ16.2×1管内60头内螺旋翅片(螺旋角18°，翅高0.2mm)管外螺旋槽紫铜管双面强化传热管。管长0.70m，筒体直径D₀＝219.1mm。

采用同心圆布管结构，管内走环保型制冷工质R407c，壳程通载冷剂(水)。其布管方式采用如图2所示的同心圆结构，每程管子数：每程管子数：N₁＝4(8.7％)；N₂＝8(17.4％)；N₃＝10(21.7％)；N₄＝24(52.2％)。

试验结果表明，同心圆布管结构令工质在各管间的分配更均匀，使蒸发器运行更平稳，不仅彻底消除了管子的振动，而且工质侧压力损失极小：在达到同等传热性能的前提下，工质侧的流动阻力仅为普通壳管式干式蒸发器之1/6。显然，若以同等的工质侧流动阻力为设计依据，则可大幅度提高R407c在管内的流速，从而进一步提高工质侧的传热膜系数，增强蒸发器的整体效能。

Claims

1.一种壳管式蒸发器，包括壳体和换热管，其特征是，换热管是同心圆布管结构。

2.根据权利要求1所述的一种壳管式蒸发器，其特征是，外径为D₀的换热管，管间距为s，完成第n圈同心圆布管的最小壳程内径为D₀+2ns，所能排布的管子总数最大为1+3n(1+n)。