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在上一部分我们学习了一台常温常压单相对流换 热管壳式换热器的设计。 在接下来的部分，将考察存在相变换热、以及高 温高压或是低温换热情况下，管壳式换热器的设 计有哪些不同之处，或者说应该特别注意的问题。 对于相变换热主要考察传热机理不同带来的设计改变； 对于高温、高压或是低温换热情况，主要考察换热器耐受高温高压及低温时 所作的结构、材料等的改变 2.7 管壳式冷凝器与蒸发器的工作特点 2.7.1 管壳式冷凝器的工作特点 工质由汽态变为液态的过程叫凝结，当 蒸汽与低于它的饱和温度的流体和壁面接 触时，就会发生凝结并放出潜热。蒸汽在 冷壁凝结并放出潜热，而冷却流体在壁面 的另一侧吸收热量，这就是冷凝器的工作 原理。 按照冷凝方式，凝结换热分珠状凝结和膜状凝结，一般膜状凝结普 遍，冷凝器按膜状凝结进行设计。 按被冷凝的物质进行分类，冷凝过程又可分为可凝蒸汽的冷凝和含 有不凝气蒸汽的冷凝。 而可凝蒸汽可以是单一成分的纯净蒸汽，也可能是多种组分的混合 蒸气。 因此我们分三种情况讨论冷凝器的设计 1）纯净蒸汽的冷凝 2 ）含有不凝气蒸汽的冷凝 3 ）混合蒸汽冷凝 1)纯净饱和蒸汽在冷凝器内的冷凝 在设计这种冷凝器时应注意以下一些问题： (1)一般说来，冷凝换热是一种高效换热过程，液膜是主要热 阻，因而冷凝换热往往不会成为整个传热过程的主要热阻。 但是也有不少设备中，冷凝换热反而构成了传热过程的主要 热阻。在这些情况下，也就有必要对冷凝换热过程的强化给 以充分的注意。 如各种石油馏分和有机物蒸汽的冷凝器当采用水作为吸 热工质时，冷凝侧换热系数将低于水侧换热系数。比如氟利 昂冷凝换热系数（800-1000 ）比冷却水侧小。 (2)对饱和蒸汽的冷凝，一般都采取卧式冷凝 器。 根据冷凝过程的机理，当冷凝液膜处于层流状态时， 以横管和竖管的管外冷凝相比，在两者的温差及冷凝介质 的物性相同时，采用横管时的换热系数总是高于竖管的换 热系数。 此时若使饱和蒸汽在管外冷凝，不仅换热系数高，而且 压降也少，使易结垢的水在管内流动，可以保持较高的流 速，对传热和防止结垢都很有很有利。 如果管排数很多，采用斜转排列方式，减小后排管子液 膜厚度。 • 对于卧式冷凝器，按转角等边三角形排列时，管 板的轴线与水平轴线间比较有利的偏转角，如图 2.10所示，可按下式计算： θ＝30o －arcsin(d /2s) o do ：管子外径；s：管间距。 目的：减少液膜在换热管上的包角及液膜厚度 但在某些情况下，采用立式冷凝器也具有一定的优 点： ①当冷凝液需要过冷时，如果采用卧式，会使一部 分传热面浸没冷凝液中才能通过自然对流传热方 式实现过冷。而采用立式冷凝时，冷凝液呈降膜 式向下沉动，此时的换热系数较高，降低了冷凝 液过冷所需传热面。 ②在压降允许范围内，使蒸汽在竖管内冷凝时，流 速可以较高，使液膜减薄，不易在设备内积聚不 凝结气体，汽流速度分布均匀。 (3)采用蒸汽在水平管内冷凝的方式必须十分 慎重。 这种情况下的冷凝器往往采用多管程，第一 程凝结的液体连同未冷凝的蒸汽一起进入下一管 程，因而在同一管程的管束中，管子下半部往往 积聚较多的凝液，而管子上半部往往积聚较多的 蒸汽，从而使管束中的汽液分配难以均匀，凝液 的积存又起了阻碍传热的作用，使其换热系数比 同样条件下的管外冷凝低。 • 2)过热蒸汽在冷凝器内的冷却和冷凝 b a c 过热蒸汽在冷凝器内的冷却和冷凝分为三段，第一段为单相 冷却过程，第二壁面出现冷凝，主流区尚未达到饱和温度 继续冷却，第三段为饱和冷凝过程。 第一段特征： 由于蒸汽的过热部分冷却到饱和状态，所进行为单相气体 冷却换热，热量传递为显热传递，换热系数比冷