一、列管式冷凝器

　　列管式冷凝器是目前应用最广泛的一种，其结构简单、坚固，制造容易，材料范围广泛，处理能力可以很大，适应性强。但在传热效率、设备的紧凑性、单位传热面积的金属消耗量方面，还稍次于各种板式冷凝器。这种冷凝器通常包括固定管板式、U形管式和浮头式三种。

　　列管冷凝器主要由外壳、管板(又称花板)、管束、顶盖(又称封头)等部件构成。如图13—4所示。在圆形外壳内装入平行管束，管式两端固定在管板上。管子在管板上的固定方法一般采用焊接法或胀管法。装有进口或出口管的顶盖用螺钉与外壳两端法兰相连，顶盖与管板之间构成流体的分配室。

图13—4  列管式冷凝器

　　进行热交换时，冷却水由顶盖的连接管进入，在管内流动，这条路径称为管程；有害蒸气在管束与壳体之间的空隙内流动，这条路径称为壳程；管束的表面积就是传热面积。在冷凝回收不论是对饱和蒸气的冷凝还是对含不凝气的冷凝过程中，一般情况下，最好在卧式冷凝器的壳程冷凝，因为无论从传热、压力降及清扫方面都比较合理。具体如下。

　　(1)卧式壳程冷凝膜传热系数要比立式管内或管外的膜传热系数高数倍，同时不凝物不会在死角积累起来不易排出。

　　(2)冷却水走管内便于清扫水垢。水走管内容易保证有较高的流速，这对降低水垢生成的速度与提高水膜的传热系数都有好处。

　　(3)卧式列管冷凝器还可如图13—5所示，使低层管子处于冷却水进口处，而使冷凝液积于底层，以便降低冷凝液的温度。在表面冷凝系统中，对冷凝液进一步冷却很重要，如果冷凝系统中的温度较高，一接触空气有机气体就会有大量挥发，一般冷凝液的出口温度要求在60℃或更低。当然也可以增加一个单独的冷却器，不过这样要增加费用。

图13－5  具有过冷的列管式冷凝冷却器

　　1．浮头式冷凝器

　　如图13—6所示。这种冷凝器中两端的管板，有一块不与壳体相连，可以沿管长方向自由浮动的浮头。当壳体和管束因温差较大而热膨胀不同时，管束连同浮头就可以在壳体内自由伸缩，从而解决热补偿问题。而另外一端的管板又是以法兰与壳体相连接的，因为整个管束可以由壳体中拆卸出来，便于清洗和检修，所以浮头式冷凝器是应用较多的一种，但由于结构比较复杂，金属耗量多，造价也高。

图13－6  浮头式换热器

　　2．固定板式冷凝器

　　如图13—7所示，它依靠补偿圈的弹性变形，以适应外壳与管子之间的不同热膨胀。但这种装置只能用在壳壁与管壁温度差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况下。一般壳程压强超过607950Pa(6atm)时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温度差补偿的作用，就应考虑其他结构。

图13－7  有补偿圈补偿的冷凝器

1－补偿圈；2－壳体

　　3．U形管式冷凝器

　　如图13—8所示，管子弯成U形，两端均固定在一块管板上，因此每根管子皆可以自由伸缩。这种结构比较简单，质量轻，但弯管工作量大，为了满足管子有一定的弯曲半径，管板利用率就差。管内很难机械清洗，因此，管内流体必须洁净。管束虽然可以拉出，但中心处的管子仍不便调换。

图13－8  U形管式冷凝器

　　二、蛇管式冷凝器

　　这种冷凝器分为沉浸式和喷淋式两类。如图13—9及图13—10所示。

图13－9  沉浸式冷凝器

图13—10  喷淋式蛇管冷凝器

1—冷却水泵；2—淋水管；3—支架；4—蛇管；5—淋水管板；6—淋水板

　　对于沉浸式蛇管冷凝器，当管内通入有害蒸气时，为避免产生水击和阻塞蒸气，蒸气应从蛇管顶端进入，冷凝液则从下端冷凝水排除器排出。其优点是结构简单，价格便宜，管理方便，缺点是传热效果较差，设备笨重。

　　喷淋式蛇管冷凝器具备沉浸式蛇管冷凝器的优点外，比沉浸式易于清扫和检修。

　　三、翅片管式冷凝器

　　翅片管式冷凝器的结构如图13—11所示，其特点是换热管外或内有许多金属翅片，这些翅片既扩大了传热面积，又增强了气体流动时的湍流程度，使气体的膜系数得以提高。

图13—11  翅片管式冷凝器

　　四、螺旋板式冷凝器

　　螺旋板式冷凝器的结构如图13—12所示，蒸气从顶部进入，在散开的通道中轴向流动，冷凝液由底部排出，冷凝剂从外围向中心做螺旋流动。

图13—12  螺旋板冷凝器

　　螺旋板式冷凝器的主要优点就是结构紧凑，单位体积提供的传热面积很大，传热效率高，流体在器内的流速大，污染物不易滞留，其缺点是对焊接质量要求很高，检修也较困难，目前只用于低压场合，但在蒸气冷凝应用时，一般对压力要求不高，根据这些特点，在冷凝净化中采用螺旋板冷凝器是经济合理的。

　　五、表面冷凝器的热计算。

　　1．冷凝过程分析

　　饱和蒸气与温度较低的壁面接触时，蒸气就在壁面上冷凝。若壁面能被冷凝液润湿，则有一薄层凝液遍覆其上，这种冷凝称为膜状冷凝。随着冷凝过程的进行，凝液层逐渐增厚，若壁面不是倾斜或者是垂直放置，则凝液将沿壁面流下，但壁面上总留着一薄凝液。在膜状冷凝时，蒸气冷凝所放出的热量必须通过液膜才能达到壁面。由于蒸气冷凝时气相内温度是均匀一致的，所以没有热阻。蒸气放出冷凝热要靠传导的方式通过液膜，由于液体的热导率不大，所以液膜具有较大的热阻。壁面上冷凝液膜越厚，其热阻越大，冷凝时的膜系数就越小。膜状冷凝时的膜系数取决于凝液的性质和液膜的厚度。

　　若凝液不能全部润湿壁面，则因表面张力的作用，将使凝液形成液滴，这种冷凝称为滴状冷凝。随着冷凝过程的进行，液滴逐渐增大，将在倾斜的或垂直的壁面上流下，并在流动时带走下方的其他液滴，使壁问重新露出，可提供再次生成新液滴之用。由于滴状冷凝时蒸气不必通过液膜传热而直接在传热面上冷凝，故其膜系数远比膜状冷凝时为大，相差可达几倍，甚至几十倍。

　　在大多数有害蒸气冷凝净化情况下，都为膜状冷凝，而且混合气体流速很大时(大于10m／s时)，膜状冷凝起决定性的作用。因此，表面冷凝器的设计计算，一般是以膜状冷凝为依据。

　　2．膜状冷凝给热系数α的影响因素

　　(1)冷凝液的湍动状态的影响  湍流程度愈强，对给热愈有利。冷凝液膜受重力作用下落，同时会因液体的黏度而受到减速，所以它又与重度和黏度有关，而后者又同温度有关。因此，温度差、冷凝潜热和冷凝液的黏度、重度都直接影响到冷凝液的流量和流速，也都影响到给热系数α。

　　(2)蒸气流动速度和流动方向的影响  如果蒸气流动是顺着冷凝液膜的流动方向，那么蒸气流速较大时，蒸气与液膜之间的摩擦作用将使膜层流速增大，厚度减少，给热系数随之增大；倘若蒸气流动和液膜流动方向相反时，凝液膜的流动就要受到阻碍，使膜层厚度增加，给热系数的数值便减小，但是，当摩擦力超过其重力时，由于形成液膜的小波浪，结果随着蒸气速度的增加，液层受到向上的冲刷而破裂，脱离管壁面，此时，给热系数反而增大。

　　实践证明，当压力低于101325Pa(绝对压)时，只有蒸气速度大于10m／s时，才对冷凝给热有显著的影响，但在蒸气压力高时，蒸气流速小也会影响给热系数。

　　(3)蒸气中含不凝气的影响  当蒸气中混杂空气或其他不凝气体时，则冷凝时的给热就会显著地被削弱，随着冷凝的进行，靠近管壁的空气愈积愈多，形成一层空气膜，而使得蒸气流向壁面遇到很大阻碍，空气的热导率又很小，因此，其热阻便大大增加。实验结果如图13—13所示，横坐标表示蒸气中空气的含量x(％)，纵坐标表示混有空气时的给热系数αg和纯蒸气冷凝时的给热系数α之比，αg／α从图中可以查出，蒸气中即使含有1％的空气，给热系数就约降低60％，而在冷凝回收净化时，混合气体中往往有较多的不凝气体，因此设计冷凝器时，必须安装放气阀或采取其他措施，用以排出不凝性气体，消除它的影响。

图13—13  蒸气中空气含量对冷凝给热的影响

　　(4)冷凝表面情况的影响  实践证明，蒸气冷凝给热在下列情况下受到冷凝表面条件的影响往往不可忽视。如表面粗糙不平或有氧化层时，一方面由于表面附加给冷凝液膜流动的阻力，使膜的厚度增加，给热系数相应地要减少；另一方面，表面上的氧化层上热阻也同样会对给热发生影响。

　　下面所述的计算方法都是按光滑、清洁表面考虑的，因此冷凝给热系数α的计算结果应乘以表13—2中的校正系数(污垢热阻除外)。但是上面已经提到过的如果由于冷凝液不能润湿壁面，产生滴状冷凝，给热系数α反而会增大。

　　综上所述，影响蒸气冷凝给热系统的主要因素可以表示为下面的函数关系：

α＝f(l，λ，γ，g，Cp，r，△t，μ)　　(13—3)

式中  α——蒸气冷凝时的给热系数，kcal／(m²·h·℃)；

　　  l——管壁的几何尺寸，m。对于垂直放置的管子取管长l；对于水平放置的管子，取管外径d₀；若为一束水平管时，取 ，n为已知管子总数，m为垂直排的数目；

　　  λ——冷凝液的热导率，kcal／(m·h．℃)；

　　  γ——冷凝液的重度，kg／m³；

　　  g——重力加速度；

　　  Cp——冷凝液的定压比热容，kcal／(kg·℃)；

　　  r——蒸气在冷凝温度下的潜热，kcal／kg；

　　△t——蒸气冷凝温度和壁面温度之差，℃；

　　μ——冷凝液的黏度，kg·s／m²。

　　注：1cal=4．1840J。

　　蒸气冷凝的膜系数。的计算式也常整理成准数关系式的形式，所得结果可用准数之间的函数关系式表示如下：

Na=f(Ga，Pr，KD)　　(13－4)

式中　 ，称伽利略数，它表示重力作用流体流动情况对给热的影响；

　　　 ，称普兰德数，它表示流体物性对给热的　　影响；

　　　 ，称冷凝数，表示相变化时，对给热的影响。

　　3．表面冷凝器的热计算

　　冷凝器的热计算是为了确定换热面积，或者已知面积计算所能传递的热量，作为校核计算。

　　蒸气在膜状冷凝时，放出的潜热必须穿过液体膜层才能传到冷却壁上。如果液膜的流动状态属于层流，那么通过液膜的热量的传递就只能依靠导热。由于液膜的厚度从上至下愈积愈厚，所以局部给热系数。从起始凝结的地点开始，愈往下愈小，在热计算中，求取整个壁面的平均给热系数口。

　　(1)列管式冷凝的热计算  将式(13—4)中各数展开整理并由实验得出常数后，可得下列实验公式。

　　蒸气在单根水平管上冷凝：

　　　　　　  (13—5)

式中  d_外——管外径。

　　蒸气在垂直管板上冷凝时：

　　　　　　   (13—6)

式中  h——垂直管或板的高度。

　　当蒸气在水平管束上冷凝时，式(13—5)中的d_外须用上下排列的诸管外径之和，即 代替之，其中n为管的总数，m为管的垂直列数。

　　(2)翅管空冷冷凝器的热计算这种冷凝器在外壁加翅片，传热系数可按翅壁计算。如图13—14所示。设整个翅壁由两种不同材料制成，厚度为δ的平直部分的热阻为λ_δ，而在翅片的热阻可以忽略(即导热很好)，这样就可以近似地运用外环热阻叠加原理计算传热系数。

图13—14  翅壁传热

　　　　   (13—7)

式中，翅面面积与光面面积的比值F_翅／F_光，称翅化系数。

　　[例3]  外壁有翅的空气冷凝器，翅化系数13，壁厚δ＝10mm，材料的热导率λ为40kcal／(m²·h·℃)，管内光表面冷凝高湿有机蒸气的平均给热系数 ＝1000kcal／(m²·h·℃)，管外翅片表面的给热系数 ＝10kcal／(m²·h·℃)，求传热系数K。

　　解  将已知数据代入公式(13—7)：

　　不加翅片情况下：

　　注：1cal＝4．1840J。

　　由此可见，两种情况相差较大，加翅片可以使传热系数增加许多。