管壳式换热器设计
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图2 1 － 2 型冷凝器换热单元
对于无相变设计， 当折流板的数目足够多时， 子单元内的平均温度差近似等于两流体靠近前端 管箱一侧的温度差， 但对于冷凝计算， 若直接用靠 近前端管箱一侧的温差代替对数平均温差 ， 误差 较大， 需引入温差修正系数 F t ， 壳程流体传热速 率方程： Q = Ft U Sx （ t' － T x ） n （ 1）
αt = 式中
∑ i =1
α ti A ti （ 6） 3． 2 软件功能
图3
软件输入界面
At
— —管内单元传热膜系数， W / （ m2 ·K） αti — A ti — — —管内单元换热面积， m2 壳程平均传热系数：
N b +1
本软件 可 以 实 现 固 定 管 板 式 、 浮头式及 U 形管式换 热 器 的 工 艺 设 计 ， 可以完成无相变传 热及有相变传热 （ 冷凝和沸腾 ） 设计计算 。 设计 时首先要 根 据 工 程 经 验 初 选 换 热 系 数 ， 根据计 算得到的 所 需 换 热 面 积 选 择 换 热 器 结 构 ， 确定 分段单元 ， 计算温度分布 ， 并选取各段平均温度 对应的物 性 参 数 ， 依次对每个单元进行工艺设 计， 最后计算换热器实际的总传热系数 ， 并将实 际总传热 系 数 与 初 选 换 热 系 数 比 较 ， 如果误差 超 过 20% ， 则 调 整 初 选 换 热 系 数， 反复迭代计 算， 直到满 足 要 求 ， 然 后 进 行 压 降 校 核 计 算， 若 压降不 满 足 要 求 ， 则 返 回 重 新 选 择 结 构 参 数。 设计计算完成后 ， 可以选择输出结构参数 、 分段 单元性能参数以及温度分布等 。 程序流程如图 4 所示 。 本软件设计分为选型设计和 优 化 设 计 两部分 。 在 选 型 设 计 中 ， 需用户手动选择管壳 程结构参数 ， 然后进行计算 ， 并判断结果是否满 ［12 15］ 。 在换热器设计过程中 ， 足工艺要求 往往 有多个尺 寸 的 换 热 器 满 足 工 艺 要 求 ， 但这些换 热器的传 热 与 压 降 性 能 一 般 都 不 相 同 ， 这就使 得选型 设 计 得 到 的 结 果 很 可 能 不 是 最 优 的 结 因此本文开发了优化设计程序 ， 在优化设计 果， 中， 用户只需输入工艺条件及物性数据 ， 不需要
收稿日期： 基金项目： 2012 － 07 － 09 修稿日期： 2012 － 10 － 11
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要：
经验交流
（ 华东理工大学机械与动力工程学院承压系统与安全教育部重点实验室， 上海 200237 ） 传统管壳式换热器的设计工作量大 、 效率低， 设计方法比较粗糙， 设计偏差较大。 本文基于 VB6． 0 编程语言，
图1 管壳式换热器分段单元示意
Sx （ t' Ⅰ － T x ） n
（ 4）
2． 2
温度分布
管程流体能量方程为： Q1 = m t （ h Ⅰ － h' Ⅰ ）
＇ 2 = mt ［ （ at2 ）］ 1 + bt1 + c ） － （ at1 + bt' + c
采用有限差分法计算单元温度分布， 不仅简 单快捷， 而且精度很高。 雷俊杰等对换热器无相 变传热温度分布计算做了详细研究， 但对于冷凝
n（ N b + 1 ）
管壳式换热器的设计参数多， 步骤繁琐， 很多 参数都要反复调整核算。 利用 VB 语言， 建立便 于操作的友好界面， 通过界面输入或选取参数， 然 后简单操作即可完成设计。 图 3 为软件的主界 面， 用户可以在树形目录中选择不同的设计类型 ， 界面上浅灰色输入框为可选输入项， 用户可以根 据实际经验或要求手动输入， 也可以使用软件默 “计算 ” 按钮， 即可开始设计计 认程序计算。单击 算， 并输出结果。
教育部交叉学科与重大项目培育基金项目； 承压系统与安全教育部重点实验室重点科研基地专项基金项目
2013 年第 41 卷第 4 期
流
体
机
械
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温度 变 化 较 大 时， 流体物性参数的影响会很 ［4 ， 5 ］ ， 大 这也是换热器设计不确定性的主要原因， 基于上述问题， 本文采用分段设计方法， 将换热器 按照管壳程结构划分成有限个单元， 分别进行设 计计算， 有效减小换热器设计误差。 随着计算机的发展， 工业设计大都采用计算 VB6． 0 作为 Windows 系统下的 机程序进行计算， ［6 ， 7 ］ ， 软件开发工具 具有开发效率高、 设计灵活、 界面友好、 交互性强等优点， 本文运用 VB6． 0 编 程语言， 开发了管壳式换热器设计软件， 不仅节省 计算时间， 而且提高了设计精度， 还能为后续软件 升级提供保证。 2 2． 1 设计原理 分段设计
（ 5） 联立式（ 1 ） 和 （ 5 ） 可得 Ⅰ 管程第 x 单元温度
40
FLUID MACHINERY
No． 4 ， 2013 Vol. 41 ，
t1 ； 同理， 可得下方Ⅱ管程第 x 单元温度。 开始计算时需初选换热系数 U 及温差修正 系 数 F t ，如 果 最 右 端 单 元 温 度 t Ⅱ －n（ N b +1） ＜ t1 －n（ N b +1） ， 或者 t Ⅱ －n（ N b +1） t1 －n（ N b +1） ， 则重新选择 返回迭代计算； 如果换热系数超出经验 换热系数， ， 值范围 则调整 Ft 值， 返回迭代计算， 直至满足条 件。计算得到单元温度分布后， 代入式 （ 3 ） ， 可得 到单元气相分率。 2． 3 设计计算 对于无相变传热， 根据每个单元的雷诺数 Re 选择对应的传热与压降公式进行计算 。对于有相 变传热（ 冷凝传热或沸腾传热 ） ， 需首先计算流型 Cg Rlh ， 参数 和均相流体积分率 根据流型图判断 单元流体流动状态， 并选择公式计算； 对于有相变 传热压降计算， 需根据气相分率判断流动模型，y y ＜ 0． 7 时为分离流， ≥ 0 ． 7 时为均相流， 依次完成 单元设计计算。 管程平均传热系数：
檭殐
管壳式换热器设计及软件开发
许光第， 周帼彦， 朱冬生， 曾力丁， 朱凌云， 朱 辉， 郭 震
Development of the Design Software for Shell and Tube Heat Exchanger
前言
点和难点在于壳程流体流动与传热具有复杂性和 不确定性， 结果难以准确预测， 所以准确计算壳程 传热膜系数和压降成为管壳式换热器设计的一个 ［2 ］ 重要研究对象 。 目前公开的设计方法结果都 其中 Bell 法是应用最为广泛， 也是计 不很理想， ［3 ］ 算相对最准确的设计方法 ， 这种方法把换热器 作为一个整体来考虑， 但未能涉及到换热器内部 的温度场和随温度场变化的一系列参数， 尤其是
需要借助专业物性软件生成的冷凝曲 温度分布， 线来计算， 利用专业物性软件实际上只是得到热 流体几个温度点和气相分率及对应的焓值 ， 对于 特定介质， 其冷凝曲线是确定的， 因此可以拟合出 焓值 － 温度和气相分率 － 温度间的关系式， 进而 ［11 ］ 求解温度分布 。这里以 1 － 2 型冷凝器设计为 例 （ 管程冷凝 ） ， 介绍冷凝温度分布计算， 如图 2 所示， 换热器折流板数为 N b ， 管程数为 n， 模型做 以下假设： （ 1 ） 冷却介质质量流速及定压比热沿整个换 热器是常量。 （ 2 ） 壳程流体在横截面上均匀混合， 温度相 等。
Abstract ：
is rough，which creates large deviation． Based on VB6． 0 ，this paper has developed a new heat exchanger design software using sectional design method，This method divides exchanger into a finite number of units in accordance with the process structure， solves each unit inlet and outlet temperature under the process condition， followed by the design of each unit， and then completes the whole design of heat exchanger． Segmented calculation is fully considered the impact of the fluid properties with temperature change， the design error is very small contrast to HTRI． This software can be used for selected type design， as well as optimal design， which takes the ratio of the overall heat transfer coefficient and the total pressure drop as evaluation criteria and selects the highest performance structure． Key words： shellandtube heat exchanger； temperature distribution； segmented calculation； software
已知管程进出口温度和管箱侧的壳程温度， 则换热器设计型计算和校核型计算时的所有工艺 温度都可以得到。根据物性软件拟合焓值 － 温度 和气相分率 － 温度间的关系式： h = at2 + bt + c y = mt + nt + p
2
（ 2） （ 3）
从左向右依次进行设计计算， 边界条件： S = 0 时， tⅠ = to ， tⅡ = ti ， Tx = To 以壳程第 x 个单元为研究对象， 管程上方子 单元内， 壳程流体速率方程为： Q1 = F t U
1
设计方法粗糙、 设计精度低是传统管壳式换 ［1 ］ 热器制 造 成 本 和 运 行 成 本 过 大 的 原 因 之 一 。 国外对管壳式换热器设计的研究已经取得了显著 成果， 其中影响最大的是 HTRI 和 HTFS 两家公 司， 但出于商业机密原因， 设计方法一直没有公 开。在管壳式换热器发展的几十年中， 设计的重
源自文库
XU Guangdi， ZHOU Guoyan， ZHU Dongsheng， ZENG Liding， ZHU Lingyun， ZHU Hui， GUO Zhen
（ Key Laboratory of Pressure Systems and Safety of Ministry of Education， School of Mechanical and Power Engineering， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237 ， China） The workload of traditional heat exchanger design is heavy and the efficiency is very low． Conventional design method
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文章编号：
FLUID MACHINERY
1005 － 0329 （ 2013 ） 04 － 0038 － 05
No． 4 ， 2013 Vol. 41 ，
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摘
使用分段设计方法， 开发出了管壳式换热器设计软件， 该设计方法将换热器按照管壳程结构分为有限个单元， 根据工艺 条件， 求解单元温度分布， 依次对每个单元进行设计， 进而完成整台换热器的设计， 该方法充分考虑了介质物性随温度变 化对设计的影响， 设计结果与 HTRI 对比， 误差很小。 本软件可根据需要进行选型设计， 也可以以总传热系数与总压降 的比值 K / ΔP 为评价标准， 选取性能最高的换热器结构， 完成优化设计。 关键词： 管壳式换热器； 温度分布； 分段设计； 软件 TH12 ； TK202 文献标识码： B doi： 10． 3969 / j． issn． 1005 － 0329． 2013． 04． 009 中图分类号：
在换热器设计中， 各设计目标之间存在一定 这使得构造目标函数最优点集的隶属 的矛盾性， 函数非常困难， 流体物性参数随温度的变化是产 生不确定性的主要因素， 而传统的换热器设计方 法未能从根本上解决这些问题。本文采用分段计 ［8 10 ］ ， 将换热器按照管壳程的几 算方法进行设计 何结构和流动形式分为有限个连续的换热单元 ， 流体物性取每个单元平均温度对应的物性参数 ， 有效降低了物性变化带来的影响 。如果壳程数为 Ns， 管程数为 n， 折流板数为 N b ， 那么总换热单元 单壳程双管程 数为（ N b + 1 ） N s n 个； 如图 1 所示， 换热器， 折流板数为 2 ， 则共有 6 个换热单元。 分 别求出每个单元流体的进出口温度， 得到各单元 的传热系数和压降， 进而求出整个换热器的总传 热系数和压降， 完成工艺计算， 可以看出， 分段设 计计算最重要的步骤是要得到每个单元的温度分 布。
对于无相变设计， 当折流板的数目足够多时， 子单元内的平均温度差近似等于两流体靠近前端 管箱一侧的温度差， 但对于冷凝计算， 若直接用靠 近前端管箱一侧的温差代替对数平均温差 ， 误差 较大， 需引入温差修正系数 F t ， 壳程流体传热速 率方程： Q = Ft U Sx （ t' － T x ） n （ 1）
αt = 式中
∑ i =1
α ti A ti （ 6） 3． 2 软件功能
图3
软件输入界面
At
— —管内单元传热膜系数， W / （ m2 ·K） αti — A ti — — —管内单元换热面积， m2 壳程平均传热系数：
N b +1
本软件 可 以 实 现 固 定 管 板 式 、 浮头式及 U 形管式换 热 器 的 工 艺 设 计 ， 可以完成无相变传 热及有相变传热 （ 冷凝和沸腾 ） 设计计算 。 设计 时首先要 根 据 工 程 经 验 初 选 换 热 系 数 ， 根据计 算得到的 所 需 换 热 面 积 选 择 换 热 器 结 构 ， 确定 分段单元 ， 计算温度分布 ， 并选取各段平均温度 对应的物 性 参 数 ， 依次对每个单元进行工艺设 计， 最后计算换热器实际的总传热系数 ， 并将实 际总传热 系 数 与 初 选 换 热 系 数 比 较 ， 如果误差 超 过 20% ， 则 调 整 初 选 换 热 系 数， 反复迭代计 算， 直到满 足 要 求 ， 然 后 进 行 压 降 校 核 计 算， 若 压降不 满 足 要 求 ， 则 返 回 重 新 选 择 结 构 参 数。 设计计算完成后 ， 可以选择输出结构参数 、 分段 单元性能参数以及温度分布等 。 程序流程如图 4 所示 。 本软件设计分为选型设计和 优 化 设 计 两部分 。 在 选 型 设 计 中 ， 需用户手动选择管壳 程结构参数 ， 然后进行计算 ， 并判断结果是否满 ［12 15］ 。 在换热器设计过程中 ， 足工艺要求 往往 有多个尺 寸 的 换 热 器 满 足 工 艺 要 求 ， 但这些换 热器的传 热 与 压 降 性 能 一 般 都 不 相 同 ， 这就使 得选型 设 计 得 到 的 结 果 很 可 能 不 是 最 优 的 结 因此本文开发了优化设计程序 ， 在优化设计 果， 中， 用户只需输入工艺条件及物性数据 ， 不需要
收稿日期： 基金项目： 2012 － 07 － 09 修稿日期： 2012 － 10 － 11
檭檭檭檭檭殐
要：
经验交流
（ 华东理工大学机械与动力工程学院承压系统与安全教育部重点实验室， 上海 200237 ） 传统管壳式换热器的设计工作量大 、 效率低， 设计方法比较粗糙， 设计偏差较大。 本文基于 VB6． 0 编程语言，
图1 管壳式换热器分段单元示意
Sx （ t' Ⅰ － T x ） n
（ 4）
2． 2
温度分布
管程流体能量方程为： Q1 = m t （ h Ⅰ － h' Ⅰ ）
＇ 2 = mt ［ （ at2 ）］ 1 + bt1 + c ） － （ at1 + bt' + c
采用有限差分法计算单元温度分布， 不仅简 单快捷， 而且精度很高。 雷俊杰等对换热器无相 变传热温度分布计算做了详细研究， 但对于冷凝
n（ N b + 1 ）
管壳式换热器的设计参数多， 步骤繁琐， 很多 参数都要反复调整核算。 利用 VB 语言， 建立便 于操作的友好界面， 通过界面输入或选取参数， 然 后简单操作即可完成设计。 图 3 为软件的主界 面， 用户可以在树形目录中选择不同的设计类型 ， 界面上浅灰色输入框为可选输入项， 用户可以根 据实际经验或要求手动输入， 也可以使用软件默 “计算 ” 按钮， 即可开始设计计 认程序计算。单击 算， 并输出结果。
教育部交叉学科与重大项目培育基金项目； 承压系统与安全教育部重点实验室重点科研基地专项基金项目
2013 年第 41 卷第 4 期
流
体
机
械
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温度 变 化 较 大 时， 流体物性参数的影响会很 ［4 ， 5 ］ ， 大 这也是换热器设计不确定性的主要原因， 基于上述问题， 本文采用分段设计方法， 将换热器 按照管壳程结构划分成有限个单元， 分别进行设 计计算， 有效减小换热器设计误差。 随着计算机的发展， 工业设计大都采用计算 VB6． 0 作为 Windows 系统下的 机程序进行计算， ［6 ， 7 ］ ， 软件开发工具 具有开发效率高、 设计灵活、 界面友好、 交互性强等优点， 本文运用 VB6． 0 编 程语言， 开发了管壳式换热器设计软件， 不仅节省 计算时间， 而且提高了设计精度， 还能为后续软件 升级提供保证。 2 2． 1 设计原理 分段设计
（ 5） 联立式（ 1 ） 和 （ 5 ） 可得 Ⅰ 管程第 x 单元温度
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FLUID MACHINERY
No． 4 ， 2013 Vol. 41 ，
t1 ； 同理， 可得下方Ⅱ管程第 x 单元温度。 开始计算时需初选换热系数 U 及温差修正 系 数 F t ，如 果 最 右 端 单 元 温 度 t Ⅱ －n（ N b +1） ＜ t1 －n（ N b +1） ， 或者 t Ⅱ －n（ N b +1） t1 －n（ N b +1） ， 则重新选择 返回迭代计算； 如果换热系数超出经验 换热系数， ， 值范围 则调整 Ft 值， 返回迭代计算， 直至满足条 件。计算得到单元温度分布后， 代入式 （ 3 ） ， 可得 到单元气相分率。 2． 3 设计计算 对于无相变传热， 根据每个单元的雷诺数 Re 选择对应的传热与压降公式进行计算 。对于有相 变传热（ 冷凝传热或沸腾传热 ） ， 需首先计算流型 Cg Rlh ， 参数 和均相流体积分率 根据流型图判断 单元流体流动状态， 并选择公式计算； 对于有相变 传热压降计算， 需根据气相分率判断流动模型，y y ＜ 0． 7 时为分离流， ≥ 0 ． 7 时为均相流， 依次完成 单元设计计算。 管程平均传热系数：
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管壳式换热器设计及软件开发
许光第， 周帼彦， 朱冬生， 曾力丁， 朱凌云， 朱 辉， 郭 震
Development of the Design Software for Shell and Tube Heat Exchanger
前言
点和难点在于壳程流体流动与传热具有复杂性和 不确定性， 结果难以准确预测， 所以准确计算壳程 传热膜系数和压降成为管壳式换热器设计的一个 ［2 ］ 重要研究对象 。 目前公开的设计方法结果都 其中 Bell 法是应用最为广泛， 也是计 不很理想， ［3 ］ 算相对最准确的设计方法 ， 这种方法把换热器 作为一个整体来考虑， 但未能涉及到换热器内部 的温度场和随温度场变化的一系列参数， 尤其是
需要借助专业物性软件生成的冷凝曲 温度分布， 线来计算， 利用专业物性软件实际上只是得到热 流体几个温度点和气相分率及对应的焓值 ， 对于 特定介质， 其冷凝曲线是确定的， 因此可以拟合出 焓值 － 温度和气相分率 － 温度间的关系式， 进而 ［11 ］ 求解温度分布 。这里以 1 － 2 型冷凝器设计为 例 （ 管程冷凝 ） ， 介绍冷凝温度分布计算， 如图 2 所示， 换热器折流板数为 N b ， 管程数为 n， 模型做 以下假设： （ 1 ） 冷却介质质量流速及定压比热沿整个换 热器是常量。 （ 2 ） 壳程流体在横截面上均匀混合， 温度相 等。
Abstract ：
is rough，which creates large deviation． Based on VB6． 0 ，this paper has developed a new heat exchanger design software using sectional design method，This method divides exchanger into a finite number of units in accordance with the process structure， solves each unit inlet and outlet temperature under the process condition， followed by the design of each unit， and then completes the whole design of heat exchanger． Segmented calculation is fully considered the impact of the fluid properties with temperature change， the design error is very small contrast to HTRI． This software can be used for selected type design， as well as optimal design， which takes the ratio of the overall heat transfer coefficient and the total pressure drop as evaluation criteria and selects the highest performance structure． Key words： shellandtube heat exchanger； temperature distribution； segmented calculation； software
已知管程进出口温度和管箱侧的壳程温度， 则换热器设计型计算和校核型计算时的所有工艺 温度都可以得到。根据物性软件拟合焓值 － 温度 和气相分率 － 温度间的关系式： h = at2 + bt + c y = mt + nt + p
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（ 2） （ 3）
从左向右依次进行设计计算， 边界条件： S = 0 时， tⅠ = to ， tⅡ = ti ， Tx = To 以壳程第 x 个单元为研究对象， 管程上方子 单元内， 壳程流体速率方程为： Q1 = F t U
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设计方法粗糙、 设计精度低是传统管壳式换 ［1 ］ 热器制 造 成 本 和 运 行 成 本 过 大 的 原 因 之 一 。 国外对管壳式换热器设计的研究已经取得了显著 成果， 其中影响最大的是 HTRI 和 HTFS 两家公 司， 但出于商业机密原因， 设计方法一直没有公 开。在管壳式换热器发展的几十年中， 设计的重
源自文库
XU Guangdi， ZHOU Guoyan， ZHU Dongsheng， ZENG Liding， ZHU Lingyun， ZHU Hui， GUO Zhen
（ Key Laboratory of Pressure Systems and Safety of Ministry of Education， School of Mechanical and Power Engineering， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237 ， China） The workload of traditional heat exchanger design is heavy and the efficiency is very low． Conventional design method
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文章编号：
FLUID MACHINERY
1005 － 0329 （ 2013 ） 04 － 0038 － 05
No． 4 ， 2013 Vol. 41 ，
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摘
使用分段设计方法， 开发出了管壳式换热器设计软件， 该设计方法将换热器按照管壳程结构分为有限个单元， 根据工艺 条件， 求解单元温度分布， 依次对每个单元进行设计， 进而完成整台换热器的设计， 该方法充分考虑了介质物性随温度变 化对设计的影响， 设计结果与 HTRI 对比， 误差很小。 本软件可根据需要进行选型设计， 也可以以总传热系数与总压降 的比值 K / ΔP 为评价标准， 选取性能最高的换热器结构， 完成优化设计。 关键词： 管壳式换热器； 温度分布； 分段设计； 软件 TH12 ； TK202 文献标识码： B doi： 10． 3969 / j． issn． 1005 － 0329． 2013． 04． 009 中图分类号：
在换热器设计中， 各设计目标之间存在一定 这使得构造目标函数最优点集的隶属 的矛盾性， 函数非常困难， 流体物性参数随温度的变化是产 生不确定性的主要因素， 而传统的换热器设计方 法未能从根本上解决这些问题。本文采用分段计 ［8 10 ］ ， 将换热器按照管壳程的几 算方法进行设计 何结构和流动形式分为有限个连续的换热单元 ， 流体物性取每个单元平均温度对应的物性参数 ， 有效降低了物性变化带来的影响 。如果壳程数为 Ns， 管程数为 n， 折流板数为 N b ， 那么总换热单元 单壳程双管程 数为（ N b + 1 ） N s n 个； 如图 1 所示， 换热器， 折流板数为 2 ， 则共有 6 个换热单元。 分 别求出每个单元流体的进出口温度， 得到各单元 的传热系数和压降， 进而求出整个换热器的总传 热系数和压降， 完成工艺计算， 可以看出， 分段设 计计算最重要的步骤是要得到每个单元的温度分 布。