管壳式换热器工程设计论文.

管壳式换热器工程设计论文

2019-11-19

1管壳式换热器的工作原理

在工业生产中广泛运用到管壳式换热器，管壳式换热器是由圆筒形的壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等组成的。其中，壳体内部装有两端固定在管板上的管束。冷热两种流体用来换热，在管内流动的是管程流体，在管外流动的是壳程流体。在壳体内通常安装一些挡板，以使管外流体的传热分系数增大。挡板可使壳程流体速度提高，从而使流体湍流程度增强，流体能够按规定路程多次横向通过管束。在管板上，换热管的排列可以按照等边三角形或正方形。排列为等边三角形显得紧凑，使得管外流体湍流程度增强，提高传热分系数；排列为正方形则清洗管外方便，对于易结垢的流体非常适用。

2管壳式换热器工艺设计

管壳式换热器工艺设计应该符合特定的工艺条件，比如要具有安全可靠的结构，制造、安装、操作和维修方便，经济成本低，设计技术具有科学性等。理想的管壳式换热器可以是两端管板分别与壳体固定和在壳体内自由浮动，壳体和管束的膨胀自由，从而在两种介质间存在较大的温差的情况下，不会在管束和壳体之间产生温差应力。把浮头端设计成可拆结构，可以使管束插入或抽出壳体容易。也可以把浮头端设计成不可拆的。

3管壳式换热器的工艺设计方法

管壳式换热器的工艺设计主要是针对传热设计和压降设计这两个方面，管壳式换热器的工艺设计方法主要包括下面几个。

3.1Colburn-Donohue方法

管壳式换热器的壳侧的传热和流动过程是非常复杂的，尤其是壳侧的传热和压降设计计算非常重要，一些设计原理就是通过壳侧传热和压降计算方法的确定而建立的。1933年，以理想管排数据为基础的壳侧传热系数计算关联式由Colburn首先提出。而带有折流板的管壳式换热器中存在漏流和旁流,采用Sieder-Tate关联式计算进行设计更为方便。因为管壳式换热器中同时发生流体的传热与流动阻力，它们是相互制约的，所以，在设计计算中应将流体的传热与流动阻力作为一个整体考虑。1949年,完整的管壳式换热器综合设计方法由Donohue首次提出。这种方法的传热计算式对Colburn关联式进行了修正，这种方法称为Colburn-Donohue方法。

3.2Kern方法

在Colburn-Donohue法的基础上，Kern方法进行了一定的改进。Kern方法将设计作为一个整体来处理，考虑传热、壳程管程流动、温度分布、污垢及结构等问题。后来对这一设计方法又进行了总结,新的内容增加了进去,它已经成为目前管壳式换热器的重要设计参考书，对管壳式换热器的发展和研究具有巨大的价值。3.3Bell-Delaware方法Bell在前人研究成果的基础上，为了进一步对管壳式换热器壳程的工艺设计进行改进，提出了Bell-Delaware方法。Bell-Delaware方法是一种精确度较高的半理论方法，它利用大量实验数据，将各流路的校正系数引入，将传热、流动与结构的综合效应考虑在内,但是由实验数据回归得到该方法的传热关联式中的系数与指数，该方法的适用范围有一定的限制，总体来说是有利有弊的。

3.4流路分析方法

为克服Bell-Delaware法的.受到适用范围的限制的局限性，美国传热研究公司提出了具有独创性的流路分析法，该方法是在引用自己的研究成果并利用Tinker的流动模型和Delaware大学的实验数据的基础上提出的。1979年，天津大学提出了应用计算机进行计算的计算壳侧压降的流路分析法。1984年，Wills和Johnson简化了流路分析法，使该方法进行手工计算也非常方便。该方法应该加以发扬，所依赖的各种流路阻力系数仍属于经验公式。

3.5基于计算流体动力学的设计方法

随着计算机技术和信息技术的飞速发展，管壳式换热器的设计也正在逐渐摆脱繁杂计算、经验设计以及经济效益问题的单纯设计。计算机在管壳式换热器设计方面的应用经历了以下三个阶段。（1）为了代替繁琐的手工设计，开发通用的程序，将管壳式换热器标准的工艺和机械设计等考虑到，建立管壳式换热器的计算机辅助设计系统；（2）在设计程序中引入工程最优化理论，目标函数为年度投资操作和维护费用最低、换热器面积最小、年净收益最大等,建立管壳式换热器的优化设计软件包；（3）根据计算流体动力学(CFD)和数值传热学，进行管壳式换热器的三维流动和传热行为数值模拟，从而从根本上解决管壳式换热器的设计和放大问题。其中，起步较早、进展较快的是前两阶段的工作，部分工作已有市售软件或者设计软件包。这些市售软件或者设计软件包在国内得到了广泛应用，已成为换热器工艺计算的主要手段。1972年，最后阶段的工作开始相对较晚，由Patan-kar提出。管壳式换热器内的流动是复杂的三维流动，这方面的工作仍然处于学术研究阶段，要完全准确地模拟出来工业规模换热器内部的每一个流动和传递细节，从而确定出来流动阻力和换热系数，对于这方面的工作科研工作者仍然需要继续进行研究。