目 录一、 概述 31. 换热器的结构形式 32.换热器材质的选择 33. 管板式换热器的优点 44.列管式换热器的结构 55.管板式换热器的类型及工作原理 7二、 设计任务与操作条件 71.设计题目 72. 设计任务与操作条件 73.确定设计方案 84. 计算传热面积并初选换热器型号 81. 计算苯的流量： 82． 确定热流体及冷流体的物理性质： 83． 传热量计算： 84． 确定流体的温度： 85． 计算平均温度： 86． 设定管程流速、选择K值并估算传热面积： 95. 核算压力降： 101． 管程压力降： 102． 壳程压力降： 106. 核算总传热系数： 111、 管程对流传热系数 112、 壳程对流传热系数 12三、 参考文献 13四、 主要符号说明 13五、 课程设计感想 14一、 概述目前管板式换热器产品达到了一个成熟阶段,凭借其高效、节能、环保的优势,在各行业领域中被频繁使用, 并被用以替换原有管壳式和翅片式换热器,取得了很好的效果。1. 换热器的结构形式管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：（1） 固定管板式换热器固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。（2） 浮头式换热器浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高；增加了浮头盖以及连接件，在该处一旦发生泄漏不易被发现；管束外缘与壳壁之间间隙较大，减少了排管数目，容易引起壳程流体短路。（3） 填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。（4） U型管式换热器 结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。换热管束可以抽出，热应力可以消除。但管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。换热器的内层换热管一旦发生泄漏损坏，只能堵塞而不能更换。壳程内有一个不能排管的条形空间，影响结构的紧凑，而且要安装防短路的中间挡板。2. 换热器材质的选择在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 （1）碳钢 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。 （2）不锈钢 奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过 350℃的场合。（3）封头和管箱 封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。①封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。 ②管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。③分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。3. 管板式换热器的优点(1) 换热效率高,热损失小 在最好的工况条件下, 换热系数可以达到6000W/ m2K, 在一般的工况条件下, 换热系数也可以在3000～4000 W/ m2K左右,是管壳式换热器的3～5倍。设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。完成同一项换热过程, 板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/ 3～1/ 4。(2) 占地面积小重量轻 除设备本身体积外, 不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0. 6～0. 8mm。同样的换热效果, 板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。(3) 污垢系数低 流体在板片间剧烈翻腾形成湍流, 优秀的板片设计避免了死区的存在, 使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。(4) 检修、清洗方便 换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时, 仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。(5) 产品适用面广 设备最高耐温可达180 ℃, 耐压2. 0MPa , 特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面, 在低品位热能回收方面, 具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。 当然板式换热器也存在一定的缺点, 比如工作压力和工作温度不是很高, 限制了其在较为复杂工况中的使用。同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。4. 列管式换热器的结构介质流经传热管内的通道部分称为管程。 （1）换热管布置和排列间距 常用换热管规格有ф19×2 mm、ф25×2 mm(1Crl8Ni9Ti)、ф25×2.5 mm(碳钢10)。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。 （A） （B） （C） （D） （E）图 1-4 换热管在管板上的排列方式(A) 正方形直列 （B）正方形错列 (C) 三角形直列 （D）三角形错列 （E）同心圆排列 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350℃的场合。 （3）封头和管箱 封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。①封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。 ②管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。③分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。5. 管板式换热器的类型及工作原理 板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式;按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式; 按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。各种形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有针对性。比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同, 采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀, 并且设备拆装更加方便。又如焊接式板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器, 可以达到250 ℃、2. 5MPa 。因此同样是板式换热器, 因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。 虽然板式换热器有多种形式, 但其工作原理大致相同。板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起, 介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动, 在板片波纹的作用下形成激烈的湍流, 犹如用筷子搅动杯中的热水, 加大了换热的面积。冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触, 通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割, 或者通过大量的焊缝来保证, 在换热板片不开裂穿孔的情况下, 冷热介质不会发生混淆。二、 设计任务与操作条件1. 设计题目1.5万吨/年石脑油冷却器的设计2. 设计任务与操作条件 1) 石脑油：入口温度140℃，出口温度40℃2) 冷却介质：自来水，入口温度25℃，出口温度45℃3) 允许压强降：不大于100kPa4) 每年按300天24小时连续运行。两流体在定性温度下的物性数据物性流体 密度 ㎏/m3 比热KJ/(㎏•oC) 粘度 mPa•s 导热系W/(m•oC)石脑油 825 2.22 0.715 0.140水 994．0 4.17 0.727 0.6263. 确定设计方案1) 选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度140℃出口温度40℃；冷体进口温度25℃出口温度为45℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用列管式换热器。2) 管程安排循环冷却水易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降。但是由于石脑油是一种有毒且易燃易爆具有一定危险性的轻质油品，考虑到安全性和两物流的操作压力方面，应该让石脑油走管程，所以从总体考虑，应使石脑油走管程，循环冷却水走壳程。4. 计算传热面积并初选换热器型号1．计算石脑油的流量：根据《化工原理课程设计任务书》中的数据可以计算出石脑油的流量 2．确定热流体及冷流体的物理性质：物性流体 密度 ㎏/m3 比热KJ/(㎏•oC) 粘度 mPa•s 导热系W/(m•oC)石脑油 825 2.22 0.715 0.140水 994．0 4.17 0.727 0.6263．传热量计算： 忽略热损失，冷却水耗量为 4．确定流体的温度：本设计中热流体为石脑油，冷流体为水，故为使石脑油可以尽可能快的通过管壁面向冷却水中散热，可以增加传热面积提高冷却效果，令石脑油走管程而水走壳程。5．计算平均温度：按换热器中苯与水逆流来计算平均温度，以单壳程来考虑其温度校正系数 。石脑油：140℃→40℃ 水： 45℃←25℃ : 95℃ 15℃ 计算R和P： 由R、P值，查《化工原理（上册）》（天津大学化工学院夏清主编，修订版）（以下所提《化工原理》均指本书）P232页，图5-11（b）得 =0.85>0.8 , 故可以选用。 6．设定管程流速、选择K值并估算传热面积：参照P280页表4-14管壳式换热器中易燃,易爆液体的安全允许速度可取管程的流速为 由此可以确定所需单管程数 ，故取双管程管数为4根据两流体的情况，取K值为200W/(m2 •℃),则可以计算出单程换热器的管长为 取单管管长为6.0m，则管程 =10,由此可得总管数 =4n=40且 查找《化工原理（上册）》书后附录十九固定管板式换热器（TB/T 4715—92），并考虑到两流体温度差 ,为减少温差所引起的热应力，可选用带有膨胀节的固定管板式换热器，初选换热器型号为：G325Ⅳ-1.6-19，主要参数如下：外壳直径：325mm公称压力：1.6MPa公称面积：19m2管子尺寸： 管子数：40管长：6m管中心距：32mm管程数 ：4管子排列方式：正三角形管程流通面积：0.0031 实际传热面积 通过计算可知， ，即采用此换热面积的换热器要求过程的总传热系数为 。5. 核算压力降：1．管程压力降： ，其中 =1.4， =1， =2。管程流速： 雷诺系数为： 对于碳钢管，取管壁粗糙度 ，则相对粗糙度为 。在《化工原理（上册）》P54页查图1—27知，摩擦系数 ，将其带入前式，计算得 管程的压力降满足设计条件。2．壳程压力降：管子为正三角形排列，F=0.5 取折流挡板间距z=0.15m，D=0.7m， 折流挡板数为 壳程流通面积 壳程流速 故 计算结果表明，管程和壳程的压力降都能满足设计条件。6. 核算总传热系数：1、管程对流传热系数 （湍流）普朗特数 对流传热系数 2、壳程对流传热系数 管子为正三角形排列，则壳程中水被加热 （液体被加热时 ） 3、总传热系数K：管壁热阻和污垢热阻可忽略时，总传热系数K为： 与 ，故所选换热器是合适的，安全系数是 设计结果为：选用带有膨胀节的固定管板式换热器，型号为G325Ⅳ-1.6-19。三、 参考文献[1]《化工原理》天津大学化工原理教研室编 天津：天津大学出版社. （1999）[2]《换热器》秦叔经、叶文邦等 ，化学工业出版社（2003）[3]《化工原理（第三版）上、下册》谭天恩、窦梅、周明华等，化学工业出版社（2006）[4]《化工过程及设备设计》华南工学院化工原理教研室（1987）[5]《 化工原理课程设计》贾绍义等，天津大学出版社（2003）四、 主要符号说明硝基苯的定性温度 T 冷却水定性温度 t硝基苯密度 ρo 冷却水密度 ρi硝基苯定压比热容 cpo 冷却水定压比热容 cpi硝基苯导热系数 λo 冷却水导热系数 λi硝基苯粘度 μo 冷却水粘度 μi热流量 Wo 冷却水流量 热负荷 Qo 平均传热温差 总传热系数 管程雷诺数 温差校正系数 管程、壳程传热系数 初算初始传热面积 传热管数 初算实际传热面积 S 管程数 壳体内径 D 横过中心线管数 折流板间距 B 管心距 t折流板数 NB 接管内径 管程压力降 当量直径 壳程压力降 面积裕度 H五、 课程设计感想经过一个星期的奋战，终于完成了一个还算可以的换热器设计，这几天我过的很充实，是我大学生活里继两次实习后又一次最充实的生活，看着我们小组的劳动成果，心里有种说不出的感觉。毕竟我们的努力还算有所回报，我为自己的努力感到自豪，当然我也认识到了自己学习中的不足。 我想说：功夫不负有心人，为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐。我们一边忙着复习备考，一边还要做课程设计，时间对我们来说一下子变得很宝贵，真是恨不得睡觉的时间也拿来用了。当自己越过一个又一个难题时，笑容在脸上绽放。当我看到设计终于完成的时候，我乐了。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。从这次的课程设计中，我不仅巩固了课本的知识，还学到了许许多多其他的知识。我知道了每一个课程之间是融会贯通的。在化工原理的课程设计中也用到了机械制图基础的知识，可是自己的机械制图基础没有学好，于是就要重新翻书来确定自己的一些设计是否正确。 其次了解到团队合作很重要，每个人都有分工，但是又不能完全分开来，还要合作，所以设计的成败因素中还有团队的合作好坏。 这次设计让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！当然我的设计肯定有不足之处，希望老师批评指正，下次一定会做得更好。
Based on the papers[1] and[2], the equations, given in TEMA, ASME VIII - 1, CODAP, GB 151 - 89 and JG4732- 95, for calculating the stresses of the tubes and the shell in the fixed tubesheet exchangers were analyzed. It is pointed out again that the stresses of the tubes and the shell in the dangerous operating conditions have the significant meaning. 文献名称 有关规范对固定管板式换热器设计中管子、壳体应力规定的分析 Article Name英文(英语)翻译 Fixed Tubesheet Exchangers Stipulated by Some Relevant Codes; 作者 桂康宁; Author Gui KangningEducation and Training Center;Jin Ling Petrochemical Co.Nan Jing 210046; 作者单位Author Agencies 金陵石化公司教育培训中心 南京; 文献出处 Article From 中国科学院上海冶金研究所; 材料物理与化学(专业) 博士论文 2000年度 关键词 固定管板式换热器; 设计规范; 危险工况; 管子应力; 壳体应力; Keywords fixed tubesheet exchanger;design code;dangerous operating condition;tube stress;shell stress;
某生产过程中，需将6000kg/h的油从140℃冷却至40℃，压力为0.3MPa；冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水入口温度30℃，出口温度为40℃。试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。 1．确定设计方案 （1）选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃冷流体(循环水)进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。 （2）流动空间及流速的确定 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。 2．确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程油的定性温度为(℃)管程流体的定性温度为(℃)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 油在90℃下的有关物性数据如下： 密度ρo=825kg/m3定压比热容cpo=2.22kJ/(kg·℃)导热系数λo=0.140W/(m·℃)粘度μo=0.000715Pa·s循环冷却水在35℃下的物性数据： 密度ρi=994kg/m3定压比热容cpi=4.08kJ/(kg·℃)导热系数λi=0.626W/(m·℃)粘度μi=0.000725Pa·s3．计算总传热系数 （1）热流量 Qo=WocpoΔto=6000×2.22×(140-40)=1.32×106kJ/h=366.7(kW)（2）平均传热温差 (℃)（3）冷却水用量 (kg/h)（4）总传热系数K 管程传热系数 W/(m·℃)壳程传热系数 假设壳程的传热系数αo=290W/(m2·℃)； 污垢热阻Rsi=0.000344m2·℃/W,Rso=0.000172m2·℃/W管壁的导热系数λ=45W/(m·℃)=219.5W/(m·℃)4．计算传热面积 (m2)考虑15％的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×42.8=49.2(m2)。 5．工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速 选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m/s。 （2）管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按单程管计算，所需的传热管长度为(m)按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m，则该换热器管程数为(管程)传热管总根数N=58×2=116(根)（3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 第2章换热器设计按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得φΔt=0.82平均传热温差Δtm=φΔtΔ′tm=0.82×39=32(℃)（4）传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25d0，则 t=1.25×25=31.25≈32(mm)横过管束中心线的管数(根)（5）壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为 (mm)圆整可取D＝450mm （6）折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％，则切去的圆缺高度为h＝0.25×450＝112.5(mm)，故可取h＝110mm。 取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×450＝135(mm)，可取B为150。 折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=6000/150-1=39(块)折流板圆缺面水平装配。 （7）接管 壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u＝1.0m/s，则接管内径为 取标准管径为50mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u＝1.5m/s，则接管内径为 6．换热器核算 （1）热量核算 ①壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式 当量直径，由正三角形排列得 (m) 壳程流通截面积 (m) 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正 W/(m2·℃) ②管程对流传热系数 管程流通截面积(m2) 管程流体流速 普兰特准数W/(m2·℃) ③传热系数K=310.2W/(m·℃)④传热面积S(m2)该换热器的实际传热面积Sp(m2)该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 （2）换热器内流体的流动阻力 ①管程流动阻力 ∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNpNs=1,Np=2,Ft=1.5由Re＝13628，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.005，查莫狄图得λi＝0.037W/m·℃， 流速ui＝0.497m/s，ρ＝994kg/m3，所以 管程流动阻力在允许范围之内。 ②壳程阻力 ∑ΔPo=(ΔP′1+ΔP′2)FtNsNs＝l，Ft＝l流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 总阻力∑ΔPo＝1202＋636.2＝1838.2(Pa)＜10kPa壳程流动阻力也比较适宜。 ③换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果见表2-13。 表2-13换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器形式：固定管板式管口表 换热面积（m2）:48 符号 尺寸 用途 连接型式 工艺参数 a DN80 循环水入口 平面 名称 管程 壳程 b DN80 循环水出口 平面 物料名称 循环水 油 c DN50 油品入口 凹凸面 操作压力，MPa 0.4 0.3 d DN50 油品出口 凹凸面 操作温度，℃ 29/39 140/40 e DN20 排气口 凹凸面 流量，kg/h 32353 6000 f DN20 放净口 凹凸面 流体密度，kg/m3 994 825 附图 流速，m/s0.4970.137传热量，kW366.7总传热系数，W/m2·K310.2传热系数，W/m2·K2721476污垢系数，m2·K/W0.0003440.000172阻力降，MPa0.001730.00184程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格ф25×2.5管数116管长mm:6000管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式上下间距，mm150切口高度25%壳体内径，mm450保温层厚度，mm热交换设备
列管式换热器的设计计算 ________________________________________ 【关键词】列管式换热器 【论文摘要】列管式换热器的设计计算 列管式换热器的设计计算 ? 1． 流体流径的选择 ? 哪一种流体流经换热器的管程,哪一种流体流经壳程,下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例) ? (1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内,以便于清洗管子. (2) 腐蚀性的流体宜走管内,以免壳体和管子同时受腐蚀,而且管子也便于清洗和检修. (3) 压强高的流体宜走管内,以免壳体受压. (4) 饱和蒸气宜走管间,以便于及时排除冷凝液,且蒸气较洁净,冷凝传热系数与流速关系不大. (5) 被冷却的流体宜走管间,可利用外壳向外的散热作用,以增强冷却效果. (6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内,因管程流通面积常小于壳程,且可采用多管程以增大流速. (7) 粘度大的液体或流量较小的流体,宜走管间,因流体在有折流挡板的壳程流动时,由于流速和流向的不断改变,在低Re(Re>100)下即可达到湍流,以提高对流传热系数. ? 在选择流体流径时,上述各点常不能同时兼顾,应视具体情况抓住主要矛盾,例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求,然后再校核对流传热系数和压强降,以便作出较恰当的选择. 2. 流体流速的选择 增加流体在换热器中的流速,将加大对流传热系数,减少污垢在管子表面上沉积的可能性,即降低了污垢热阻,使总传热系数增大,从而可减小换热器的传热面积.但是流速增加,又使流体阻力增大,动力消耗就增多.所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出. 此外,在选择流速时,还需考虑结构上的要求.例如,选择高的流速,使管子的数目减少,对一定的传热面积,不得不采用较长的管子或增加程数.管子太长不易清洗,且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降.这些也是选择流速时应予考虑的问题. 3. 流体两端温度的确定 若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定,就不存在确定流体两端温度的问题.若其中一个流体仅已知进口温度,则出口温度应由设计者来确定.例如用冷水冷却某热流体,冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计,而换热器出口的冷水温度,便需要根据经济衡算来决定.为了节省水量,可使水的出口温度提高些,但传热面积就需要加大；为了减小传热面积,则要增加水量.两者是相互矛盾的.一般来说,设计时可采取冷却水两端温差为5～10℃.缺水地区选用较大的温度差,水源丰富地区选用较小的温度差. 4. 管子的规格和排列方法? 选择管径时,应尽可能使流速高些,但一般不应超过前面介绍的流速范围.易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径.我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×2.5mm及φ19×mm两种规格的管子. 管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则.长管不便于清洗,且易弯曲.一般出厂的标准钢管长为6m,则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m.系列标准中也采用这四种管长.此外,管长和壳径应相适应,一般取L/D为4～6(对直径小的换热器可大些). 如前所述,管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等,如第五节中图4－25所示.等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少,且管外流体扰动较大,因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子.正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁,适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低.正方形错列排列则介于上述两者之间,即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高.? 管子在管板上排列的间距 (指相邻两根管子的中心距),随管子与管板的连接方法不同而异.通常,胀管法取t=(1.3～1.5)do,且相邻两管外壁间距不应小于6mm,即t≥(d+6).焊接法取t=1.25do. 5. 管程和壳程数的确定? 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时,有时会使管内流速较低,因而对流传热系数较小.为了提高管内流速,可采用多管程.但是程数过多,导致管程流体阻力加大,增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少,设计时应考虑这些问题.列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种.采用多程时,通常应使每程的管子数大致相等. 管程数m可按下式计算,即: ? (4-121)? 式中?u―――管程内流体的适宜速度, m/s； ? u′―――管程内流体的实际速度, m/s.? 图4-49串联列管换热器 当壳方流体流速太低时,也可以采用壳方多程.如壳体内安装一块与管束平行的隔板,流体在壳体内流经两次,称为两壳程,如前述的图4-47和图4-48所示.但由于纵向隔板在制造、安装和检修等方面都有困难,故一般不采用壳方多程的换热器,而是将几个换热器串联使用,以代替壳方多程.例如当需二壳程时,则将总管数等分为两部分,分别安装在两个内径相等而直径较小的外壳中,然后把这两个换热器串联使用,如图4-49所示. 6. 折流挡板? 安装折流挡板的目的,是为了加大壳程流体的速度,使湍动程度加剧,以提高壳程对流传热系数. 第五节的图4－26已示出各种挡板的形式.最常用的为圆缺形挡板,切去的弓形高度约为外壳内径的10～40％,一般取20～25％,过高或过低都不利于传热. 两相邻挡板的距离(板间距)h为外壳内径D的(0.2～1)倍.系列标准中采用的h值为:固定管板式的有150、300和600mm三种；浮头式的有150、200、300、480和600mm五种.板间距过小,不便于制造和检修,阻力也较大.板间距过大,流体就难于垂直地流过管束,使对流传热系数下降. ?挡板切去的弓形高度及板间距对流体流动的影响如图3-42所示. ?7. 外壳直径的确定? 换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径.根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等,可用作图法确定壳体的内径.但是,当管数较多又要反复计算时,作图法太麻烦费时,一般在初步设计时,可先分别选定两流体的流速,然后计算所需的管程和壳程的流通截面积,于系列标准中查出外壳的直径.待全部设计完成后,仍应用作图法画出管子排列图.为了使管子排列均匀,防止流体走"短路",可以适当增减一些管子.? 另外,初步设计中也可用下式计算壳体的内径,即: ? (4-122) 式中 ?D――――壳体内径, m； ? t――――管中心距, m； ? nc―――－横过管束中心线的管数； ? b′―――管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离, 一般取b′=(1～1.5)do. nc值可由下面的公式计算. 管子按正三角形排列时: (4-123) 管子按正方形排列时: (4-124) 式中n为换热器的总管数. ?按计算得到的壳径应圆整到标准尺寸,见表4-15.? 8．主要构件? 封头封头有方形和圆形两种,方形用于直径小的壳体(一般小于400mm),圆形用于大直径 的壳体. 缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击,可在进料管口装设缓冲挡板. ?导流筒 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间(死角),为了提 高传热效果,常在管束外增设导流筒,使流体进、出壳程时必然经过这个空间.? 放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔,以排除不凝性气体和冷凝液等.? 接管尺寸 换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算,即: ?式中Vs--流体的体积流量, /s； ? ?u --接管中流体的流速, m/s. 流速u的经验值为:? 对液体 u=1.5～2 m/s 对蒸汽 u=20～50 m/s? 对气体 u=(15～20)p/ρ (p为压强,单位为atm ；ρ为气体密度,单位为kg/)? 9． 材料选用? 列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用.在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降.同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的.目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等.不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好,但价格高且较稀缺,应尽量少用. ?10． 流体流动阻力(压强降)的计算 ? (1) 管程流体阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得.对于多程换热器,其总阻力 Δpi等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和.一般进、出口阻力可忽略不计,故管程总阻力的计算式为: ? ? （4-125）? 式中 ?Δp1、Δp2------分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降,N/；? ? Ft-----结垢校正因数,无因次,对于φ25×2.5mm的管子, 取为1.4,对φ19×2mm的管子,取为1.5； ? ? Np-----管程数； ? ? Ns-----串联的壳程数.? 上式中直管压强降Δp1可按第一章中介绍的公式计算；回弯管的压强降Δp2由下面的经验公式估算,即: ? ? (4-126) (2) 壳程流体阻力 现已提出的壳程流体阻力的计算公式虽然较多,但是由于流体的流动状况比较复杂,使所得的结果相差很多.下面介绍埃索法计算壳程压强Δpo的公式,即: ? ? (4-127) 式中 Δp1′-------流体横过管束的压强降,N/； ?Δp2′-------流体通过折流板缺口的压强降,N/；? ?Fs --------壳程压强降的结垢校正因数,无因次,对液体可取 1.15,对气体或可凝蒸气 可取1.0 而 (4-128) (4-129) 式中 F----管子排列方法对压强降的校正因数,对正三角形排列F=0.5,对正方形斜转45°为0.4,正方形排列为0.3； ? fo----壳程流体的摩擦系数,当Reo＞500时, nC----横过管束中心线的管子数； ? NB----折流板数；? ? h ----折流板间距,m；? uo----按壳程流通截面积Ao计算的流速,而. 一般来说,液体流经换热器的压强降为 0.1～1atm,气体的为0.01～0.1atm.设计时,换热器的工艺尺寸应在压强降与传热面积之间予以权衡,使既能满足工艺要求,又经济合理. ?三、 列管式换热器的选用和设计计算步骤 ? 1． 试算并初选设备规格? (1) 确定流体在换热器中的流动途径.? (2) 根据传热任务计算热负荷Q.? (3) 确定流体在换热器两端的温度,选择列管式换热器的型式；计算定性温度,并确定在定性 温度下流体的性质. ?(4) 计算平均温度差,并根据温度校正系数不应小于0.8的原则,决定壳程数.? (5) 依据总传热系数的经验值范围,或按生产实际情况,选定总传热系数K选值.? (6) 由总传热速率方程?Q＝KSΔtm,初步算出传热面积S,并确定换热器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等),或按系列标准选择设备规格.? 2． 计算管、壳程压强降? 根据初定的设备规格,计算管、壳程流体的流速和压强降.检查计算结果是否合理或满足工 艺要求.若压强降不符合要求,要调整流速,再确定管程数或折流板间距,或选择另一规格的设备,重新计算压强降直至满足要求为止.? 3． 核算总传热系数? 计算管、壳程对流传热系数αi 和αo,确定污垢热阻Rsi和Rso,再计算总传热系数K',比较K得初始值和计算值,若K'/K＝1.15～1.25,则初选的设备合适.否则需另设K选值,重复以上计算步骤 .? 通常,进行换热器的选择或设计时,应在满足传热要求的前提下,再考虑其他各项的问题.它们之间往往是互相矛盾的.例如,若设计的换热器的总传热系数较大,将导致流体通过换热器的压强降(阻力）增大,相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积,可能使总传热系数和压强降降低,但却又要受到安装换热器所能允许的尺寸的限制,且换热器的造价也提高了. 此外,其它因素(如加热和冷却介质的用量,换热器的检修和操作)也不可忽视.总之,设计者应综合分析考虑上述诸因素,给予细心的判断,以便作出一个适宜的设计.
如果是毕业论文，我建议你按有一本发的《过程装备设计试验指南》就是那本红皮的，后面换热器部分，进行工艺计算与结构计算。一般建议以管壳式换热器为主，因为计算什么的比较成熟，GB151部分有详细讲解。其余换热器，可以看看《化工设备设计全书 换热器 2002》，这里面也有讲
节能环保之地源热泵简介： 地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量"取"出来，供给室内采暖，此时地能为"热源"；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为"冷源"。具有高效节能、经济环保、安全可靠、可自动运行等优点。关键字：地源热泵 冷热源 能量利用系数1.热泵的定义及原理在我国《暖通空调术语标准（GB50155-92）》中，对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”；在《新国际制冷词典（NewInternationalDictionaryofRefrigeration）》中，对“热泵”的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。可见，热泵在本质上是与制冷机相同的，只是运行工况不同。其工作原理是，由电能驱动压缩机，使工质（如R22）循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热（或制冷）功能。在此过程中，热泵的压缩机需要一定量的高位电能驱动，其蒸发器吸收的是低位热能，但热泵输出的热量是可利用的高位热能，在数量上是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和。热泵输出功率与输入功率之比称为热泵性能系数，即COP值（CoefficientofPerformance）。2.地（水）源热泵机组的工作原理是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。具有高效节能、经济环保、安全可靠、可自动运行等优点。3.地源热泵同空气源热泵相比，有什么优点地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：（1）全年温度波动小。冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此可节能和节省费用40%左右。（2）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。（3）地源有较好的蓄能作用。4.地源热泵系统的分类及其各自的优缺点1)Groundwaterheatpumps,GWHPs地下水热泵系统，也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。其最大优点是非常经济，占地面积小，但要注意必须符合下列条件：水质良好；水量丰富；回灌可靠；符合标准。2)(a)Horizontalground-coupledheatpump水平埋管地源热泵系统(b)Verticalboreholeground-coupledheatpump垂直埋管地源热泵系统。(a)和(b)两种方式都归属于Ground-coupleheatpumpsGCHPs（地下耦合热泵系统），也称埋管式土壤源热泵系统。还有另外一个术语叫Groundheatexchanger地下热交换器地源热泵系统。这一闭式系统方式，通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。对于垂直式埋管系统，其优点有：较小的土地占用，管路及水泵用电少，其缺点是钻井费用较高；对于水平式埋管系统，其优点有：安装费用比垂直式埋管系统低，应用广泛，使用者易于掌握，其缺点有：占地面积大，受地面温度影响大，水泵耗电量大。3)Surface-waterheatpumps,SWHPs地表水热泵系统。通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。归属于水源热泵方式。其优点有：在10米或更深的湖中，可提供10℃的直接制冷，比地下埋管系统投资要小，水泵能耗较低，高可靠性，低维修要求、低运行费用，在温暖地区，湖水可做热源，其缺点有：在浅水湖中，盘管容易被破坏，由于水温变化较大，会降低机组的效率。4）Standingcolumnwellheatpumps,SCW单井换热热井，也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为"热井"。这种方式下，在地下水位以上用钢套作为护套，直径和孔径一致；地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施。热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。这一方式主要应用于岩石地层，典型孔径为150mm，孔深450m。该系统适用于岩石地质地区，该地区岩石钻孔费用高，而与岩石直接换热，大大提高换热效率，节省钻孔、埋管费用。须得注意分析具体地质情况，做好隔热、封闭、过滤、实际换热量测算等具体工作。5)锅炉/冷却塔与地下埋管相结合的混合型地源热泵系统：适用于空间小，不能单独采用地下埋管换热系统的建筑或内外分区冬季有大量可利用的排热的建筑物，冷却塔和闭环式系统相结合制冷，节省成本；事实证明该系统是高效率、低费用的。它的补充热源有水地源、太阳能、电锅炉、城市热网……，额外排热由冷却塔或水地源来解决。其系统的设计需要详细计算各季节的散热与排热及总的中和后的散热或排热量来选择热源和冷却塔。下面是有关水源热泵行业的一个小的调查报告：一、目前国内市场上销售的水源热泵的生产企业，其中包括国内及国外生产企业国内：山东富尔达、清华同方、山东宏力、烟台荏原、泰豪科技、烟台光大、烟台蓝德、青岛澳柯玛、大连奥德、大连葆光、广州威尔、北京清源、杭州西亚特、苏州TRANE、深圳MACQUAY。。。美国水源热泵的制造厂商有著名的公司有AddisonProductsCompany、AdvancedGeothermalTechnology、CarrierCorporation、ClimateMasterInc.、EconarEnergySystemsCorporation、FHPManufacturing、MammothInc.、TheTraneCompany、WaterFurnaceInternational等公司。二、2004年全国水源热泵机组的市场总容量，其中包括国内企业销售量及国内进口量2004市场总容量：3--5亿，富尔达、同方过亿，其它都在几千万－－几百万三、国内外主要生产企业在国内的代表性工程简介（可以看各家的网站）四、水源热泵机组产品的市场分布情况，主要销售城市及销售数量主要产地：山东、北京及周边、广东主要销售地：东北、河南、西北五、水源热泵机组设备部分的机组形式及主要参数值；机组形式：国内产品以水－水系统、大机组为主；国外产品以水－空气系统，小产品为主。1、目前以螺杆式压缩机机＋壳管式换热器为主；2、部分企业以涡旋式压缩机＋板式换热器或套管式换热器的模块式机组为主；3、很少有企业用最早的活塞式压缩机做机组了机组大小：以50KW--2000KW为主要产品。六、国内外水源热泵的技术发展状况，包括地上的设备部分及地下水源部分机组发展目标：自动化、远程监视控制化、满液式蒸发器的应用、系统优化提高COP值；地源部分：水井形式的回灌问题、埋管形式的换热器的计算问题，混合式系统（如水环热泵系统）的精准计算匹配问题七、国内外水源热泵的相关标准美国：ARI320-98,WATERSOURCEHEATPUMP;ARI325-98,GroundWater-SourceHeatPumps;ARI330-98,Ground-SourceClosed-LoopHeatPumps,1998;ARI110-97,Air-ConditioningandRefrigeratingEquipmentNameplateVoltages;ASHRAE37-1988,MethodsofTestingUnitaryAir-ConditioningandHeatPumpEquipment;国内：GB/T19409-2003水源热泵机组；GB/T10870—2001容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验方法GB/T18430.1—2001蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组工商业用和类似用途的冷水（热泵）机组GB/T18430.2—2001蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组户用和类似用途的冷水（热泵）机组JB/T7227—1994复合热源热泵型螺杆式冷水机组GB/T10870-2001:《容积式和离心式冷水(热泵)机组性能试验方法》地源热泵供暖空调技术规程－－－建研院空调所正在编制行业标准；八、政府对水源热泵技术推广的相关政策目前政府政策模糊，与水资源缺乏政策有些抵触，在水资源较好地区容易推广，比如：东北3省、内蒙、河南、北京、天津、山东西南部...九、影响水源热泵发展的相关因素等等1、政府的地下水政策；2、众厂家对回灌技术的重视程度；3、向矿山、江河湖海等地表水的推广；地下水源热泵与其他几种常用供热方式能量利用系数比较热泵虽然有大于1的制热系数，但是仅以此来判断供热的经济性还是不够的。在将电动热泵供暖和其他供暖方式比较时，还应考虑另一个经济指标——能量利用系数E。能源利用系数E的定义为，供热量与消耗的初级能源之比【4】。它除反映了制热系数的高低外，还考虑到热泵利用一次能源（燃料）的效率，它包括发电效率和输电效率。表3几种供热方式的最大能量利用系数比较【5】供暖方式计算条件E电加热热网效率0.98，电厂供电效率0.350.34集中锅炉锅炉效率0.8，热网效率0.980.78空气源热泵电厂供电效率0.35，热网效率0.98，热泵火用效率0.45，热泵制热系数为3.01.0水源热泵供电效率0.35，热网效率0.98，热泵火用效率0.45，15℃地下水为热源，热泵制热系数为4.01.4由表3可以看出，在表中所列的几种供热方式中，水源热泵的最大能量利用系数最高，达1.4，由此可以看出水源热泵供热方式最节能且最为经济。仅供参考，请自借鉴。希望对您有帮助。
陶文铨教授作为国际数值传热学知名专家，长期从事传热学及其数值模拟方法与工程应用的教学与研究，推动与促进了我国计算传热学科的形成与发展；提出了分析对流项离散格式稳定性的符号不变原理与处理不规则区域的组合网格思想，提出了绝对稳定的对流项离散新格式和处理不可压缩流场速度与压力耦合关系的全隐算法，提高了计算精度和收敛速度；在强化传热方面，提出与研制了多项高效强化传热新技术 。在强化传热方面，提出与研制了多项高效强化传热新技术，研究了基本理论与工程应用、电子元器件的冷却技术、湍流模型及其工程应用、高效换热器的优化设计与研发、微细尺度流动和传热的研究、多尺度系统/过程建模 。在数值计算方面，陶文铨提出了分析对流项离散格式稳定性的符号不变原理与处理不规则区域的组合网格思想；提出了绝对稳定的对流项离散新格式和处理不可压缩流场速度与压力耦合关系的全隐算法，提高了计算精度和收敛速度 。 陶文铨所创建的西安交通大学传热与流动数值模拟研究团队在国际上有一定影响 。团队中青年学者茁壮成长，2人获得全国优秀博士论文奖，1人获得国家杰出青年科学基金，1人为国家级教学名师，3人为教育部新世纪优秀人才。陶文铨已经培养研究生83人，其中39人获博士学位，46人获硕士学位。据中国科学技术信息研究所、国家工程技术数字研究馆信息、全国图书馆参考咨询联盟：1988年至2012年期间，陶文铨培养学生情况如下 ： 毕业时间论文题目作者指导老师学位类别2012《强化制冷工质相变换热以及管壳式水冷冷凝器的实验和应用研究》冀文涛陶文铨博士2011《用于电子器件冷却的脉管制冷机与微通道热沉的研究》巩亮陶文铨博士2011《介观格子Boltzmann方法与宏观/微观方法耦合模拟多尺度热流科学问题》栾辉宝陶文铨博士2011《强化气体换热技术及强化技术性能评价图研究》樊菊芳陶文铨博士2010《受浮升力影响的湍流对流换热的直接数值模拟研究》阳祥陶文铨博士2010《基于VOSET方法的二维水平膜态沸腾研究》郭东之陶文铨硕士2010《质子交换膜燃料电池局部电流和局部电位实验研究》樊进宣陶文铨硕士2009《R134a水平管外沸腾和凝结传热的实验研究及理论预测》冯楠陶文铨硕士2009《汽车驾驶室热环境数值模拟与汽车乘客热舒适度评价》王甜甜陶文铨硕士2009《低阶模型在玻璃厚度的实时控制及传热反问题求解中的应用》丁鹏陶文铨博士2009《质子交换膜燃料电池的局部电流分布特性实验与数值研究》于乐陶文铨硕士2009《格子Boltzmann 方法对湍流问题的模拟及其在多尺度分析中的应用》徐辉陶文铨博士2009《恶劣热环境下无线通信设备散热系统的改进及优化设计》刘召军陶文铨硕士2009《壁面附近流体凝结特性的分子动力学研究》陈鹏飞陶文铨硕士2009《螺旋折流板换热器壳侧传热与阻力特性及换热器热力设计方法的研究和软件开发》张剑飞陶文铨博士2009《气泡运动行为的研究及其在蒸发器液滴夹带计算中的应用》林再江陶文铨硕士2009《镍基渗层螺旋翅片管省煤器气侧积灰、流动与经济性研究》史月涛陶文铨博士2008《跨临界二氧化碳制冷空调循环及其平片、开缝片换热器实验、数值研究》吴志根陶文铨博士2008《低Ma可压缩对流换热的数模方法及在翅片开发中的应用》皮秀平陶文铨硕士2008《平行流冷凝器性能的实验研究及数值模拟》孙玮陶文铨硕士2008《食品冷藏陈列柜强化传热及节能技术研究》吕彦力陶文铨博士2008《微细通道内流动与换热特性的理论研究及实际应用》李卓陶文铨博士2008《提高建筑物围护结构保温性能的数值与实验研究》李临平陶文铨博士2008《质子交换膜燃料电池的局部电流分布以及动态响应研究》卫星陶文铨硕士2008《氟利昂替代制冷剂在水平管外相变换热强化的实验研究》冀文涛陶文铨硕士2007《波纹管内部的换热强化及外部绕流减阻的数值模拟》王小佳陶文铨硕士2007《制冷剂在双侧强化管外凝结和沸腾换热的实验研究及数值模拟》张定才陶文铨博士2007《先进流动与传热数值计算体系的构建》金巍巍陶文铨博士2007《计算机CPU芯片等电子器件冷却散热器的数值模拟和实验研究》谢旭良陶文铨博士2007《强化空气及油类换热设备传热的数值模拟与实验研究》李斌陶文铨博士2007《矩形截面通道内强化对流换热机理的研究及湍流换热的高级数值模拟》马良栋陶文铨博士2007《弓形与螺旋折流板管壳式换热器的实验研究》陶文铨硕士2007《质子交换膜燃料电池性能优化的数值模拟及实验研究》闵春华陶文铨博士2006《直接模拟蒙特卡罗法在微尺度气体流动与换热中的应用》王裕峰陶文铨硕士2006《格子-Blotzmann方法及其在血液流动研究和非牛顿流体数值模拟中的应用》吕嘉喜陶文铨硕士2006《燃料电池工作角度和反应气流量的影响及小型电池堆的研制》姜炜陶文铨硕士2005《紧凑式换热器表面的强化换热节能机理及其优化研究》周俊杰陶文铨博士2005《湍流的直接模拟及微尺度流动和换热研究》李光熙陶文铨博士2005《螺旋折流板管壳式换热器和平行流冷凝器的数值模拟》吴扬陶文铨硕士2005《电子器件散热器自然对流换热的实验研究及三维数值模拟》高健陶文铨硕士2005《质子交换膜燃料电池性能的实验研究和数值模拟》刘训良陶文铨博士2005《光管与翅片管管壳式换热器的三维数值模拟》李欣陶文铨硕士2005《脉管制冷机三维数值模拟计算及混合工质应用的试验研究》丁文静陶文铨博士2005《流动传热问题先进算法及其在强化空气对流传热应用中的研究》屈治国陶文铨博士2005《具有运动边界通道内流动与换热问题的大涡模拟》石磊陶文铨硕士2004《电脑CPU散热器的实验研究及数值模拟》陆正裕陶文铨硕士2004《用直接模拟蒙特卡罗法计算微通道中的流动与换热》周靖陶文铨硕士2004《波纹管内流动和换热规律的实验研究及数值模拟》曾敏陶文铨博士2004《开缝翅片换热表面流动与传热特性的数值模拟和实验研究》程永攀陶文铨硕士2004《格子-Boltzmann方法及其在微通道和多孔介质流动模拟中的应用》伍华荣陶文铨硕士2004《微尺度气体流动与换热特性研究及格子-Boltzmann方法分析》唐桂华陶文铨博士2003《具有运动边界的流动与换热问题的数值及实验研究》张东升陶文铨博士2003《换热器壳侧流动与换热的数值模拟及实验研究》邓斌陶文铨博士2002《翅片管换热表面传热特性的数值研究及场协同原理分析》宋富强陶文铨硕士1993《水平放置环状扇形通道内的对流换热》吕树申陶文铨硕士2001《旋转通道内的湍流流动与换热的研究》李增耀陶文铨博士2001《非结构化网格的生成及其在多孔介质相变传热数值模拟中的应用》徐明海陶文铨博士2001《格子-Boltzmann方法及其在常规与微尺度对流换热模拟中的应用》李明秀陶文铨硕士2001《螺旋折流板换热器传与阻力性能的实验研究》王良陶文铨硕士2001《管壳式换热器壳侧流场与温度场的三维数值模拟》胡延东陶文铨硕士2000《R407C非共沸混合工质在水平单馆外凝结换热的研究》成昌锐陶文铨博士2000《三维复杂区域内湍流流动的实验及数值研究》聂建虎陶文铨博士2000《R407C非共沸混合工质在水平单管外凝结换热的研究》成昌锐陶文铨硕士2000《周期性通道内非牛顿流体的流动与换热实验与数值研究》杨小玉陶文铨硕士1998《内翅片管中的对流换热及非结构化网格中有限容积法的研究》宇波陶文铨博士1997《R134a及R32/R134a水平管内流动凝结与沸腾换热的研究》陈民陶文铨博士1995《低沸点工质在水平管内的强迫流动凝结换热》李沛文陶文铨博士1997《用于燃气轮机叶片内冷的新型强化方法及冲击冷却的研究》苑中显陶文铨博士1997《壁面带有离散突起散热块的竖直通道中的自然对流换热》魏建国陶文铨博士1997《现代差分格式的发展及离心压缩机内部紊流场的数值模拟》倪明玖陶文铨博士1996《复杂截面及扭转通道中紊流流动与换热的实验与数值研究》王良璧陶文铨博士1996《封闭空腔内孤立物体自然对流稳定性及分歧现象研究》刘继平陶文铨博士1996《转弯通道及旋转盘腔内的紊流流动与换热研究》赵长颖陶文铨博士1996《倾斜封闭立方腔内多块孤立平板的自然对流换热》王秋旺陶文铨博士/《汽液界面特性和水的密度极值的分子动力学研究》熊建银陶文铨硕士/《管翅式换热器空气侧流动与换热的数值模拟》张超超陶文铨硕士/《高压推力室流动与传热特性及液膜冷却的数值模拟研究》张宏伟陶文铨博士1992《R152a饱和蒸气在四种水平单管外凝结换热的研究》程斌陶文铨硕士1991《封闭腔内孤立物体的自然对流换热》杨茉陶文铨博士1991《射流对矩形空腔冲击的传热传质特性研究》李沛文陶文铨硕士1990《流体横掠非均长倾斜板簇的换热及阻力特性的试验研究》黄辉章陶文铨硕士1990《多孔结构中对流传质规律与阻力特性的实验研究及流动的数值分析》刘保民陶文铨硕士 专著作品陶文铨出版专著与教材13部。其中专著《数值传热学》已经被国内外期刊论文引用六千余次 。 出版时间图书名称作者出版社1981《传热学基础》陶文铨主编电力工业出版社1988《数值传热学》陶文铨编著西安交通大学出版社1991《计算流体力学与传热学》陶文铨编著中国建筑工业出版社1995《传热学的研究与进展 杨世铭教授从教50周年暨70寿辰纪念文集》陶文铨等编高等教育出版社1998《传热学》杨世铭，陶文铨编著高等教育出版社1999《陈学俊院士从事教育科技六十周年暨八十华诞纪念册》陶文铨主编2000-6-1 《计算传热学的近代进展》 陶文铨 科学出版社 2001-5-1 《数值传热学(第2版)》 陶文铨 西安交通大学出版社 2001-7-1 《工程热力学——教育部高等教育面向21世纪课程教材》 陶文铨，李永堂 武汉理工大学出版社 2005《对流换热及其强化的理论与实验研究最新进展》陶文铨，何雅玲等编著高等教育出版社2006-12-1 《传热学》 陶文铨 西北工业大学出版社 2006-8-1 《传热学第四版》 杨世铭，陶文铨 高等教育出版社 2009-1-1 《传热与流动问题的多尺度数值模拟：方法与应用》 陶文铨 科学出版社 期刊论文截止2014年，陶文铨发表科研论文400余篇：国际杂志140篇，国际会议80余篇，国内重要期刊物近200篇。根据万方数据库检索的部分论文如下： 发表时间论文名称作者期刊名称2002/8/31Field synergy principle for enhancing convective heat transfer––its extension and numerical verificationsWen-Quan Tao, Zeng-Yuan Guo, Bu-Xuan WangInternational Journal of Heat and Mass Transfer2002/11/30A unified analysis on enhancing single phase convective heat transfer with field synergy principleWQ Tao, YL He, QW Wang, ZG Qu, FQ SongInternational Journal of Heat and Mass Transfer1983/11/1Enhanced heat transfer in a flat rectangular duct with streamwise-periodic disturbances at one principal wallEM Sparrow, WQ TaoJournal of heat transfer2006/9/29Parameter sensitivity examination and discussion of PEM fuel cell simulation model validation: Part I. Current status of modeling research and model developmentWQ Tao, CH Min, XL Liu, YL He, BH Yin, W JiangJournal of power sources2004/1/1A novel segregated algorithm for incompressible fluid flow and heat transfer problems—Clear (coupled and linked equations algorithm revised) part I: Mathematical formulation and solution procedureWQ Tao, ZG Qu, YL HeNumerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals1984/11/30Symmetric vs asymmetric periodic disturbances at the walls of a heated flow passageInternational journal of heat and mass transferEM Sparrow, WQ Tao2009/1/1Recent advances in multiscale simulations of heat transfer and fluid flow problemsWen-Quan Tao, Ya-Ling HeProgress in Computational Fluid Dynamics, an International Journal1987/4/1The transportive property and convective numerical stability of the steady-state convection-diffusioWQ Tao, EM SparrowNumerical Heat Transfer, Part A Applications2002/11场协同原理在强化换热与脉管制冷机性能改进中的应用 (上)陶文铨， 何雅玲西安交通大学学报2010/2/15无网格数值求解方法陶文铨， 吴学红， 戴艳俊中国电机工程学报1982/1/1Buoyancy-driven fluid flow and heat transfer in a pair of interacting vertical parallel channelsEM Sparrow, WQ TaoNumerical Heat Transfer, Part A Applications2007/11/13D numerical simulation on fluid flow and heat transfer characteristics in multistage heat exchangerWQ Tao, YP Cheng, Tzyy Sheng LeeHeat and Mass Transfer1983/1/31Heat transfer at an array of co-planar slat-like surfaces oriented normal to a forced convection floEM Sparrow, WQ Tao, DD RadtkeInternational Journal of Heat and Mass Transfer
2、设计方案的选择2．1换热器型式的选择 在乙醇精馏过程中塔顶一般采用的换热器为列管式换热器，故初步选定在此次设计中的换热器为列管式换热器。 列管式换热器的型式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。在乙醇精馏的过程中乙醇是在常压饱和温度下冷凝，进口温度为76℃，出口温度为45。冷却介质为水，入口温度为24℃，出口温度为36℃，两流体的温度差不是很大，再根据概述中各种类型的换热器的叙述，综合以上可以选用固定管板式换热器。2．2流体流速的选择 流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。增大流速，可加大对流传热系数，减少污垢的形成，使总传热系数增大；但同时使流动阻力加大，动力消耗增多；选择高流速，使管子的数目减小，对一定换热面积，不得不采用较长的管子或增加程数，管子太长不利于清洗，单程变为多程使平均传热温差下降。因此，一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。表1至表3列出了常用的流速范围，可供设计时参考。选择流速时，应尽可能避免在层流下流动。 表1 管壳式换热器中常用的流速范围 流体的种类 一般流体 易结垢液体 气体流速，m/s 管程 0.5 ~3.0 > 1.0 5.0 ~30 壳程 0.2 ~1.5 > 0.5 3.0 ~15表2 管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速 液体粘度，mPa·s > 1500 1500 ~500 500 ~100 100 ~35 35 ~ 1 < 1最大流速，m/s 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4表3 管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度 液体名称 乙醚、二硫化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮安全允许速度，m/s < 1 < 2 ~3 < 10 由于使用的冷却介质是井水，比较容易结垢，乙醇则不易结垢。水和乙醇的粘度都较小，参考以上三个表格数据可以初步选定管程流速为0.9m/s，壳程流速为7m/s。2．3流体出口温度的确定 冷却介质水的入口温度24℃，出口温度为36℃，故，可以求得水的定性温度为：Tm=30℃ 热流体乙醇在饱和温度下冷凝，故可以确定入口温度和出口温度相同，故乙醇的定性温度Tm=60.5℃。2．4管程数和壳程数的确定 当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，就得排列较多的管子，为了提高流体在管内的流速，需将管束分程。但是程数过多，导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有 1、2、4、6 四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。管程数N按下式计算： N=u/v式中 u——管程内流体的适宜流速； V——管程内流体的实际流速。第二章 工艺设计计算1确定物性数据 水的定性温度为Tm=(24+36)/2=30℃，乙醇的定性温度为Tm=(76+45)/2=60.5℃ 两流体在定性温度下的物性数据 物性流体 乙醇 60.5 757 0.6942 2.83 0.1774水 30 996 0.0.8 4.20 0.6172热负荷及传热面积的确定1、计算热负荷 冷凝量=3.51Kg/s 热负荷 Q1=r= 3.51×2.83×31=307.93kW 2、计算冷却水用量 换热器损失的热负荷：以总传热量的3%计； 则Q2=q/(1-0.03)=317.46kW 水的流量可由热量衡算求得,即 ==317460/4.2(36-24)=9.35kg/s3、计算有效平均温度差： 逆流温差℃。4、选取经验传热系数K值 根据管程走循环水，壳程走乙醇，总传热系数K现暂取： 5、估算换热面积 3换热器概略尺寸的确定管径和管内流速 选用Φ25×2.5mm较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 u1=0.8m/s。管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按双程管计算，所需的传热管长度为 按双程管设计，传热管适中，可以用双管程结构。根据本设计实际情况，现取传热管长l=4m，则该换热器的管程数为 传热管总根数 N=38×2=76(根）3、平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数有 : R=2.6 P=0.23 双壳程，双管程结构，查得 ε=0.923 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取双壳程合适。4、壳体内径 则横过管数中心线管的根数 在计算壳体内径时可用公式： D=t b取传热管外径，则： D=32（10-1）+50=338mm 按卷制壳体的进级档，可取D=350mm 卧式固定管板式换热器的规格如下： 公称直径D…………………………350mm 公称换热面积S……………………23.9m2 管程数……………………………2 管数n………………………………76 管长L………………………………4m 管子直径…………………………… 管子排列方式………………………正三角形5、折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%，则切去的圆缺高度为h=0.20*250=75mm。 取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3*250=105mm，可取B=150mm。 折流板数 N=传热管长/折流板间距-1=8000/150-1=26（块）4面积与总传热系数核算1、壳程表面传热系数2、管内表面传热系数 有公式： 管程流体流通截面积 管程流体流速 普朗特数 Pr=5.446 则ai=2.23、污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 所以管内侧污垢热阻 管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为50.29w/(m·K)。所以 4、传热系数K 依传热系数公式 5、传热面积裕度 可得所计算传热面积Ap为： 该换热器的实际传热面积为 该换热器的面积裕度为 5.压降校核1、计算管程压降 （结垢校正系数，管程数，壳程数） 取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则，而Rei=9700，于是对的管子有 按照GB151，对照例题设计好了。说明书自己画一个就完事了，很简单的。 —— 管壳式换热器也称列管式换热器，是一种以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。管壳式换热器具有结构坚固、适应性强、选材广、易于制造及成本低等优点，在炼油、石油化工、医药、化工以及其他工业中广泛运用，他适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各方面［1］。本文通过对影响传热系数的因素－ 换热器结构、流体物理性质和污垢热阻等进行分析，以便在设计过程中合理调整结构参数使换热器提高化热性能，在换热器使用过程中合理维护防止换热性能恶化。 1· 传热系数 传热速率方程式［2］: Q = AKΔtm( 1) 式中: Q———传热速率( 冷、热负荷) ，W A———传热面积，m2 K———总传热系数，W· ( m2·℃) － 1 Δtm———平均温差，℃ 在传热量Q 和冷、热流体温差确Δtm的情况下，设法提高传热系数K 可减小传热面积A，即减小换热器的结构尺寸，这一点在工程应用上有重要经济意义。 在绝大部分的化工操作中，两个传热流体是不相互混合的，两流体间的传热是通过管壁进行的。热流体向冷流体传递热量需经过三个过程。即热量通过层流底层的传热过程，热量通过间壁传热的过程，以及热量通过冷流体的层流底层的传热过程［1］。在化工操作过程中，随着时间的推移，作为冷、热流体的介质往往会在传热间壁的两边结垢，这种污垢的存在会影响传热。由于污垢的厚度和导热系数难以获得，因此，在工程一般用一个系数( 污垢热阻) 来计污垢对传热的影响。故传热系数可以用下式计算: 2 ·传热系数的影响因素 Nusselt 准数关系式:对于一定的传热面和流动情况，当Re 和Pr 确定后，强制对流式的Nu 也就被决定。强制湍流下对流传热系数的准数关系式［2］:2. 1 列管换热器结构 对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的热传导的复合现象。任何影响流体流动的因素( 引起流动的原因、流动型态和有无相变化等) 必然对对流传热系数有影响［2］。Reynolds准数表示惯性力和粘滞力之比，是表征流动状态的准数。 2. 1. 1 换热管规格 换热管可选择外径规格在Φ14 ～ Φ57 mm 之间标准管。由于小直径换热管具有单位体积传热面积大，换热器结构紧凑，金属耗量少，传热系数高的特点，在换热器结构设计中，对于管程介质清洁、不易结垢的介质，采用小管径管束能有效增加换热面积。在换热面积相同条件下，采用Φ19 mm 管束比采用Φ25 mm 管束提高流体流速约30%，从而增加了湍流程度。 2. 1. 2 管子布局 标准换热器设计规范中规定了四种排列角度。30°和60°排列紧凑，相同壳径下可获得较大传热面积，具有较高的换热系数，但压降较高，且不利于机械清洗。而45°和90°排列适用于需要机械清洗的场合，且压降较小。从传热效果及压降角度分析90° ＞ 45° ＞ 60° ＞ 30°，其中30°和45°使用较多，采用30°排列可以比45°多排列约17%的换热管［3］。根据换热器设计规范要求，管间距t( mm) 不应小于1. 25 倍管外径，常用的管间距有25 mm( Φ19) 和32 mm( Φ25) 。 2. 1. 3 管程数 为增加换热面积，必须增加换热管数量N，而介质在管束中的流速随着换热管的增加而下降，结果反而是流体的传热系数降低，故增加换热管不一定达到所需换热要求。因此要保持流体在换热管束中较大流速可将管束分成若干程数，使流体依次通过各程换热管，以增加流体流速，提高对流传热系数［4］。换热器常用推荐流速范围见表1。 2. 1. 4 壳程内径 换热器通常采用多管程结构，壳程内径可根据经验计算: 2. 1. 5 折流板 为增进对壳程流体的扰动、提高壳程流体的对流传热系数，同时支撑换热管束以防止其挠曲变形，在列管式换热器的壳程通常设置有折流挡板，常见有弓形折流板、矩形折流板和圆盘—圆环形折流板，其中以圆缺形( 又称单弓形) 的构造最简单、对壳程流体的扰动最剧烈、支撑效果最佳，标准列管换热器中多采用此种。国内换热器设计标准规定折流板间距B( mm)最小为1 /5 壳程直径，且不小于50 mm。建议切割部分高度在0. 2 ～ 0. 45 倍壳体内径，通常选择切割率为20% ～ 25%。 通过式( 8) 可以看出减小折流板间距B 和壳程内径D 可以减小壳程流通截面积So，即在流量一定的条件下提高壳程流速，加强扰动。 2. 1. 6 折流杆 传统的装有折流板的管壳式换热器存在着影响传热的死区，流体阻力大，且易发生换热管振动与破坏。为了解决传统折流板换热器中换热管的切割破坏和流体诱导振动，并且强化传热提高传热效率，近年来开发了一种新型的管束支承结构—折流杆支承结构。 2. 2 换热管材质及厚度 换热管常用材料常用的为碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金等。由于物质导热系数和物质的组成、结构、密度、压力和温度等有关，在工作压力、温度、介质腐蚀性等条件满足的情况下选择导热系数与壁厚比值较大者，即减小壁间传热导热热阻，提高传热系数。 2. 3 流体物理性质 导热系数、粘度、比热、密度等对对流传热系数α 的值影响也比较大。 Prandtle 准数表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参数，反映与传热有关的流体物理性质。 2. 4 污垢热阻 污垢热阻表示换热设备传热面上因沉积物而导致传热效率下降程度的数值，即换热面上沉积物所产生的传热阻力，又称污垢系数，指换热器换热表面上积有某种污垢( 如水垢、污泥、油污和烟灰等) 。污垢热阻的逐步形成，必将导致换热器传热系数的相应减小，促使换热器的传热性能日益恶化。对于容易结垢的介质，尽量提高流体流速，换热器间壁应定期清洗，以防止传热系数K 值的明显下降。 3 ·强化传热技术 对于管壳式换热器，强化传热［5 － 6］方法按是否消耗外加功率可分为有源技术( Active Technology ) 和无源技术( PassiveTechnology) ，前者消耗外加能量，后者不消耗能量。后者主要是使传热壁面的温度边界层减薄或调换传热壁面附近的流体。主要有2 种实施途径［7 － 10］: ( 1) 对传热表面的结构、形状适当加以处理与改造; ( 2) 在传热面或传热流路上设置湍流增进器，或在流体中加入添加剂，特别是加入适当的固体颗粒，不仅强化传热，还可以防垢和除垢。 4· 结论 ( 1) 合理设计换热器结构，对实现工艺过程、提高传热效率、节省能源及降低设备投资等方面有重要意义。因此，设计换热器时应反复计算，综合分析，不断调整优化换热器结构，从而进一步提高整体传热效果，以获得满足工艺要求的最优结果。 ( 2) 传热系数K 总是接近于α 小的流体的对流传热系数，且永远小于α 的值。因此传热系数K 受α 小的一侧控制。 ( 3) 如传热间壁上的污垢很厚时，污垢热阻会大大降低设备的传热效果。因此容易结垢的介质，换热间壁应定期经常清洗，以防止换热器换热效果恶化。 设计温度不就是已给出的温度吗，应该是管程和壳程的出口温度，其进口温度可以设定也可以根据换热面积和热负荷计算出来。 列管式换热器和管壳式换热器是一个吧 2、设计方案的选择2．1换热器型式的选择 在乙醇精馏过程中塔顶一般采用的换热器为列管式换热器，故初步选定在此次设计中的换热器为列管式换热器。 列管式换热器的型式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。在乙醇精馏的过程中乙醇是在常压饱和温度下冷凝，进口温度为76℃，出口温度为45。冷却介质为水，入口温度为24℃，出口温度为36℃，两流体的温度差不是很大，再根据概述中各种类型的换热器的叙述，综合以上可以选用固定管板式换热器。2．2流体流速的选择 流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。增大流速，可加大对流传热系数，减少污垢的形成，使总传热系数增大；但同时使流动阻力加大，动力消耗增多；选择高流速，使管子的数目减小，对一定换热面积，不得不采用较长的管子或增加程数，管子太长不利于清洗，单程变为多程使平均传热温差下降。因此，一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。表1至表3列出了常用的流速范围，可供设计时参考。选择流速时，应尽可能避免在层流下流动。 表1 管壳式换热器中常用的流速范围 流体的种类 一般流体 易结垢液体 气体流速，m/s 管程 0.5 ~3.0 > 1.0 5.0 ~30 壳程 0.2 ~1.5 > 0.5 3.0 ~15表2 管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速 液体粘度，mPa·s > 1500 1500 ~500 500 ~100 100 ~35 35 ~ 1 < 1最大流速，m/s 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4表3 管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度 液体名称 乙醚、二硫化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮安全允许速度，m/s < 1 < 2 ~3 < 10 由于使用的冷却介质是井水，比较容易结垢，乙醇则不易结垢。水和乙醇的粘度都较小，参考以上三个表格数据可以初步选定管程流速为0.9m/s，壳程流速为7m/s。2．3流体出口温度的确定 冷却介质水的入口温度24℃，出口温度为36℃，故，可以求得水的定性温度为：Tm=30℃ 热流体乙醇在饱和温度下冷凝，故可以确定入口温度和出口温度相同，故乙醇的定性温度Tm=60.5℃。2．4管程数和壳程数的确定 当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，就得排列较多的管子，为了提高流体在管内的流速，需将管束分程。但是程数过多，导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有 1、2、4、6 四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。管程数N按下式计算： N=u/v式中 u——管程内流体的适宜流速； V——管程内流体的实际流速。第二章 工艺设计计算1确定物性数据 水的定性温度为Tm=(24+36)/2=30℃，乙醇的定性温度为Tm=(76+45)/2=60.5℃ 两流体在定性温度下的物性数据 物性流体 乙醇 60.5 757 0.6942 2.83 0.1774水 30 996 0.0.8 4.20 0.6172热负荷及传热面积的确定1、计算热负荷 冷凝量=3.51Kg/s 热负荷 Q1=r= 3.51×2.83×31=307.93kW 2、计算冷却水用量 换热器损失的热负荷：以总传热量的3%计； 则Q2=q/(1-0.03)=317.46kW 水的流量可由热量衡算求得,即 ==317460/4.2(36-24)=9.35kg/s3、计算有效平均温度差： 逆流温差℃。4、选取经验传热系数K值 根据管程走循环水，壳程走乙醇，总传热系数K现暂取： 5、估算换热面积 3换热器概略尺寸的确定管径和管内流速 选用Φ25×2.5mm较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 u1=0.8m/s。管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按双程管计算，所需的传热管长度为 按双程管设计，传热管适中，可以用双管程结构。根据本设计实际情况，现取传热管长l=4m，则该换热器的管程数为 传热管总根数 N=38×2=76(根）3、平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数有 : R=2.6 P=0.23 双壳程，双管程结构，查得 ε=0.923 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取双壳程合适。4、壳体内径 则横过管数中心线管的根数 在计算壳体内径时可用公式： D=t b取传热管外径，则： D=32（10-1）+50=338mm 按卷制壳体的进级档，可取D=350mm 卧式固定管板式换热器的规格如下： 公称直径D…………………………350mm 公称换热面积S……………………23.9m2 管程数……………………………2 管数n………………………………76 管长L………………………………4m 管子直径…………………………… 管子排列方式………………………正三角形5、折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%，则切去的圆缺高度为h=0.20*250=75mm。 取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3*250=105mm，可取B=150mm。 折流板数 N=传热管长/折流板间距-1=8000/150-1=26（块）4面积与总传热系数核算1、壳程表面传热系数2、管内表面传热系数 有公式： 管程流体流通截面积 管程流体流速 普朗特数 Pr=5.446 则ai=2.23、污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 所以管内侧污垢热阻 管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为50.29w/(m·K)。所以 4、传热系数K 依传热系数公式 5、传热面积裕度 可得所计算传热面积Ap为： 该换热器的实际传热面积为 该换热器的面积裕度为 5.压降校核1、计算管程压降 （结垢校正系数，管程数，壳程数） 取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则，而Rei=9700，于是对的管子有 转载，供参考：列管式换热器的设计和选用（1） 列管式换热器的设计和选用应考虑的问题◎ 冷、热流体流动通道的选择具体选择冷、热流体流动通道的选择在换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流经壳程，下列几点可作为选择的一般原则：a) 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。b) 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。c) 压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。d) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。e) 流量小而粘度大（ ）的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re>100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。f) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。g) 需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。以上各点常常不可能同时满足，应抓住主要方面，例如首先从流体的压力、防腐蚀及清洗等要求来考虑，然后再从对阻力降低或其他要求予以校核选定。◎ 流速的选择常用流速范围流速的选择流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，从而影响传热系数的大小，特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。根据经验，表4.7.1及表4.7.2列出一些工业上常用的流速范围，以供参考。表4.7.1 列管换热器内常用的流速范围流体种类流速 m/s管程壳程一般液体宜结垢液体气 体0.5～0.3>15～300.2～1.5>0.53～15表4.7.2 液体在列管换热器中流速（在钢管中）液体粘度 最大流速 m/s>15001000～500500～100100～5335～1>10.60.751.11.51.82.4◎ 流动方式的选择流动方式选择流动方式的选择除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或壳程越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正，具体修正方法见4.4节。◎ 换热管规格和排列的选择具体选择 换热管规格和排列的选择换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。目前我国试行的系列标准规定采用 和 两种规格，对一般流体是适应的。此外，还有 ，φ57×2.5的无缝钢管和φ25×2, 的耐酸不锈钢管。按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。我国生产的钢管长度多为6m、9m，故系列标准中管长有1.5，2，3，4.5，6和9m六种，其中以3m和6m更为普遍。同时，管子的长度又应与管径相适应，一般管长与管径之比，即L/D约为4～6。 管子的排列方式有等边三角形和正方形两种（图4.7.11a，图4.7.11b）。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。如将正方形排列的管束斜转45°安装（图4.7.11c），可在一定程度上提高表面传热系数。 图4.7.11 管子在管板上的排列◎ 折流挡板 折流挡板间距的具体选择折流挡板安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。由图4.7.12可以看出，弓形缺口太大或太小都会产生"死区"，既不利于传热，又往往增加流体阻力。 a.切除过少b.切除适当 c.切除过多图4.7.12挡板切除对流动的影响挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有100，150，200，300，450，600，700mm七种 浮头式有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八种。（2）流体通过换热器时阻力的计算换热器管程及壳程的流动阻力，常常控制在一定允许范围内。若计算结果超过允许值时，则应修改设计参数或重新选择其他规格的换热器。按一般经验，对于液体常控制在104～105Pa范围内，对于气体则以103～104Pa为宜。此外，也可依据操作压力不同而有所差别，参考下表。换热器操作允许压降△P换热器操作压力P(Pa)允许压降△P<105 (绝对压力)0～105 (表压)>105 (表压)0.1P0.5P>5×104 Pa◎ 管程阻力管程阻力可按一般摩擦阻力计算式求得。具体计算公式管程阻力损失管程阻力损失可按一般摩擦阻力计算式求得。但管程总的阻力 应是各程直管摩擦阻力 、每程回弯阻力 以及进出口阻力 三项之和。而 相比之下常可忽略不计。因此可用下式计算管程总阻力损失 ： 式中 每程直管阻力 ；每程回弯阻力 ；Ft－结构校正系数，无因次，对于 的管子，Ft=1.4，对于 的管子Ft=1.5；Ns－串联的壳程数，指串联的换热器数；Np－管程数；由此式可以看出，管程的阻力损失（或压降）正比于管程数Np的三次方，即 ∝ 对同一换热器，若由单管程改为两管程，阻力损失剧增为原来的8倍，而强制对流传热、湍流条件下的表面传热系数只增为原来的1.74倍；若由单管程改为四管程，阻力损失增为原来的64倍，而表面传热系数只增为原来的3倍。由此可见，在选择换热器管程数目时，应该兼顾传热与流体压降两方面的得失。◎ 壳程阻力对于壳程阻力的计算，由于流动状态比较复杂，计算公式较多，计算结果相差较大。 埃索法计算公式壳程阻力损失对于壳程阻力损失的计算，由于流动状态比较复杂，提出的计算公式较多，所得计算结果相差不少。下面为埃索法计算壳程阻力损失的公式： 式中 -壳程总阻力损失， ； -流过管束的阻力损失， ； -流过折流板缺口的阻力损失， ；Fs-壳程阻力结垢校正系数，对液体可取Fs=1.15，对气体或可凝蒸汽取Fs=1.0；Ns-壳程数；又管束阻力损失 折流板缺口阻力损失 式中 -折流板数目； -横过管束中心的管子数，对于三角形排列的管束， ；对于正方形排列的管束， ， 为每一壳程的管子总数；B-折流板间距，m；D-壳程直径，m； -按壳程流通截面积或按其截面积 计算所得的壳程流速，m/s；F-管子排列形式对压降的校正系数，对三角形排列F=0.5，对正方形排列F=0.3，对正方形斜转45°，F=04； -壳程流体摩擦系数，根据 ，由图4.7.13求出（图中t为管子中心距），当 亦可由下式求出： 因 ， 正比于 ，由式4.7.4可知，管束阻力损失 ，基本上正比于 ，即 ∝ 若挡板间距减小一半， 剧增8倍，而表面传热系数 只增加1.46倍。因此，在选择挡板间距时，亦应兼顾传热与流体压降两方面的得失。同理，壳程数的选择也应如此。 图4.7.13 壳程摩擦系数f0与Re0的关系列管式换热器的设计和选用(续)（3）列管式换热器的设计和选用的计算步骤设有流量为去qm,h的热流体，需从温度T1冷却至T2，可用的冷却介质入口温度t1，出口温度选定为t2。由此已知条件可算出换热器的热流量Q和逆流操作的平均推动力 。根据传热速率基本方程： 当Q和 已知时，要求取传热面积A必须知K和 则是由传热面积A的大小和换热器结构决定的。可见，在冷、热流体的流量及进、出口温度皆已知的条件下，选用或设计换热器必须通过试差计算，按以下步骤进行。◎ 初选换热器的规格尺寸◆ 初步选定换热器的流动方式，保证温差修正系数 大于0.8，否则应改变流动方式，重新计算。◆ 计算热流量Q及平均传热温差△tm，根据经验估计总传热系数K估，初估传热面积A估。◆ 选取管程适宜流速，估算管程数，并根据A估的数值，确定换热管直径、长度及排列。 ◎ 计算管、壳程阻力 在选择管程流体与壳程流体以及初步确定了换热器主要尺寸的基础上，就可以计算管、壳程流速和阻力，看是否合理。或者先选定流速以确定管程数NP和折流板间距B再计算压力降是否合理。这时NP与B是可以调整的参数，如仍不能满足要求，可另选壳径再进行计算，直到合理为止。◎ 核算总传热系数分别计算管、壳程表面传热系数，确定污垢热阻，求出总传系数K计，并与估算时所取用的传热系数K估进行比较。如果相差较多，应重新估算。◎ 计算传热面积并求裕度根据计算的K计值、热流量Q及平均温度差△tm，由总传热速率方程计算传热面积A0，一般应使所选用或设计的实际传热面积AP大于A020%左右为宜。即裕度为20%左右，裕度的计算式为： 换热器的传热强化途径如欲强化现有传热设备，开发新型高效的传热设备，以便在较小的设备上获得更大的生产能力和效益，成为现代工业发展的一个重要问题。依总传热速率方程： 强化方法：提高 K、A、 均可强化传热。◎提高传热系数K 热阻主要集中于 较小的一侧，提高 小的一侧有效。◆ 降低污垢热阻◆ 提高表面传热系数 提高 的方法：无相变化传热：1） 加大流速；2）人工粗造表面； 3）扰流元件。 有相变化传热：蒸汽冷凝 ：1）滴状冷凝， 2）不凝气体排放，3）气液流向一致 ， 4）合理布置冷凝面， 5）利用表面张力 （沟槽 ，金属丝）液体沸腾： 1）保持核状沸腾，2） 制造人工表面，增加汽化核心数。◎ 提高传热推动力 加热蒸汽P ， ◎ 改变传热面积A 关于传热面积A的改变，不以增加换热器台数，改变换热器的尺寸来加大传热面积A，而是通过对传热面的改造，如开槽及加翅片、以不同异形管代替光滑圆管等措施来加大传热面积以强化传热过程。管程式换热器设计毕业论文