（流体机械及工程专业论文）列管式换热情器的传热和阻力特性研究与设计软件开发.pdf

震i扎 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nf l u i dm a c h i n e r ye n g i n e e r i n g s t u d yh e a tt r a n s f e r & p r e s sd r o p p e r f o r m a n c e o fs h e l l - a n d - t u b eh e a te x c h a n g e ra n d d e v e l o p i t ，sd e s i g ns o f t w a r e b yy i n j u n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gb i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 r-r_l， 刈j、i，o，i_-耳，t ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 狻， 日 期：础1 嘭确胭 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 敞 签字日期：z 。口g 彳7 周旧 获旮 丢g &r 旅叨 飘砷 两 孙 飙 东北大学硕士学位论文 摘要 列管式换热器的传热和阻力特性研究与设计软件开发 摘要 换热器是化学工业、石油工业及其他一些行业中广泛使用的重要化工设备，其研究 和开发备受重视。列管式换热器以其结构简单、牢固、操作弹性大等特点被广泛应用于 工业生产中。本文从换热器发展现状开始，分析了换热器设计软件在企业应用水平以及 开发换热器应用软件的必要性。对列管式换热器传热过程进行了深入的研究，由于传热 效率提高的同时伴随着动力消耗的增加，因而必须对影响换热器设计的因素进行优化设 计以满足工业实际应用的需要。为此主要进行了以下工作：在分析列管式换热器传热的 基础上，对列管式换热器计算中所遇到的技术问题进行了研究，建立了可靠的材料性能 数据库、设备材料数据库。首先试算并初选设备规格，根据传热任务计算热负荷，选择 列管式换热器的型号；计算定性温度，并确定在定性温度下流体的性质；校核管壳程的 压力降是否满足需求。本文以v s u a lb a s i c6 0 为开发平台，利用数据库技术，建立了独 立、开放、数据共享、运行可靠的传热介质物理性能数据库，并实现了这些数据库的动 态查询。其次，传热部分分为有相变的和无相变的两部分组成，对其各自的计算进行分 析。传统的换热器设计过程中供选择的参数多，计算工作量大，效率低，周期长，设计 质量不理想。使用v i s u a l b a s i c 6 0 编程语言，利用它强大的数据库连接功能，开发换热器 设计软件，使设计过程更加简化，缩短了设计周期，提高了设计质量。本软件将结构化 的程序设计和数据库技术结合使用，经编译后可在w i n d o w s 9 8 操作系统下独立运行，其 界面友好，操作方便，运行可靠。经验证设计结果合理准确。 关键词：列管式换热器；传热；压力降；程序设计 l l l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yh e a tt r a n s f e r p r e s sd r o p p e r f o r m a n c eo fs h e l l a n d t u b e h e a te x c h a n g e ra n dd e v e l o pi t sd e s i g ns o f t w a r e a bs t r a c t t h eh e a te x c h a n g e ri so n ek i n do fg e n e r a li m p o r t a n tt h e r m a le q u i p m e n ti nt h ep e t r o l e u m c h e m i c a li n d u s t r yp r o d u c t i o n t h es h e l l a n d t u b eh e a te x c h a n g e ri sw i d e l ya p p l i e di nt h e i n d u s t r i a lp r o d u c t i o nd u et oi t ss i m p l es t r u c t u r e ，r a l i a b i l i t ya n do p e r a t i o nf l e x i b i l i t y s t a r t i n g f r o mt h es i t u a t i o no fh e a t e x s h a n g e rm a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e s ，t h ea c t u a la p p l i c a t i o no f d e s i g n i n gs o f t w a r ef o rh e a te x c h a n g e rd e s i g nw a sa n a l y z e da sw e l la sn e c e s s i t yo fd e v e l o p i n g h e a te x c h a n g e rd e s i g n p r o f o u n ds t u d yo fs h e l l a n d t u b eh e a te x c h a n g e ri no r d e rt oe n h a n c e h e a tt r a n s f e r , f i n n e d - p i p et e c h n o l o g yi sd e v e l o p e di n c r e a s i n g l y w i t ht h ee f f i c i e n c yo fh e a t h e a tt r a n s f e ri n c r e a s e d ，p o w e rc o n s u m ei si n c r e a s e d s ow em u s t d oo p t i m i z a t i o nd e s i g nb a s e d o nf a c t o rh a v i n ge f f e c to nh e a t e x c h a n g e rf o ri n d u s t r ya n dt h i sp a p e r sr e s e a r c hi sc a r r i e do n ： b a s e do nh e a t t r a n f e ro fh e a ts h e l l - a n d t u b eh e a te x c h a n g e r , s y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g no n h e a te x c h a n g e rs y s t e m ，a n de s t a b l i s hv a l i dc a s em o d e l s ，c l a s sm o d e l sa n dd y n a m i cm o d e l s f i r s t l y , i nt h es t u d yo fh e a t t r a n s f e r , t h ep i l o tc a l c u l a t i o na n dt h ep r i m a r ye l e c t i o ne q u i p m e n t s p e c i f i c a t i o n ，c a l c u l a t e st h eh e a tl o a da c c o r d i n gt ot h eh e a tt r a n s f e rd u t y , t h ec h o i c er o w t u b u l a rh e a te x c h a n g e r sm o d e l c a l c u l a t e st h eq u a l i t a t i v et e m p e r a t u r e ，a n dd e t e r m i n e su n d e r t h eq u a l i t a t i v et e m p e r a t u r et h ef l u i dn a t u r e u s i n gd a t a b a s et e c h n o l o g y , e q u i p m e n tm a t e d a l d a t a b a s ea r ea n dc o n s t r u c t e d ，t h e ya r ei n d e p e n d e n t ，o p e na n dr e l i a b l ew i t hs h a r e dd a t e ，i ti s e a s i l yt og e td a t af r o mt h ed a t a b a s ea n dc h a r t sb ya u t o m a t i cq u e r yo fc o m p u t e r , c h e c kt h e p r e s sd r o po fs h e l l - a n d - t u b e ，w h i c hi sd e v e l o p e db a s e do nv i s u a lb a s i c6 0 i t sa d v a n t a g e sa r e a d v a n c e ds t r u c t u r e d d e s i g n ，p o w e r f u l f u n c t i o na n dc o n v e n i e n c e i th a sb e e nu s e di n e x c h a n g e r sm a n u f a c t o r y t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tp r o g r a mw o r k ss a f e l ya n dr e l i a b l y t h e 1 s y s t e md e c r e a s e di n t e n s eo fd e s i g nl a b o u r , a n dr a i s e de f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fd e s i g n t h i s p a p e ri n t r o d u c e si t sc h a r a c t e r , c o n t e n ta n ds t r u c t u r ed e s i g n k e yw o r d s ：s h e l l - - a n d - - t u b eh e a te x c h a n g e r ；h e a tt r a n s f e r ；p r e s sd r o p ；s o f t w a r e i i i ： 掣 j 1 l 东北大学硕士学位论文第1 章目录 目录 独创性声明i 摘要i l a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 换热器1 1 1 1 热器的概述一1 1 1 2 换热器的分类1 1 1 3 换热器传热研究的动态。4 1 2 国内外换热器设计软件的发展状态5 1 3 论文研究意义6 1 4 论文研究内容7 第2 章列管式换热器设计理论分析9 2 1 列管式换热器的结构和分类9 2 1 1 列管式换热器的结构9 2 1 2 列管式换热器的分类1 0 2 1 3 列管换热器的特点1 1 2 1 4 列管换热器设计考虑因素。1 2 2 2 列管换热器热力学与传热学的研究1 8 2 2 1 对流传热1 8 2 2 2 热负荷的确定2 2 2 2 3 列管换热器的传热推动力一平均温差2 2 2 2 4 管侧传热系数和压力降的计算2 8 2 2 5 壳侧传热系数和压力降的计算3 0 2 2 6 列管式换热器的辅助计算3 2 2 2 7 有相变换热器的传热特性的研究3 7 i v 东北大学硕士学位论文第1 章目录 2 2 8 换热器的传热强化途径4 2 2 2 9 总传热系数4 4 2 3 列管换热器流动分析。4 7 2 3 1 流动形态的分类4 7 2 3 2 流速的选择4 8 2 4 列管式换热器的设计过程分析4 9 2 4 1 设计过程4 9 2 4 2 设计过程分析5 1 第3 章列管换热器工艺计算程序的实现5 3 3 】lv i s u a lb a s i c 5 3 3 1 1 系统的实现5 4 3 1 2 平均温差及温差校正系数的计算5 5 3 2 系统总体设计5 5 3 2 1 系统开发工具与数据库管理系统5 5 3 2 2 系统功能模块划分5 6 3 3 数据库5 9 3 3 1s q l 语言6 0 3 3 2 物性数据的选择及结构特点6 1 3 - 3 3 数据类型6 2 3 3 4 数据控件。6 2 3 4 应用举例一6 3 3 4 1 结果显示6 4 3 4 2 结果对比分析6 4 第4 章系统的安装与使用6 5 4 1 安装制作与发行6 5 4 2 软件说明6 5 第5 章结论6 7 5 1 论文主要研究成果。6 7 5 2 展望6 7 v 东北大学硕士学位论文 第l 章目录 参考文献6 9 致谢7 3 v 1 ， 它 l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 换热器 第1 章绪论 换热器在石油、化工等生产过程中应用广泛，约占设备重量的4 0 ，在建设投资方 面比例也高达2 0 - - 5 0 。因此，无论从能源的利用角度，还是从工厂的投资来看，合理 的选择和设计换热器，都具有重要的意义。 1 1 1 热器的概述 在工业生产中，为了实现物料之间热量传递过程的一种设备，通称为换热器。它是 化工、炼油、动力、原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅 速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。通常在化工厂的建设中，换热 器约占总投资的1 0 一2 0 。在石油炼厂中，换热器约占全部的工艺设备投资3 5 一 4 0 。 在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、 冷却、蒸发和冷凝等。换热器是用来进行这些热传递的设备，通过这种设备，以便使热 量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺上的需求。随着使用目的的不 同，可以把它分成：热交换器、加热器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用的条件 不同，换热设备又有各种各样的形式和结构。另外，在化工生产中，有时换热器作为一 个单独的化工设备，有时则把它作为某一工艺设备中的组成部分。总之，换热器在化工 生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。在换热设备中应用最 广泛的是列管式换热器。目前这种换热器被当作一种传统的标准换热器，在许多工业部 门中被大量地使用。尤其在化工生产中，无论在国内还是国外，它在所有的换热设备中， 仍占主导地位。 随着现代工业的飞速发展，一方面能源的紧张状况愈演愈烈，而另一方面是工业生 产过程中存在着大的节能潜力。我国现有能源利用率仅约为2 8 ，发达国家能源利用率 也只有5 7 和4 0 ：如何回收工业生产过程中存在的大量余热，这是节能很重要的一 块，而换热器是余热利用的重要设备，其性能的优劣直接影响着余热是否充分利用，总 体能量是否节省。因此世界各国十分重视换热器的优化设计。 - 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 2 换热器的分类 换热器的类型随工业发展而扩大，早期的换热设备由于制造工艺和科学水平的限 制，有结构简单、换热面积小和体积较大等特征，如夹套式和蛇管式等。后来，由于制 造工艺的发展，提出了一种管壳式或称列管式的换热器。这种换热器的特点是单位体积 设备所能提供的换热面积要大得多，传热效果也好。它成为长期以来在化工生产中所使 用的典型的换热设备。本世纪近代，开始出现板式换热器，并应用于食品工业。三十年 代初，瑞典r o s e n b l a d 公司首次制成了螺旋板换热器。不久，英国m a r t o ne x c e l s i o r 公司 用钎焊法生产了铜及其合金材料制的板翘式换热器，用于航空发动机的散热器。四十年 代中，板翘式换热器开始用于化工和天然气液化等方面；同时板式换热器亦引用化工生 产中。另外，新型材料换热器也开始得到注意。六十年代左右，由于制造工艺上得到进 一步完善，这些类型的换热器又重新得到发展，在化工生产中应用也愈加广泛【1 1 。 ( 1 ) 换热器基本形式的选择 设计一个传热设备是，最重要的决定是选择设备的基本形式，以满足给定得到应用 场合的特定需要。在设计过程的最初阶段，设计者的责任是调查现有各种基本设备类型， 并选择一个对整个流程最适用的类型。如果不能做出明确的决定，就要大致证明，对每 种合乎使用要求的设备形式，至少在进行初步设计时经济上是合算的。 ( 2 ) 套管式换热器 典型的套管式换热器如图1 1 ，从本质上说，它是由一根管同心地套在另一根直径 略大的管内所组成，每根管都带有相应的端头配件，以使流体从一部分流到另一部分。 l 图1 1 套管式换热器 f i g 1 1d o u b l e - p i p eh e a te x c h a n g e r ( 3 ) 管壳式换热器 典型的管壳式换热器如图1 2 ，在各种结构形式地换热器中，管壳式换热器无疑是 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 加工工业中最常用的基本换热器的形式。管壳式换热器可以提供相当大地传热面积对体 积和重量之比。这种换热器的换热面积，在形式上很容易做成很宽的尺寸范围，并且机 械强度足以经受住正常的工厂制造过程所受的力，受得住航运和现场安装，以及在经常 运行条件下所遇到的外部和内部应力。 l 一管箱；2 一管程接管；3 一管板；4 一壳程接管；5 一管束；6 一浮头 图1 2 管壳式换热器结构示意图 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo fs h e l l - a n dt u b eh e a te x c h a n g e r ( 4 ) 板式换热器 板翘式换热器至少可以分为三种不同的结构形式，通常的结构是每个传热面都是由 薄的金属板制成的，这些板一般都是互相平行的。有些情况需要防止外部压力损坏流道， 结构形式有些变化。一种流体流过规定的通道，而另一种流体流过与其相邻的通道。三 种结构形式是：板框式；板片式；螺旋板式换热器。 ( 5 ) 高翘片式换热器或空气冷却器 我们周围的大气作为最终得冷源日益被人们利用，但是，由于空气的热流体力学性 质很差，所以就需要特殊的换热器的结构。由于空气的密度很小，必须一直有大量的空 气运动才能满足热平衡的需要。但是，通常能使大量空气运动地轴流风机，只有很小的 升压，这就限制了空气的流速，而且流程很短。低流速加上低密度及导热系数小，致使 空气侧的传热系数低。 ( 6 ) 翘片式换热器 翘片式换热器是传热面最紧凑的形式，至少可以用在换热流体必须分开的常见情 况。这种换热器是由多层翘片或蜂窝状折叠金属片被分开而构成的。如图1 3 ，流体进 出由集流管控制，固体封条用来防止一种流体进到另一种流体地通道里去。用适当的急 流管排列，可以在一台板翘式换热器上实现多股换热。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 流 翅片2 图1 3 翘片式换热器 f i g 1 3w a r p i n g h e a te x c h a n g e r ( 7 ) 机械辅助式换热器 有些传热为了提高传热面处相应的传热量需要借助于机械的作用。这种机械作用可 以用两种不同的方式来达到，按设备分为搅拌容器和刮片容器。如图1 4 所示 图1 4 搅拌容器 f i g 1 4m i x i n gc o n t a i n e r s ( 8 ) 其他形式的工业过程换热器 1 1 3 换热器传热研究的动态 当前换热器发展的基本动向是继续提高设备的热效率，促进设备结构的紧凑性，加 强生产制造的标准化，系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。 同时仍然注意基础理论及测试方法的研究。 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 新能源换热器的研究：能源的充分供应对发展生产，保持并提高人类的生活水平是 必不可少的。尽管能源的供应前景仍不乐观，但是工业和民用的需求却在日益增长，这 是世界范围内极需要解决的问题。要求集中力量研究各种形式的能量转换形式的能量转 化技术，有效地利用能源。 余热回收装置研究：工业余热的利用潜力很大，对生产影响显著，主要是1 0 0 0 * c 左 右的高温热量及高压能量的合理利用，这是石油化学工业的关键技术之一。从换热器的 整体结构。各类管板的结构设计热膨胀补偿方法直到高温侧热通量的控制，都有许多课 题亟待解决，1 0 0 2 0 0 。c 的低温余热回收，对一般企业有普遍的意义。企业的热利用率 低的原因大多是低温位热能没有很好的利用起来。这种热能量大而广，合理利用有着巨 大的现实意义。 强化传热管的研究：近年来国内外在采用强化传热管改进换热器性能、提高传热效 率、减少传热面积、降低设备投资等方面，取得了显著的成绩。强化传热管同时也是利 用低温位热量的关键部件。表面多孔管可以在非常小的温差下产生很多的泡核，使汽化 核心增加许多倍，但是制造工艺要求比较严格，且生产成本也高，这些都是今后有待解 决的问题。 换热器基础技术理论及测试技术的研究：发展基础理论是指导推进设计研究的必要 前提。例如小温差传热的强化是解决低位新能源开发的关键；污垢和防浊的研究对换热 器的设计、运行有着巨大的影响；有相变传热的研究关系到能量的转化及传质技术。 传热和换热器测试技术的研究，可以使试验分析工作进行得更加准确、迅速。高效 换热设备的研究，使传热面积形状更加复杂。流体流动更加不规律，因此需要更加先进 的测试手段。此外，两相流动及传热；非牛顿型流体的流变特性的测定；核反应堆的安 全措施等都是现在和今后研究的课题。 1 2 国内外换热器设计软件的发展状态 应用计算机不仅节约了人力、提高了效率，而且可以进行最优化设计与控制，使其 达到最大技术经济性能。传热分析、应力分析、信息储存与检索以及模拟和控制均编有 程序。有些程序从工艺设计开始，直到绘出图纸。计算机自动绘图机程序几十分钟即可 绘一张标准换热器图纸。目前，美国h t r i 换热器设计程序在国外无疑是具有代表性的， 已被许多国家所引进。此外，其他些国家也开发了自动设计系统和程序1 2 j 。 美国传热研究公司( h e a tt r a n s f e rr e s e a r c hi n c ) 即h t r i ，是1 9 6 2 年发起组建的一 个国际性，非赢利的合作研究机构，会员数百家，编及全球，取得了大量的研究成果， - 5 - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 积累了换热器设计的丰富经验，在传热机理，两相流、振动、污垢、模拟及测试技术方 面做出了巨大的贡献。近年来。该公司在计算机应用软件开发上发展很快，所开发的网 络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算精度准确，不仅节省了人力，提高了效率， 而且提高了技术经济性能。目前国内有近2 0 家称为h t r i 会员。 英国传热及流体服务中心( h e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o ws e r v i c e ) 即h t f s ，于1 9 6 7 年成立，隶属于英国原子能管理局。该中心有会员数百家，长期从事传热与流体课题的 研究，所积累的经验和研究成果不仅用于原子能工业，而且用于一般工业。它最大特点 是与各大学合作，进行专门的课题研究，研究成果显著。在传热与流体计算上更精确， 开发的h t f s 、t a s c 各类换热器微机计算软件备受欢迎，国内有3 0 多家企业称为会员。 国内各研究机构和高等院校研究成果不断推陈出新，在强化传热元件方面华南理工 大学相继开发出多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管等；天津大学在流路分析发，振动 等方面已取得了初步成果；重庆建功学院靠法出翘管换热器；在强度软件方面化工设备 设计技术中心站开发出s w 6 ；在液压胀管方面江苏化工学院开发出液压胀管；以换热器 起家的兰州石油机械研究所率先开发出板壳式换热器、板式冷凝器、螺旋管换热器、板 式换热器、折流杆换热器、外导流筒换热器、高效重沸器、新结构高效换热器等一批使 用价值的系列高效换热器，今年来又在强度软件上开发出l a n s y sp v ，在c a d 软件上开 发出浮头式换热器l a n s y sh f 、u 形管式换热器l a n s y sh u 等系列c a d 软件，含标准图 2 0 0 0 余套；中国石化工程建设公司与兰州石油化工机器厂联合开发出螺纹紧环换热器； 西安交大、兰州五院、宁夏化工厂合作开发出螺旋绕管式换热器。这些技术成果为国民 经济的快速发展，为中国炼油、化工工业的发展起到了决定作用，也使中国的传热技术 水平步入国际先进的水平。 1 3 论文研究意义 面对科学技术的高速发展和市场竞争的日益激烈，换热器行业在其所处环境、基本 特点、基本任务和存在的问题等方面赋予了新的概念。 企业要赢得市场，技术创新是至关重要的，而技术创新上又主要体现在产品设计的 创新上。因此，减少设计工作中简单的重复性劳动，帮助设计者把头脑中产生的新形象 迅速准确的反应到计算机上，使设计者将注意力集中到富有创造性的设计活动中，从而 提高设计的效率和质量，将是创新产品的根本方法。列管换热器的工程优化旨在实现换 热设备研究开发与工艺设计、机械设计、零部件设计的一体化和集成化。 生产和生活中需要利用能源和节约能源。在工业炉内的热交换过程中，烟气热能损 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 失占供热量的三分之一。采用合适的余热回收设备( 如各类换热器) 回收这部分热量， 是合理利用能源与节约能源的重要手段。 随着现代工业的飞速发展，一方面能源的紧张状况愈演愈烈，而另一方面是工业生 产过程中存在着大的节能潜力。我国现有能源利用率仅约为2 8 ，发达国家能源利用率 约5 7 和4 0 ；如何回收工业生产过程中存在的大量余热，这是节能很重要的一块， 而换热器是余热利用的重要设备，其性能的优劣直接影响着余热是否充分利用，总体能 量是否节省。因此世界各国十分重视换热器的优化设计。 理想的换热器除满足使用条件外，尚需具有结构紧凑合理、可靠性高、材料耗量少、 传热效率高，流体阻力低、操作弹性大、利于防垢除垢、安装维修方便等特点。但上述 特性往往是彼此关联、互相制约的，因此换热器的优化设计问题越来越受到科技人员的 关注，利用计算机进行换热器的优化设计已经进入实用化阶段，并已经产生了较大的经 济效益和社会效益。 1 4 论文研究内容 对于工程上所用的换热器，其传热方式都是热传导和对流传热同时进行。在传热过 程中，沿流体的流动方向上，冷、热流体问的温差是变化的；设计时，在考虑冷、热流 体和换热间壁的热阻的同时，还考虑换热间壁的两侧可能存在的污垢热阻。 列管换热器传热性能研究主要从换热器的管程和壳程二方面研究列管换热器的传 热机理及其不同的强化方法，并进一步分析了各个强化传热技术的优缺点。最后研制出 列管换热器的优化设计系统。 研究的主要内容： ( 1 ) 对换热器的性能( 传热、流动、应用范围、技术经济型) 进行研究，寻求并 确定一种列管式换热器设计及优化的模型。它包括换热器的工艺设计( 能量计算和评估、 传热计算、压力降计算) 。流阻与换热效率、换热效率与工程经济指标的综合化目标确 定与评估。 ( 2 ) 实现上述功能的程序化，完成软件的开发，实现独立、开放、数据共享、运 行可靠的数据库。整个软件按层次结构设计建立了几种底层模块，其中包括屏幕菜单， 混合气体物性计算，查表与插值，各种工质的热平衡计算，热效率计算，各种结构的传 热计算，阻力降计算等等。每个模块被独立地理解、编程、测试、排错和修改，这样使 复杂地研制工作得以简化 标准中大量图表的计算机内部数据固化。在列管换热器设计过程中需要查询大量的 7 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 曲线图，将这些线进行模化、数据化。 ( 3 ) 使用v i s u a lb a s i c6 0 开发环境进行整个软件系统的代码实现。 ( 4 ) 人机交互界面的设计w i n d o w sx p 或w i n d o w s2 0 0 0 环境下运行的程序，其优 点之一就是界面灵活、直观、操作方便。结合工厂中实际用户的具体情况和需求，试图 设计出易学、易用、简捷生动、高效、便于修改的人机交互界面。常规优化设计，主要 是建立以传热性能为主的目标函数，根据用户的不同要求，灵活选用。利用模糊数学中 的模糊多目标优化设计理论，对换热器的主要结构参数进行模糊优化设计，以保证在满 足换热器强度的条件下，尽量减少管程流动阻力损失。 如何将计算机引入换热器的设计，如何减少设计人员在设计当中的重复性劳动，如 何加快设计速度、提高设计水平，已引起了国内外有关专业人员的关注。换热器的种类 繁多，结构形式复杂，绘图时重复性劳动量大。能否用计算机代替人工绘制换热器图纸， 计算机绘图时设计速度能提高多少，这是人们所关注的。有关资料表明，国内外一些工 业公司和企业，将c a d 技术用于绘制换热器方案图和设计制造图，收到了很好的效果。 本课题关键是列管换热器的设计计算软件编制与开发，与现有的工程设计软件相比，应 该具有更多的功能，实现真正的人机操作系统。 8 东北大学硕士学位论文 第2 章列管式换热器设计理论分析 第2 章列管式换热器设计理论分析 2 1 列管式换热器的结构和分类 2 1 1 列管式换热器的结构 列管式换热器比较容易进行清洗，易损件( 如挚圈、管子) 容易更换。特别的结构 形式允许这种换热器满足几乎所有的应用场合，包括特别低的和特别高的温度和压力、 大的温度、蒸发和凝结、以及严重污浊和腐蚀性流体的情况。好的设计方法式可以达到 的，由很多成功的设计和制造方面的专门知识和工厂设备【粥j 。 管子是换热器的基本构件，它为在管内流动的一种流体和穿过管外的另一种流体之 间提供传热面。管子可以是光管，或在管外表面有低翘片，以便增加a o a i 的值；在这 种情况下，翘片外径比管子的没有翘片的端头的直径略小一些，以便将翘片管穿过孔插 入管板。管子固定在每端( u 型管的设计出外，因为它只有一个管板) 的管板上。管子 可以胀接到管板孔内的径向槽道内或焊到管板的外侧。在一些低压应用的情况，管子就 简单到胀接到管板上的无槽圆孔内。 管板是一个圆形金属板，为了固定管子，在上面钻有适当的孔并开槽，为了安装垫 圈、折流板拉杆和螺栓分布圆( 如果管板是螺栓连接到壳体法兰上的话；管板也可以焊 接在壳体上) ，管板也要钻孔或铣孔。 壳体是一个包着管束的圆柱形部件，里边是壳侧流体。它通常是由适当厚度的金属 板滚轧成圆柱体，并且沿纵向焊接在一起。小直径的壳体( 直径约在0 6 m 以下) 可以 用管子直接切出所需的长度；这些“管子壳体 通常比滚轧壳体的圆度更高。 壳体接头管为壳侧流体提供了进、出口通道，通常接头管为焊到壳体上的标准管段， 可是仍需专门设计，以便得到小的压降、均匀的流动分布、或要求防止腐蚀。防冲击板 可以用比接头管接面积略大些的板，放在壳内入口接头管的下边，特别是在两相流或是 在饱和蒸汽在壳侧流动的情况，需要安装防冲击板。 管侧流道和接头管引导管侧流体进出管束，因为管侧流体往往腐蚀性比较大，所以 这些部件可以用合金材料或用包裹一层合金( 用焊接沉积或爆炸联接) 材料的低碳钢制 造。流道封头螺栓连接到流道部件上，这样便于检查管板和管予而不防碍管侧的管道系 数。对管侧可以用带法兰的接头管或螺纹联接。 对大多数的换热器来说，最后一个主要不见是折流板。折流板的用处有两个：第一， 9 东北大学硕士学位论文笫2 章列管式换热器设计理论分析 也是最重要的是折流板支撑住的管子，使它们不致弯曲，而且不振动；第二，它们引导 流体来回横掠管束，改善了传热( 当然也同时增加了压降) ，圆缺形折流板是最普通的 几何形状，对于一些特殊使用场合，也用其它形状的折流板，对折流板的主要要求，就 是对所有的管子能被很好地支撑，而且折流板逐个交叠至少一个整管排，以便保证整个 管束的刚性。 2 1 2 列管式换热器的分类 管壳式换热器主要形式及特点。管壳式换热器又称列管式换热器。它是目前生产中 应用最为广泛的换热设备。在该换热器中，由于管内、外流体温度不同，使管束和壳体 的温度也不同，因此两者的热膨胀程度也有差别。若两流体温度差较大，由于热应力而 可能引起管子的弯曲、设备变形甚至破裂。一般当两流体的温度差超过5 0 时，就应考 虑这种热膨胀的影响。通常热补偿方法有补偿圈、u 形管及浮头式三种，相应的管壳式 换热器主要有一下几种。 ( 1 ) 固定管板式换热器 固定管板式换热器如图2 1 ，这种换热器的两端管板和壳体制成一体，因此具有结 构简单和造价低廉的优点，但是其壳程清洗和检修困难，要求壳程流体是洁净和不易结 垢的物料。图所示的为具有补偿圈( 又称膨胀结) 的固定管板式换热器。它是在外壳的 适当部位上焊有一个补偿圈，补偿圈发生弹性形变( 压缩或拉伸) ，以适应壳体和管束 不同的膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不适用于两流体温差过大( 应不大于7 0 ) 和壳程流体压强过高( 不高于6 0 0 k p a ) 的场合。 图2 1 固定管板式换热器 f i g 2 1f i x e dt u b es h e l l h e a te x c h a n g e r ( 2 ) u 形管式换热器 u 形管式换热器如图2 2 所示。这种热补偿的方法是将每根管子弯成u 形，管子的 两端固定在同一管板上，因此受热时可自由伸缩，与其他管子及壳体无关。 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章列管式换热器设计理论分析 图2 2 u 犁管式换热器 f i g 2 2ut u b u l a rs h e l lh e a te x c h a n g e r ( 3 ) 形管式换热器的结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。但其管束内 清洗困难，要求管内流体是洁净及不易结垢的物料。此外因管子需要一定弯曲的半径， 故管板的利用率较低。 ( 4 ) 浮头式换热器 浮头式换热器如图2 3 所示。其一端管板与外壳固定连接，该端称为浮头。当管子 受热时，管束连同浮头可自由伸缩，与外壳的膨胀无关。这种结构不仅可完全消除热应 力的影响，而且因管束可以从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗和检修，故浮头式换 热器的应用比较普遍。 2 1 3 列管换热器的特点 图2 3 浮头式换热器 f i g 2 3f l o a t i n gh e a dh e a te x c h a n g e r 列管式换热器时目前是目前化工生产中应用最为广泛的传热设备，与前述的各种换 热器相比，主要优点是单位体积所具有的传热面积较大以及传热效果较好。此外，结构 简单，制造的材料范围较广，操作弹性也较大等，因此在高温、高压和大型装置上多采 - 1 1 - 东北大学硕士学位论文第2 章列管式换热器设计理论分析 用列管式换热器。列管式换热器通常有固定管板、u 形管和浮头式三种形式，三种结构 各有优缺点，使用于不同的场合。列管式换热器主要由外壳、管板、管束、封头等部件 组成，如图2 4 所示。 1 一管箱：2 一管程接管；3 一管板；4 一壳程接管：5 一管束；6 一浮头 图2 4 列管式换热器结构示意图 f i g 2 4s t r u c t u r es k e t c hm a p o ft u b e s h e e th e a te x c h a n g e r 2 1 4 列管换热器设计考虑因素 换热设备的类型很多，对每种特定的传热工况，通过优化选型都会得到一种最适合 的设备型号。如果将这个型号的设备使用到其他工况，则传热效果可能有很大的改变。 因此，针对具体工况选择换热器类型，是很重要和复杂的工作。对列管式换热器的设计， 有一下因素值得考虑。 ( 1 ) 设计的基本原则 流体流径的选择是指在管程和壳程各走哪一种流体，此问题受多方面因素的制约， 下面以固定管板式换热器为例，介绍一些选择的原则。 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。 腐蚀性的流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于检修与更换。 压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗。 有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量。 流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速 和流向的不断改变，在低r e ( r e 1 0 0 ) 下即可达到湍流，以提高传热系数。 若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁面温度与q 大的 流体接近，以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。 1 2 东北大学硕士学位论文第2 章列管式换热器设计理论分析 以上讨论的原则并不是绝对的，对具体的流体来说，上述原则可能是相互矛盾的。 因此，在选择流体的流径时，必须根据具体的情况，抓住主要矛盾进行确定 ( 2 ) 流速的选择 流速是换热器设计的重要变量。提高流速则提高传热系数，同时压力降与功率消耗 也随之增加。如果采用泵送流体，应考虑将压力降尽量减少在换热器上而不是调节阀上， 这样可依靠提高流速来提高传热效果。 采用较高的流速有两个好处：一是提高总传热系数，从而减少传热面积；二是减少 在管子表面生成污垢的可能性。但是也相应地增加了阻力和动力消耗，所以需要进行经 济比较才能最后确定适宜的流速。一般针对传热阻力大的一侧来提高流速。用以增大对 流传热系数。例如管程走水、壳程走重油工况，提高壳程流速对总传热系数提高有决定 性的影响，但提高管程流速则作用不大。 此外在选择流速时，还必须考虑结构上的要求。为了避免设备的严重磨损，所算出 的流速不应超过最大允许的经验流速。 流体流速的选择涉及到传热系数、