管殼式換熱器工程設計論文

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1管殼式換熱器的工作原理

在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛運用到管殼式換熱器，管殼式換熱器是由圓筒形的殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等組成的。其中，殼體內(nèi)部裝有兩端固定在管板上的管束。冷熱兩種流體用來換熱，在管內(nèi)流動的是管程流體，在管外流動的是殼程流體。在殼體內(nèi)通常安裝一些擋板，以使管外流體的傳熱分系數(shù)增大。擋板可使殼程流體速度提高，從而使流體湍流程度增強，流體能夠按規(guī)定路程多次橫向通過管束。在管板上，換熱管的排列可以按照等邊三角形或正方形。排列為等邊三角形顯得緊湊，使得管外流體湍流程度增強，提高傳熱分系數(shù)；排列為正方形則清洗管外方便，對于易結(jié)垢的流體非常適用。

2管殼式換熱器工藝設計

管殼式換熱器工藝設計應該符合特定的工藝條件，比如要具有安全可靠的結(jié)構(gòu)，制造、安裝、操作和維修方便，經(jīng)濟成本低，設計技術(shù)具有科學性等。理想的管殼式換熱器可以是兩端管板分別與殼體固定和在殼體內(nèi)自由浮動，殼體和管束的膨脹自由，從而在兩種介質(zhì)間存在較大的溫差的情況下，不會在管束和殼體之間產(chǎn)生溫差應力。把浮頭端設計成可拆結(jié)構(gòu)，可以使管束插入或抽出殼體容易。也可以把浮頭端設計成不可拆的。

3管殼式換熱器的工藝設計方法

管殼式換熱器的工藝設計主要是針對傳熱設計和壓降設計這兩個方面，管殼式換熱器的工藝設計方法主要包括下面幾個。

3.1Colburn-Donohue方法

管殼式換熱器的殼側(cè)的傳熱和流動過程是非常復雜的，尤其是殼側(cè)的傳熱和壓降設計計算非常重要，一些設計原理就是通過殼側(cè)傳熱和壓降計算方法的確定而建立的。1933年，以理想管排數(shù)據(jù)為基礎的殼側(cè)傳熱系數(shù)計算關(guān)聯(lián)式由Colburn首先提出。而帶有折流板的管殼式換熱器中存在漏流和旁流,采用Sieder-Tate關(guān)聯(lián)式計算進行設計更為方便。因為管殼式換熱器中同時發(fā)生流體的傳熱與流動阻力，它們是相互制約的，所以，在設計計算中應將流體的傳熱與流動阻力作為一個整體考慮。1949年,完整的管殼式換熱器綜合設計方法由Donohue首次提出。這種方法的傳熱計算式對Colburn關(guān)聯(lián)式進行了修正，這種方法稱為Colburn-Donohue方法。

3.2Kern方法

在Colburn-Donohue法的基礎上，Kern方法進行了一定的改進。Kern方法將設計作為一個整體來處理，考慮傳熱、殼程管程流動、溫度分布、污垢及結(jié)構(gòu)等問題。后來對這一設計方法又進行了總結(jié),新的內(nèi)容增加了進去,它已經(jīng)成為目前管殼式換熱器的重要設計參考書，對管殼式換熱器的發(fā)展和研究具有巨大的價值。3.3Bell-Delaware方法Bell在前人研究成果的基礎上，為了進一步對管殼式換熱器殼程的工藝設計進行改進，提出了Bell-Delaware方法。Bell-Delaware方法是一種精確度較高的半理論方法，它利用大量實驗數(shù)據(jù)，將各流路的校正系數(shù)引入，將傳熱、流動與結(jié)構(gòu)的綜合效應考慮在內(nèi),但是由實驗數(shù)據(jù)回歸得到該方法的傳熱關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)與指數(shù)，該方法的適用范圍有一定的限制，總體來說是有利有弊的。

3.4流路分析方法

為克服Bell-Delaware法的受到適用范圍的限制的局限性，美國傳熱研究公司提出了具有獨創(chuàng)性的流路分析法，該方法是在引用自己的研究成果并利用Tinker的流動模型和Delaware大學的實驗數(shù)據(jù)的基礎上提出的。1979年，天津大學提出了應用計算機進行計算的計算殼側(cè)壓降的流路分析法。1984年，Wills和Johnson簡化了流路分析法，使該方法進行手工計算也非常方便。該方法應該加以發(fā)揚，所依賴的各種流路阻力系數(shù)仍屬于經(jīng)驗公式。

3.5基于計算流體動力學的設計方法

隨著計算機技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，管殼式換熱器的設計也正在逐漸擺脫繁雜計算、經(jīng)驗設計以及經(jīng)濟效益問題的單純設計。計算機在管殼式換熱器設計方面的應用經(jīng)歷了以下三個階段。（1）為了代替繁瑣的手工設計，開發(fā)通用的程序，將管殼式換熱器標準的工藝和機械設計等考慮到，建立管殼式換熱器的計算機輔助設計系統(tǒng)；（2）在設計程序中引入工程最優(yōu)化理論，目標函數(shù)為年度投資操作和維護費用最低、換熱器面積最小、年凈收益最大等,建立管殼式換熱器的優(yōu)化設計軟件包；（3）根據(jù)計算流體動力學(CFD)和數(shù)值傳熱學，進行管殼式換熱器的三維流動和傳熱行為數(shù)值模擬，從而從根本上解決管殼式換熱器的設計和放大問題。其中，起步較早、進展較快的是前兩階段的工作，部分工作已有市售軟件或者設計軟件包。這些市售軟件或者設計軟件包在國內(nèi)得到了廣泛應用，已成為換熱器工藝計算的主要手段。1972年，最后階段的工作開始相對較晚，由Patan-kar提出。管殼式換熱器內(nèi)的流動是復雜的三維流動，這方面的工作仍然處于學術(shù)研究階段，要完全準確地模擬出來工業(yè)規(guī)模換熱器內(nèi)部的每一個流動和傳遞細節(jié)，從而確定出來流動阻力和換熱系數(shù)，對于這方面的工作科研工作者仍然需要繼續(xù)進行研究。