管殼式換熱器工程設(shè)計(jì)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(yùn)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(qiáng)，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(qiáng)，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(shè)計(jì)

管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)應(yīng)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(jì)成本低，設(shè)計(jì)技術(shù)具有科學(xué)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(yīng)力。把浮頭端設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)成不可拆的。

3管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)方法

管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)主要是針對傳熱設(shè)計(jì)和壓降設(shè)計(jì)這兩個方面，管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)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(fù)雜的，尤其是殼側(cè)的傳熱和壓降設(shè)計(jì)計(jì)算非常重要，一些設(shè)計(jì)原理就是通過殼側(cè)傳熱和壓降計(jì)算方法的確定而建立的。1933年，以理想管排數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的殼側(cè)傳熱系數(shù)計(jì)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(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)更為方便。因?yàn)楣軞な綋Q熱器中同時(shí)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(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)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(shè)計(jì)方法由Donohue首次提出。這種方法的傳熱計(jì)算式對Colburn關(guān)聯(lián)式進(jìn)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(chǔ)上，Kern方法進(jìn)行了一定的改進(jìn)。Kern方法將設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法又進(jìn)行了總結(jié),新的內(nèi)容增加了進(jìn)去,它已經(jīng)成為目前管殼式換熱器的重要設(shè)計(jì)參考書，對管殼式換熱器的發(fā)展和研究具有巨大的價(jià)值。3.3Bell-Delaware方法Bell在前人研究成果的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步對管殼式換熱器殼程的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，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(shí)驗(yàn)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(yīng)考慮在內(nèi),但是由實(shí)驗(yàn)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(dú)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(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出的。1979年，天津大學(xué)提出了應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算的計(jì)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(jìn)行手工計(jì)算也非常方便。該方法應(yīng)該加以發(fā)揚(yáng)，所依賴的各種流路阻力系數(shù)仍屬于經(jīng)驗(yàn)公式。

3.5基于計(jì)算流體動力學(xué)的設(shè)計(jì)方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，管殼式換熱器的設(shè)計(jì)也正在逐漸擺脫繁雜計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及經(jīng)濟(jì)效益問題的單純設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)在管殼式換熱器設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用經(jīng)歷了以下三個階段。（1）為了代替繁瑣的手工設(shè)計(jì)，開發(fā)通用的程序，將管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)的工藝和機(jī)械設(shè)計(jì)等考慮到，建立管殼式換熱器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)；（2）在設(shè)計(jì)程序中引入工程最優(yōu)化理論，目標(biāo)函數(shù)為年度投資操作和維護(hù)費(fèi)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(shè)計(jì)軟件包；（3）根據(jù)計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)和數(shù)值傳熱學(xué)，進(jìn)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(shè)計(jì)和放大問題。其中，起步較早、進(jìn)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(shè)計(jì)軟件包。這些市售軟件或者設(shè)計(jì)軟件包在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，已成為換熱器工藝計(jì)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(fù)雜的三維流動，這方面的工作仍然處于學(xué)術(shù)研究階段，要完全準(zhǔn)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(xì)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(jìn)行研究。