分类号学号M201170593学校代码10487密级
硕士学位论文
高效微通道平行流换热器翅片结构
参数研究设计
学位申请人：成亮
学科专业：机械工程
指导教师：张国军教授
黄禹副教授
答辩日期：2013年5月16日
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements For
the Degree of Master of Engineering
Structural Parameters of Radiating Fin for Highly Efficient Micro-channel Parallel Flow
Heat Exchanger
Candidate : Cheng Liang
Major : Mechanical Engineering
Supervisor : Prof. Zhang Guojun
Assoc. Prof. Huang Yu
Huazhong University of Science & Technology
Wuhan，Hubei 430074，P. R. China
May. 2013
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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日期： 年 月 日
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日期： 年 月 日 日期： 年 月 日
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摘要
换热器是汽车空调和商用空调器产品的重要配套总成。微通道平行流换热器为板翅式换热器，与其他类型的换热器相比优势显著。其突出特点是环保、高效节能、节约材料降低成本。
根据国内外研究结果表明，散热单元翅片的结构尺寸将对换热器的换热性能具有至关重要的影响，本文将对此进行研究。
研究内容主要包括以下几个方面：
首先，建立了翅片计算机模拟仿真模型。介绍了计算机辅助仿真分析方法和典型CFD软件FLUENT，对本文研究的高效微通道散热器所使用的百叶窗式翅片的结构及其参数进行了简要介绍，引入了翅片的数学物理模型和理论分析的数值计算方法，利用FLUENT软件对翅片给定某组参数进行了热力学数值分析。
其次，采用Chang和Wang的实验关联式，以换热因子j和摩擦因子f作为比较指标，对比了计算机数值计算法和实验关联式的计算结果，验证了本文所用的计算机数值计算方法的有效性，最后以速度场分布情况为对象，对翅片工作区流场的特性进行了简要介绍。
然后，采用控制变量法对单个翅片结构参数对换热性能影响进行了分析。
最后，完成了翅片尺寸参数的优化设计。首先介绍了优化设计理论，而后设定了目标函数，采用求函数极值法确定最优化参数数值，最后用此方法对翅片结构参数进行了优化设计。
关键词：换热器，百叶窗翅片，数值模拟，优化设计
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Abstract
The heat exchanger is an important supporting assembly for automotive air conditioning and commercial air conditioner products.Micro-channel parallel flow heat exchanger is a plate-fin heat exchanger, which has significant advantages compared with other types of heat exchangers. Its outstanding feature such as environmentally friendly, energy efficient, saving material and reduce costs.
Domestic and international studies have shown that, parameters of the structure and size of the cooling unit fin will have a critical influence on radiator cooling. That is what described in this article.
The study includes the following aspects:
First of all, model of the fins for computer simulation is established. The concept of computer-aided simulation analysis method and the typical CFD software FLUENT are introduced. Fin's theoretical analysis of numerical methods and mathematical model is elaborated. And a briefing in shutters fins of highly efficient micro-channel heat exchanger is given. Then fin's thermodynamic numerical analysis by FLUENT using a set of specific parameters is accomplished.
Secondly, verification of the calculation method is complied. Chang and Wang's experimental correlations are employed. And the effectiveness of computer numerical methods is verified by using Colburn factor j and friction factor f as comparative indicators and comparing computer numerical calculation and the calculation results of the experimental correlations. Then a brief introduction on the fin's work area flow field characteristics is draw by demonstrating the distribution of velocity field of the flow field.
And then, the analysis of the affection of fin's structure parameters on the heat transfer performance by control variable method is carried out.
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Finally,optimal design of fin dimension parameters. Optimization analysis method is introduced. And the objective function is set up to find out the optimal parameter values by extreme value method. Then the fin's two important structure parameters are optimized by using this method.
Key words：heat exchanger, louver fin, numerical simulation, optimization design
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目录
摘要..................................................................................................... I Abstract .................................................................................................. I I 1 绪论
1.1 课题研究背景 (1)
1.2 课题研究意义 (4)
1.3 国内外研究状况 (5)
1.4 研究内容和章节安排 (7)
2 基于FLUENT软件的翅片性能模拟仿真
2.1 计算机辅助仿真及FLUENT软件简介 (9)
2.2 翅片数值模拟的理论基础 (11)
2.3 翅片结构分析 (12)
2.4 运用FLUENT软件对翅片进行数值分析 (14)
2.5 本章小结 (19)
3 翅片仿真结果分析
3.1 主要换热性能指标 (20)
3.2 仿真结果准确性分析 (22)
3.3 空气流场的速度特性 (27)
3.4 本章小结 (30)
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4 翅片结构尺寸的性能分析
4.1 翅片间距的影响 (31)
4.2 翅片高度的影响 (32)
4.3 百叶窗间距的影响 (33)
4.4 本章小结 (34)
5 翅片结构参数优化设计
5.1 优化设计概述 (35)
5.2 翅片间距的优化设计 (37)
5.3 翅片高度的优化设计 (42)
5.4 翅片尺寸优化效果 (44)
5.5 本章小结 (46)
6 总结与展望
6.1 总结 (47)
6.2 展望 (48)
致谢 (49)
参考文献 (50)
附录：攻读硕士期间参与的项目情况 (54)
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1 绪论
1.1 课题研究背景
换热器是汽车空调和商用空调器产品的重要配套总成。在汽车空调中，换热器通过吸入外界气流，实现冷却液循环，将温度过高部件的热量吸收并散发到空气中，起到了保护相关汽车零部件正常运行的重要作用。而在商用空调中，换热器毋庸置疑是其实现调温功能的核心部件。
近几年来，换热器产业正在高速发展。其一，近些年来飞速发展的汽车产业已
经成为我国工业发展的支柱产业之一。2010年汽车销售量据统计超过了
意元，其中2010年仅商用空调终端零售总量已经接近3000万台，多项产品产量居世界第一，这说明商用空调换热器也有着极大的国内外市场需求。
在不同应用领域，根据不同需要，换热器也具有各种不同的结构。早期的换热器结构比较简单，比如图1.1所示的管套式换热器。
图1.1 典型管套式换热器结构图
由图1.1中结构可以看出，该换热器分为内外两层管路，两种温度不同的流体在各自管路中不断循环流动，热量通过内管的管壁进行传递。由于主要利用热传导的方式实现热量的交换，其换热效果较为有限。
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随后为了提升换热器的换热能力，人们研制出了一类重叠板式结构的换热器，称之为板式换热器，随着这种换热器应用的发展，逐渐产生了多个细化分类，大致有如下几类：
（1）板片式换热器
其结构如图1.2所示，换芯部热板片的四个角处都开有通孔，换热板片上同时具有许多有规则纹路，多个换热板片重叠在一起，不同温度的传热介质在通孔和纹路形成的相邻反向通道内逆向流动，可以实现充分的热量传导交换，这种换热器的换热能力相对于管套式换热器来说有了较大的提升。由于其结构紧凑，其应用较为广泛。
图1.2 板片式换热器结构图
（2）螺旋板式换热器
这种换热器的结构如图1.3所示，其结构较为简单，芯体为两块卷成螺旋状金属板制成，圆柱外壳和壳内隔板配合芯体形成两个相互隔离又互相旋绕的螺旋状流体通道，两种流体各自在其通道内流动，相互形成逆流，实现热交换。该换热器的特点是应用范围广泛，基本适用于任何两种流体间的热传导交换。
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图1.3 螺旋板式换热器
（3）板翅式换热器
板翅式换热器是板式换热器中换热能力最好的一种，其结构和外形如图 1.4、图1.5所示。
图1.4 板翅式换热器结构分解图图1.5 板翅式换热器实物图由上面的对各种形式的换热器介绍可以得知，换热器的换热过程一般需要不同温度的传热介质进行相互流动，利用热传导（有时也利用对流和辐射）的方式进行热量交换。为了加大流体热量传递的效率，一般需要加快流体流动，并增大导热介质间的接触面积。
在图1.4中可以看到该换热器是由多个平板和翅片板交替重叠而成，这点与板片式换热器较为相似，然而与其他形式换热器不同的一点是板翅式换热器特有的翅片结构，这种波浪状的翅片结构具有更大的导热面积，波浪翅片结构形成的不规则流体通道又能充分促进流体内部各层间扰动，从而具有了强化传热的作用。
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1.2 课题研究意义
目前国内特别是商用空调行业仍然普遍使用传统铜材换热器，鉴于其工艺成熟，装备要求低，即使能耗巨大，采用铜质材料制作产品笨重而且制作成本及生产能耗相对较高，仍旧占领着商用空调换热器的大部分市场份额。
本课题研究的微通道平行流换热器属于板翅式换热器的一种。它是采用铝合金材料制成，与传统的铜管翅片相比优势显著，其突出特点是环保、高效节能、节约材料降低成本。随着汽车用空调和商用空调产品的普遍应用及旺盛的需求，传统换热器作为耗能大户，降低其能耗的要求也日益强烈。为适应国家不断提高的能效和减排要求，就散热器产业而言，基于铝材的微通道平行流换热器取代传统的铜管翅片散热器是大势所趋，相应地，生产微通道平行流换热器的成套装备需求巨大。多年来保持着惊人的年均增长率，现已成为国民经济的一个新的增长点。
板翅式换热器常见的翅片种类包括波纹形翅片、矩形翅片、百叶窗式翅片等，如图1.6所示。
（a）波纹形翅片（b）矩形翅片
（c）百叶窗式翅片
图1.6 换热器常见翅片种类
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在学术界和工业界，百叶窗式翅片被认为是板翅式换热器各类翅片中传热效能最高的一种，由于它在汽车空调行业应用十分广泛，本课题所要研究讨论的也正是这种翅片。
1.3 国内外研究状况
经学术界多年实验与理论研究表明，换热器翅片对于整个换热系统性能的影响大致体现在如下两个方面：其一是翅片表层流体换热系数对换热器乃至对整个换热系统的换热能力有直接影响；其二是换热器翅片对于换热系统其它部分同样存在着一定的影响，比如说换热器工作时，换热器翅片对空气流动会产生一定的阻力，设计换热风扇时，选择功率大小要考虑到该阻力的影响。
百叶窗式翅片，其传热性能的研究的方法一般有如下几种：以热力学和流体力学为基础的理论研究法、构建实验平台进行样品分析的实验分析法、基于计算机辅助技术的数值计算分析法。近些年来，随着计算机仿真和计算机辅助分析技术的发展，数值计算方法算法不断完善，研究人员越来越倾向于使用数值模拟仿真技术对散热器翅片进行性能分析。
1.3.1 早期实验研究
Beauvais[1]使用可视化实验技术，发现气流流经百叶窗时会发生偏转。
Wong和Smith[2]采用
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Webb和Trauger[7]选用百叶窗间距和翅片间距的比值以及百叶窗开窗角度作为研究对象，进行了多组试验，在试验的基础上提出了关于流体流动效率的关系式。
1.3.2 数值模拟研究发展
Achaichia和Cowell[8]使用简化二维模型进行了模拟，根据模拟结果他们确定了百叶窗翅片的流体流动方式，也总结出了关于流体流动效率的关联式。
袁志群[9]等人也采用数值模拟的方式，研究了汽车用百叶窗式换热器，其模拟结果与实验值偏差较小。
Atkinson[10]等人分别利用二维和三维模型进行百叶窗数值模拟，发现三维模型的模拟结果与实验数据偏差较小。
J. Y. Jang[11]等用三维模型模拟了Re在
时百叶窗翅片的综合换热性能最好。
漆波[16]等人使用三维模型，发现百叶窗开窗角度为
时，换热器翅片综合性能最好[17]。
张行周、王浚[18]将换热器的传热过程进行了划分，对于每个细分区域分别建立了相应的数学模型，经过仿真计算，得出了与实验较为一致的结果。
包涛[19]等人进行了数值模拟，他们认为对于特定结构的翅片，其空气侧传热系数和压降的确定，需要采用其专用的关联式[20]。
Ching-Tsun，Hsieh，Jiin-Y uh Jang[21]建立三维进行了数值模拟，发现在一定的迎风速度范围内，百叶窗开窗角度的变化对于换热因子和摩擦因子的影响规律。
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V. P. Malapure[22]等人分别建立了单排和多排扁管的三维模型，研究分析了两种不同的模型热力学性能的差异。
舒朝晖[23]等运用Davenport的经验关联式，针对家用空调实际工况进行了百叶窗翅片建模仿真模拟，分析了其换热性能的结构影响因素。
寇磊[24]使用了综合评价指标参数JF，对百叶窗翅片结构尺寸进行了优化，得出
结论：当百叶窗开窗角度为范围内时，翅片具有较好综合性能[25]。
1.3.3 结构优化研究
李维仲[26]等人运用多目标规划的方法研究了换热器元件结构尺寸的最优化问题，但由于难以确定权系数，文章中没有提出具体的计算准则[27]。
李夔宁[28]等人叙述了一种以与换热量相关的目标函数来进行翅片尺寸最优化的方法，并用该方法求得了一组最优化设计方案。
Jafar Mahmoudi[29]采用数值模拟，研究了汽车空调百叶窗式换热器的换热性能和介质流动性能，开发出了一个翅片结构尺寸优化程序，并根据该程序获得了一组具有最优综合换热性能的翅片结构尺寸。
富丽[30]分别采用了单目标优化模型和多目标优化方法，通过对比两者的优化结果，发现较之单目标优化法，多目标优化的最优化方案能大幅提升换热器综合性能，她采用了NSGA-Ⅱ遗传算法，开创了翅片结构尺寸优化的全新思路。
1.4 研究内容和章节安排
1.4.1 主要研究内容
根据国内外研究结果，可以看出散热单元翅片的结构尺寸将对换热器的换热性能具有至关重要的影响。本文采用数值模拟仿真的方法对某高效微通道换热器百叶窗式翅片进行换热和流动性能分析，研究其结构尺寸的改变对于换热器散热性能的影响，并根据研究结果对翅片关键尺寸参数进行优化。具体内容包括以下几个部分：（1）建立了翅片仿真模型。首先，介绍了计算机辅助仿真和CFD软件FLUENT；而后，对本文研究的高效微通道散热器所使用的百叶窗式翅片的结构及其参数进行
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了简要介绍；其后，介绍片了翅片数值分析的热力学理论基础；最后利用FLUENT 软件对翅片给定某组参数进行了热力学仿真分析。
（2）采用Chang和Wang的实验关联式，以换热因子j和摩擦因子f作为比较指标，对比了计算机数值计算法和Chang和Wang的实验关联式的计算结果，验证了本文所用的计算机仿真方法和数值计算结果的有效性。最后速度场分布情况为对象，对翅片工作区流场的特性进行了简要介绍。
（3）采用控制变量法对单个翅片结构参数对换热性能影响进行了分析。
（4）完成了翅片尺寸参数的优化设计。首先介绍了优化设计理论，而后设定了目标函数，采用求函数极值法确定目标参数的最值，即该参数的最优化值，最后用此方法对翅片结构尺寸进行了优化设计。
1.4.2 章节安排
本文是对高效微通道换热器所采用的百叶窗式翅片进行热力学结构分析，并以优化换热器换热性能和流动性能为目的，对翅片结构尺寸进行了优化设计。文章分为6章，各章节内容如下：
第一章绪论，简要叙述了课题的研究意义和背景，对翅片数值仿真的国内外研究现状进行了介绍，提出了换热器数值计算分析的研究方法。
第二章基于FLUENT软件的翅片性能模拟仿真，介绍了CFD原理和FLUENT 软件，简要介绍了翅片数值分析的热力学理论基础和翅片的结构参数，分析了利用FLUENT软件解决问题的大致步骤。
第三章仿真结果分析，根据Chang和Wang的实验关联式对仿真结果的有效性进行了分析，并以流体速度矢量场为例分析了换热器工作区流体的大致特性。
第四章翅片结构尺寸的性能分析，采用控制变量法对翅片各指标进行了换热和空气流动性能分析。
第五章翅片结构参数优化设计，介绍了优化设计的大致方法步骤，选定目标函数，利用回归分析找到了目标函数的数学表达式。采用求函数极值法确定最优化参数，对翅片结构尺寸进行了优化设计。
第六章总结与展望。
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2 基于FLUENT软件的翅片性能模拟仿真
本章内容是介绍对换热器工作流场的换热和流动性能进行计算机模拟仿真分析的方法。首先，引入计算机辅助数值分析方法，对翅片性能仿真的工具FLUENT 软件进行了简要介绍；然后介绍翅片数值计算的理论基础；其后介绍了翅片的分析模型和结构参数；最后根据一组特定参数进行建模，得出数值仿真结果，以研究换热器翅片工作状态时的物理场分布情况，为后面章节研究其换热性能指标做铺垫。
2.1 计算机辅助仿真及FLUENT软件简介
实际工业产品研发的环节中，对样品进行实验是不可或缺的一个环节，然而在样品开发的过程中，完成一个实验周期的时间后，样品参数常常需要经过不断更改，然后再进行实验分析，如此往复，直至得出最佳实验数据最终才能确定产品参数。这个工程往往十分耗时，考虑到节约时间成本和样品自身成本，采用计算机辅助技术是十分有必要的。
计算机辅助技术是利用计算机软件完成产品的设计开发工作的技术。计算机辅助仿真分析采用计算机辅助技术，不用进行实物实验，就可以对工程项目中的案例进行实验仿真及结果分析等。
计算机辅助仿真，便是利用相关计算机软件，采用人机交互式操作，建立虚拟样品，并进行虚拟实验，对样品性能进行分析，然后根据分析结果改变虚拟样品参数，再进行实验分析。这个过程与上面讲到的传统的工业生产中样品的试制过程基本一致，区别在于过程主体（样品和实验）由实物变成了虚拟事物。随着计算机软件技术的发展，其功能越来越完善，其仿真结果的可信度也越来越高。目前，计算机辅助技术在越来越多的行业和企业内得到了普遍应用。
本文对换热器翅片进行热力学性能分析，主要研究换热器工作时，相关流体的物理性能。将流体运动的规律表现为数学方程的形式，然后利用计算机进行数值计算求解方程，利用求得的结果来反映和研究流体运动的规律，这里便涉及到计算流体动力学的理论和方法及其相关CFD软件。而FLUENT软件是目前CFD软件中功能较为出色的一个。
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2.1.1 FLUENT软件简介
虽然都要满足物理基本定律，流体力学与固体力学一个重要不同之处在于，流体在流动运动中一般伴随着巨大的形变，这一点就使得求解问题的过程就变得异常复杂了。其控制方程属于非线性偏微分方程，对于实际问题来说很难解出解析解。而且对于非专业研究人员来说，一般难以具有研究流体运动规律的理论知识，但由于工作需要，想要根据流体运动的规律来研究特定流体的运动过程，由此，许多计算准确、人机界面友好、使用简单的大型商业计算机辅助仿真分析软件应运而生，FLUENT软件便是其中较为出色的一种。
FLUENT软件除具有一般CFD软件所具有此外全部功能外，FLUENT能够生成非结构网格，而且能够调整网格形状和大小，具有网格自适应性。这种调整只在特定区域内实施，而非在整个流场内实施，因此所需计算时间便可大幅缩短，这一点是FLUENT软件的一大特点和优点。
2.1.2 FLUENT软件的组成
FLUENT软件包由以下几部分组成[31]：
（1）GAMBIT：进行流场几何建模和生成网格等；
（2）FLUENT：能够完成流场数值计算及其相关设置工作；
（3）prePDF：模拟PDF燃烧过程，为软件的子功能模块；
（4）TGrid和Filters等其他模块。
使用FLUENT软件分析一般的问题求解过程大致为：
（1）使用GAMBIT前处理器完成对流场的几何建模、划分网格等；
（2）输出文件到FLUENT求解器中进行数值计算；
（3）对计算结果进行图形显示和分析等。
FLUENT软件应用范围非常广泛，可适用于绝大多数流体流动问题。
翅片的数值分析建立在流体力学理论的基础之上，下面将对流体力学的基本理论进行简要介绍。
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2.2 翅片数值模拟的理论基础
2.2.1 流体的连续性假设
微观来说，流体的组成分子间具有间隙，而且由于微观分子的运动具有随机性，这就导致了流体的质量在空间和时间上分布不连续。然而宏观上来说，流体的运动具有连续性和确定性，理论分析时，一般采用“连续介质”模型，将流体看成是无间隙的连续介质，此方法也称为流体的连续性假设。
2.2.2 流体力学基本方程
在计算流体力学软件中，其基本原理一般为有限体积法[32]。其方法的大致思路是：先将连续介质离散化，其后建立各个离散个体的相关传热和运动方程，最后得到各个单元方程的解从而总结得出整个流体的运动和传热规律。
作为物理现象的一种，流体流动也要满足三大物理基本定律，即质量、动量和能量守恒定律。基于物理学三大基本定律的流体运动基本方程是研究流体流动规律的基础，其运动方程应该采用微分形式[33]。
根据质量守恒定律在流体流动过程中的表述[34]，在三维直角坐标系采用微元
法，得到质量守恒方程。
（2-1）对于不可压缩流体的动量守恒方程表示为如下方程组
（2-2）
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能量守恒定律叙述为：系统的总能量的改变量等于此系统能量增量，有如下形式
（2-3）固体介质情况下，方程形式为
（2-4）
上述各式中，ρ为分别为流体在
，单位为m/s；
，单位为
，单位为，单位为
。
2.3 翅片结构分析
微通道平行流换热器得名于其具有若干细微通道的多孔扁管，该多孔扁管的截面结构如图2.1所示。
图2.1 具有微通道结构的多孔扁管图2.2换热器翅片及芯体结构示意图百叶窗式翅片由其开窗形状得名，折叠成波浪形的翅片与多孔扁管（以下简称为扁管）层叠，构成换热器芯体结构。换热器翅片及芯体结构如图2.2所示。
浮头式换热器1；浮头式换热器设计概述 2；浮头式换热器国外研究现状和发展趋势3；设计研究技术路线和目标 4；研究容和拟解决的关键问题 5；计划安排和预期成果 6；参考文献
成人高等教育 毕业设计（论文） 题目_________________________________ _________________________________ 学生_________________________________ 联系 指导教师_________________________________ 评阅人_________________________________ 教学站点_________________________________ 专业_________________________________ 完成日期_________________________________
成人高等教育毕业设计（论文）任务书 年月日
浮头式换热器的设计
摘要 本次设计的题目为浮头式换热器。浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗。在化工工业中应用非常广泛。本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求，在结构的选取上，采用了2-4型，即壳侧两程，管侧四程。首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构。然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，设计的前半部分是工艺计算部分，主要设根据设计传热系数.压强校核.壳程压降.管程压降的计算。设计的后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是根据已经选定的换热器型式进行设备各零部件（如壳体. 折流板. 管箱固定管板.分程隔板.拉杆.进出口管.浮头箱.浮头.支座.法兰.补强圈）的设计， [关键词]换热器；浮头；管壳 工况： 一种浮头式换热器，它由壳体、换热管束、管板、浮头、外接管、法兰螺栓连接件、膨胀件等组成，其特点是壳体与换热管束之间可连接一个膨胀节，以消除热膨胀差，浮头直接与外接管相接，以减小流阻。膨胀节与法兰连接件全部在壳体外，安装和检修方便，该种浮头换热器结构简单、紧凑，流阻小，热效率高，便于检修，适用于换热介质之间温差大的工况，尤为适用石油、化工等高温高压的换热装置中。 目录
根据给定的原始条件，确定各股物料的进出口温度，计算换热器所需的传热面积，设计换热器的结构和尺寸，并要求核对换热器压强降是否符合小于30 kPa的要求。各项设计均可参照国家标准或是行业标准来完成。具体项目如下：设计要求： =0.727Χ10-3Pa.s 密度ρ=994kg/m3粘度μ 2 导热系数λ=62.6Χ10-2 W/(m.K) 比热容Cpc=4.184 kJ/(kg.K) 苯的物性如下： 进口温度：80.1℃出口温度：40℃ =1.15Χ10-3Pa.s 密度ρ=880kg/m3粘度μ 2 导热系数λ=14.8Χ10-2 W/(m.K) 比热容Cpc=1.6 kJ/(kg.K) 苯处理量：1000t/day=41667kg/h=11.57kg/s 热负荷：Q=WhCph（T2-T1）=11.57×1.6×1000×(80.1-40)=7.4×105W 冷却水用量：Wc=Q/[c pc(t2-t1)]=7.4×105/[4.184×1000×(38-30)]=22.1kg/s
4、传热面积的计算。 平均温度差 确定R和P值 查阅《化工原理》上册203页得出温度校正系数为0.8，适合单壳程换热器，平均温度差为 △tm=△t’m×0.9=27.2×0.9=24.5 由《化工原理》上册表4-1估算总传热系数K（估计）为400W/（m2·℃） 估算所需要的传热面积： S0==75m2 5、换热器结构尺寸的确定，包括： （1）传热管的直径、管长及管子根数； 由于苯属于不易结垢的流体，采用常用的管子规格Φ19mm×2mm 管内流体流速暂定为0.7m/s 所需要的管子数目：，取n为123 管长：=12.9m 按商品管长系列规格，取管长L=4.5m，选用三管程 管子的排列方式及管子与管板的连接方式: 管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板的连接，采用焊接法。（2）壳体直径； e取1.5d0，即e=28.5mm D i=t(n c—1)+2e=19×(—1)+2×28.5=537.0mm，按照标准尺寸进行整圆，壳体直径为600mm。此时长径比为7.5，符合6-10的范围。
设计（论文）题目： 列管式换热器的设计 目录 1 前言 (3) 2 设计任务及操作条件 (3) 3 列管式换热器的工艺设计 (3) 3.1换热器设计方案的确定 (3) 3.2 物性数据的确定 (4) 3.3 平均温差的计算 (4) 3.4 传热总系数Ｋ的确定 (4) 3.5 传热面积A的确定 (6) 3.6 主要工艺尺寸的确定 (6) 3.6.1 管子的选用 (6) 3.6.2 管子总数n和管程数Np的确定 (6) 3.6.3 校核平均温度差 t m及壳程数Ns (7) 3.6.4 传热管排列和分程方法 (7) 3.6.5 壳体径 (7) 3.6.6 折流板 (7)
3.7 核算换热器传热能力及流体阻力 (7) 3.7.1 热量核算 (7) 3.7.2 换热器压降校核 (9) 4 列管式换热器机械设计 (10) 4.1 壳体壁厚的计算 (10) 4.2 换热器封头选择 (10) 4.3 其他部件 (11) 5 课程设计评价 (11) 5.1 可靠性评价 (11) 5.2 个人感想 (11) 6 参考文献 (11) 附表换热器主要结构尺寸和计算结果 (12) 1 前言 换热器（英语翻译：heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。 列管式换热器工业上使用最广泛的一种换热设备。其优点是单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。列管式换热器主要有以下几个类型：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器等。 设计一个比较完善的列管式换热器，除了能满足传热方面的要求外，还应该满足传热效率高、体积小、重量轻、消耗材料少、制造成本低、清洗维护方便和操作安全等要求。 列管式换热器的设计，首先应根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，确定管数、管程数和壳程数，
换热器计算公式与比热容 5 术语和定义 5.1 热侧 废气通道，又称气侧。 5.2 冷侧 冷却液通道，又称水侧。 5.3 气阻 气侧压力降，又称气侧压差。 5.4 水阻 水侧压力降，又称水侧压差。 5.5 换热面积A h 热侧总表面积，单位m2。 5.6 热侧通道面积S h 热侧总横截面积，单位m2。 5.7 放热量Q h 热侧空气放热量，指EGR冷却器稳定工作状态下，热侧空气所放出的热量，单位为kW。其计算公式如下： Q h=G h×Cp h（t hi-t ho）/1000………………………………………………(5-1)式中： G h——空气质量流量，kg/s； Cp h——增压空气比热，kJ/kg℃； t hi——热侧空气进口温度，℃；
t ho——热侧空气出口温度，℃。 5.8 吸热量Q w 冷侧冷却液吸热量，单位kW。其计算公式如下： Q w=G w×Cp w×（t wo-t wi）/1000 ………………………………………(5-2) 式中： G w——水质量流量，kg/s； Cp w——水比热，kJ/kg℃； t wi——冷却水进口温度，℃； t wo——冷却水出口温度，℃。 5.9 热平衡误差δ 计算公式： δ=[( Q h - Q w)÷Q h]×100 % …………………………………………(5-3a) 或 δ=[( Q w - Q h)÷Q w]×100% ………………………………………(5-3b) 式中： δ——热平衡误差，%； 当热平衡误差δ大于±5%，试验参数应重新测量，直到δ不大于±5%。 5.10 散热能力Q 指在规定的工作条件下，空气通过EGR冷却器散发掉的理论散热量，单位为Kw(或W)，其计算公式如下： Q＝K×A h×△t m ………………………………………………………(5-4) 式中：
目录 设计题目及工艺参数---------------------------------------------------1 一、换热器的分类及特点---------------------------------------------------2 二、结构设计-------------------------------------------------------------5 1、管径及管长的选择---------------------------------------------------5 2、初步确定换热管的根数n和管子排列方式-------------------------------5 3、筒体内径确定-------------------------------------------------------5 4、浮头管板及钩圈法兰结构设计-----------------------------------------6 5、管箱法兰、管箱侧壳体法兰和管法兰设计-------------------------------7 6、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计---------------------------------------7 7、外头盖结构设计-----------------------------------------------------8 8、接管的选择--------------------------------------------------------------------------------------8 9、管箱结构设计-------------------------------------------------------8 10、管箱结构设计------------------------------------------------------8 11、垫片选择----------------------------------------------------------9 12、折流板------------------------------------------------------------------------------------------9 13、支座选取----------------------------------------------------------10 14、拉杆的选择--------------------------------------------------------13 15、接管高度（伸出长度）确定------------------------------------------13 16、防冲板------------------------------------------------------------13 17、设备总长的确定----------------------------------------------------13 18、浮头法兰---------------------------------------------------------------------------------------14 19、浮头管板及钩圈----------------------------------------------------14 三、强度计算--------------------------------------------------------------14 1、筒体壁厚的计算-----------------------------------------------------14 2、外头盖短节，封头厚度计算-------------------------------------------15 3、管箱短节、封头厚度计算 --------------------------------------------16 4、管箱短节开孔补强的核校 --------------------------------------------16 5、壳体压力试验的应力校核---------------------------------------------16 6、壳体接管开孔补强校核-----------------------------------------------17 7、固定管板计算-------------------------------------------------------18 8、无折边球封头计算 --------------------------------------------------19 9、管子拉脱力计算-----------------------------------------------------20 四、设计汇总-----------------------------------------------------21 五、设计体会--------------------------------------------------------------21 参考文献--------------------------------------------------------------22
列管式换热器设计 第一节推荐的设计程序 一、工艺设计 1、作出流程简图。 2、按生产任务计算换热器的换热量Q。 3、选定载热体，求出载热体的流量。 4、确定冷、热流体的流动途径。 5、计算定性温度，确定流体的物性数据（密度、比热、导热系数等）。 6、初算平均传热温度差。 7、按经验或现场数据选取或估算Ｋ值，初算出所需传热面积。 8、根据初算的换热面积进行换热器的尺寸初步设计。包括管径、管长、管子数、管程数、管子排列方式、壳体内径（需进行圆整）等。 9、核算Ｋ。 10、校核平均温度差D。 11、校核传热量，要求有15－25％的裕度。 12、管程和壳程压力降的计算。 二、机械设计 1、壳体直径的决定和壳体壁厚的计算。 2、换热器封头选择。
3、换热器法兰选择。 4、管板尺寸确定。 5、管子拉脱力计算。 6、折流板的选择与计算。 7、温差应力的计算。 8、接管、接管法兰选择及开孔补强等。 9、绘制主要零部件图。 三、编制计算结果汇总表 四、绘制换热器装配图 五、提出技术要求 六、编写设计说明书 第二节列管式换热器的工艺设计 一、换热终温的确定 换热终温对换热器的传热效率和传热强度有很大的影响。在逆流换热时，当流体出口终温与热流体入口初温接近时，热利用率高，但传热强度最小，需要的传热面积最大。 为合理确定介质温度和换热终温，可参考以下数据： 1、热端温差（大温差）不小于20℃。 2、冷端温差（小温差）不小于5℃。 3、在冷却器或冷凝器中，冷却剂的初温应高于被冷却流体的凝固点；对于含有不凝气体的冷凝，冷却剂的终温要求低于被冷凝气体的露点以下5℃。 二、平均温差的计算 设计时初算平均温差Dtｍ，均将换热过程先看做逆流过程计算。
一、冷凝器热力、结构计算 1.1冷凝器的传热循环的确定 根据冷库的实际工作工况：取蒸发温度015t C =-?，过热度5r t C ?=?，即吸入温度110t C =-?；过冷度 5K t C ?=? ,冷凝器出口温度535k k t t t C =-?=?，则C t k 40=. 查《 冷库制冷设计手册》第441页图6-7， R22在压缩过程指示功率82.0=i η kg kJ h /4051= kg kJ h /4452= ()K kg kJ s s ?==/7672.121 kg m v /06535.031= kg kJ h /4183= kg kJ h /2504= kg kJ h /2435= kg m v /108673.0335-?= kg kJ h h w t /4040544512=-=-= (3.1) kg kJ w w i t i /8.4882.040===η 图1-1系统循环p-h 图 lgp /MPa
kg kJ w h h i s /8.4538.4840512=+=+= 再查R22的圧焓图得C t s 802= kg m v s /02.032= 所需制冷剂流量为s kg h h Q q s k mo /3834.0243 8.4538152=-=-= 1.2冷却水流量vs q 和平均传热温差m T ?的确定 1.2.1冷却水流量vs q 确定 冷却水进、出口温度 C t ?='322,236t C ''=? ，平均温度C t m ?=34，由《传热学》563页的水的物性表可得: 3994.3/kg m ρ=4174/()p c J kg K =?620.746610/m s ν-=? 262.4810/()W m K λ-=?? 则所需水量: ()()s m t t c Q q p k vs /10879.4323641743.9941081333 '2''2-?=-???=-=ρ 1.2.2平均传热温差m T ?的确定 由热平衡 ：2323()()mo s p vs q h h c q t t ρ''-=?- ，有 2332()mo s p vs q h h t t c q ρ-''=-=()C 3.3510 879.4174.43.9944188.4533834.0363=???-?-- ()()C q c h h q t vs p mo 13.3210 879.4174.43.9942432503834.032t 354' 24=???-?+=-+=-ρ
化工原理课程设计 学院: 化学化工学院 班级： | 姓名学号： 指导教师： $
目录§一.列管式换热器 ！ .列管式换热器简介 设计任务 .列管式换热器设计内容 .操作条件 .主要设备结构图 §二.概述及设计要求 .换热器概述 .设计要求 ~ §三.设计条件及主要物理参数 . 初选换热器的类型 . 确定物性参数 .计算热流量及平均温差 壳程结构与相关计算公式 管程安排(流动空间的选择)及流速确定 计算传热系数k 计算传热面积 ^ §四.工艺设计计算 §五.换热器核算 §六.设计结果汇总 §七.设计评述 §八.工艺流程图 §九.主要符号说明 §十.参考资料
： §一 .列管式换热器 . 列管式换热器简介 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。 列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。 设计任务 ￥ 1.任务 处理能力：3×105t/年煤油（每年按300天计算，每天24小时运行） 设备形式：列管式换热器 2．操作条件 (1)煤油：入口温度150℃，出口温度50℃ (2)冷却介质：循环水，入口温度20℃，出口温度30℃ (3)允许压强降：不大于一个大气压。 备注：此设计任务书（包括纸板和电子版）1月15日前由学委统一收齐上交，两人一组，自由组合。延迟上交的同学将没有成绩。 [ .列管式换热器设计内容 1.3.1、确定设计方案 （1）选择换热器的类型；（2）流程安排 1.3.2、确定物性参数 （1）定性温度；（2）定性温度下的物性参数 1.3.3、估算传热面积 （1）热负荷；（2）平均传热温度差；（3）传热面积；（4）冷却水用量 % 1.3.4、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速；（2）管程数；（3）平均传热温度差校正及壳程数；（4）
翅片换热器传热系数 ABRAHAM LAPIN and W. FRED SCHURIG I Polytechnic Institute of Brooklyn, Brooklyn 1, N. Y. 许多方程来源于实验数据，同时提出了有交叉流动的热交换器的设计。对关于换热器行数 的总传热影响,进行了图示作为参考. 翅片管在热交换器中的使用有了迅速增长。当内部传热系数比外面的系数极大时,它经常被实际增加一定数量的外表面来为低外系数进行补偿。许多研究人员都对翅片管的传热进行研究。因为对可能的翅片类型的安排有非常大的数量,大多数研究都局限于特定条件。 实验设备与程序 设备金属板材风管横截面为 30x12 3/4 英寸。上部是固定的,但较低的部分,可提高或降低 容纳一个可变数目的排。这下部分(进口)进行拟合有5英寸空气校正叶片可助均匀分布的空气线圈。 传热表面(台风的空气调节股份有限公司)。每个单元有八个翅片管manifolded 在一起以并行方式进行。 5 / 8英寸 0.dx0.025英寸铜管 11/2英寸 0.dx0.018英寸轧花 8每英寸,30英寸翅翅片长度 Ao/Ai=16.30,Ao=2.44平方英尺 翅片管直径= 2.4 1.248平方英尺,空气流面积最小 这些铝管的用途,则被关在一个长方形的30×12 3/4英寸的帧。一个3/4设备橡胶障板安放在沿 一侧的框架。翅片管相邻本遮光罩一个侧和框架本身上另一边。该框架结构允许一个交错管的安排通过简单地转弯连续排对单位180度的另一个。
一台吹风机提供空气供给在逆流而上空调管道内结束。 测量 水流量用校准过的转子流量计。空气流量是用一个托马斯米测量,其中包括四个帧开口用1.134 镍铬合金 欧姆/英尺,有一个总电阻每一个约25欧姆。流动的空气用仪表测量通过一系列的圆盘和圆环折流板顺流混合。温度进行了测量精确温度计刻度为0.1 C 。每一个温度计的位置了经过精心挑选的,确保读出正确的总体温度。 一系列的运行是由1到8步骤在一个单元中。这在试管被水平和安排一个三角形的场地:1 1/2-inch 水平和垂直距离管-Le. 1.5X1.677英寸,三角形场地。所有的管道都是相连的,所以只有一个水程。水联系之间是这样的空气和水逆向流动。 程序 热水用泵送进管中，同时冷空气穿过翅片。水流量和温度维持在恒定的9000(磅/小时)和50度,它给出一种管程雷诺数超过20000。 管外的空气流速各在1100 - 5000英镑每小时之间,给人们提供了一种基于最小的通流面积3至15英尺/秒。在室温下空气进入导管。两个完全独立的流动进行着。所有实验结果可再生的有4%。一系列等温压力损耗测量使用一至八行被独立的传热。流动的空气温度通过翅片管时68度。和流量从1200到4500磅每小时。给雷诺数范围2200到8500。 压力损失用一个倾斜的水压计测量。 计算和结果 p 12p 2l m WC (T - T ) = c (t - t ) =UA t ω? 12p 2l () c (t - t )p m m WC T T U A t A t ω-==?? 111'11i i si i av so o o o L UA h A h A kA h A h A =++++ 111'11U o o o i i si i av so o A A A L h A h A k A h h =++++ 0.80.3 0.0225()(Re)(Pr)i h k D = 0.8 0.2 (10.01)160()i i t V h d +=
软件批准号：CSBTS/TC40/SC5-D01-1999 DATA SHEET OF PROCESS EQUIPMENT DESIGN 工程名： PROJECT 设备位号： ITEM 设备名称：后锥形擦拭冷器 EQUIPMENT 图 号： 215321-00 DWG NO。 设计单位：ls有限公司 DESIGNER 设 计 Designed by 日期Date 校 核 Checked by 日期Date 审 核 Verified by 日期Date 批 准 Approved by 日期 Date 填函式换热器设备计算计算单位 ls有限公司 壳程设计压力 1.04 MPa 管程设计压力 0.80 MPa 壳程设计温度 150.00 ℃ 管程设计温度 90.00 ℃ 筒体公称直径 553.00mm 筒 填函式换热器筒体最小壁厚 8.00mm 体 筒体名义厚度 8.00mm 校核 合格 筒体法兰厚度 40.00 校核 合格 前端管箱筒体名义厚度 mm 前 校核 端 前端管箱封头名义厚度 mm 管 校核 箱 前端管箱法兰厚度 mm 校核 后端管箱筒体名义厚度 mm 后 校核 端 后端管箱封头名义厚度 mm 管 校核 箱 后端管箱法兰厚度 mm 校核 管 管板厚度 30.00 mm 板 校核 合格
填函式换热器管板计算 计算单位 ls有限公司 设 计 条 件 壳程设计压力 P s 1.04 MPa 管程设计压力 P t 0.80 MPa 壳程设计温度 t s 150.00 °C 管程设计温度 t t 90.00 °C 换热器公称直径 D i 553.00 mm 壳程腐蚀裕量 C s 1.00 mm 管程腐蚀裕量 C t 1.00 mm 换热管使用场合 一般场合 换热管与管板连接方式 ( 胀接或焊接)胀接,开槽 初始数据 材料(名称及类型) Q345R 板材 输入管板名义厚度 δn 30.00 mm 管 管板强度削弱系数μ 0.40 管板刚度削弱系数 η 0.40 隔板槽面积A d 7036.00 mm 2 换热管与管板胀接长度或焊脚高度 l 28.00 mm 设计温度下管板材料弹性模量 E p 194000.00 MPa 板 设计温度下管板材料许用应力 []σr t 183.00 MPa 许用拉脱力 []q 4.00 mm 壳程侧结构槽深 h 1 0.00 mm 管程侧隔板槽深 h 2 2.00 mm 材料名称 S30408 换热管外径 d 12.00 mm 换 换热管壁厚 δt 0.80 mm 换热管根数 n 200 根 热 换热管中心距 S 25.00 mm 换热管长 L t 1686.00 mm 管 换热管受压失稳当量长度 l cr 813.00 mm 设计温度下换热管材料弹性模量E t 186000.00 MPa 设计温度下换热管材料屈服点σs t 156.00 MPa 设计温度下换热管材料许用应力 []σt t 116.00 MPa 垫片外径 D o 590.00 mm 垫 垫片内径 D i 550.00 mm 垫片厚度 δg mm 片 垫片接触面宽度 ω mm 垫片压紧力作用中心园直径D G 574.00 mm 垫片材料 软垫片 压紧面形式 1a或1b
第一章列管式换热器的设计 1.1概述 列管式换热器是一种较早发展起来的型式，设计资料和数据比较完善，目前在许多国家中已有系列化标准。列管式换热器在换热效率，紧凑性和金属消耗量等方面不及其他新型换热器，但是它具有结构牢固，适应性大，材料范围广泛等独特优点，因而在各种换热器的竞争发展中得以继续应用下去。目前仍是化工、石油和石油化工中换热器的主要类型，在高温高压和大型换热器中，仍占绝对优势。例如在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜（或再沸器）和冷凝器、化工厂中蒸发设备的加热室等，大都采用列管式换热器[3]。 1.2列管换热器型式的选择 列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温度差补偿结构来分，主要有以下几种：（1）固定管板式换热器：这类换热器的结构比较简单、紧凑，造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器。 为了克服温差应力必须有温度补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。 （2）浮头换热器：换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上来连接有一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。这种型式的优点为：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不受壳体的约束，因而当两种换热介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。 （3）填料函式换热器：这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构与比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程终不应处理易挥发、易爆、易燃和有毒的介质。 （4）U型管换热器：这类换热器只有一个管板，管程至少为两程管束可以抽出清洗，
大学 生物工程专业《化工原理课程设计》说明书 题目名称浮头式换热器的设计 专业班级 学号 学生姓名 指导教师 2012 年06 月08 日
目录 1、设计方案................................................................................ 错误！未定义书签。 2、衡算........................................................................................ 错误！未定义书签。 2.1确定设计方案 ................................................................... 错误！未定义书签。 2.1.1换热器的类型.............................................................. 错误！未定义书签。 2.1.2 管程安排..................................................................... 错误！未定义书签。 2.2确定物性数据 ................................................................... 错误！未定义书签。 2.3估算传热面积 ................................................................... 错误！未定义书签。 2.3.1 热负荷......................................................................... 错误！未定义书签。 2.3.2 热流体用量................................................................. 错误！未定义书签。 2.3.3 平均传热温差......................................................... 错误！未定义书签。 2.3.4 初算传热面积............................................................. 错误！未定义书签。 2.4换热器工艺结构尺寸设计 ............................................... 错误！未定义书签。 2.4.1 管径和管内流速......................................................... 错误！未定义书签。 2.4.2管程数和传热管数..................................................... 错误！未定义书签。 2.4.3 平均传热温差校正..................................................... 错误！未定义书签。 2.4.4 传热管排列................................................................. 错误！未定义书签。 2.4.5 壳体直径..................................................................... 错误！未定义书签。 2.4.6 折流板......................................................................... 错误！未定义书签。 2.4.7接管............................................................................. 错误！未定义书签。 3、换热器核算............................................................................ 错误！未定义书签。 3.1传热面积校核.................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.1管程传热膜系数.......................................................... 错误！未定义书签。 3.1.2 壳程传热膜系数......................................................... 错误！未定义书签。 3.1.3 总传热系数................................................................. 错误！未定义书签。 3.1.4 传热面积校核............................................................. 错误！未定义书签。 3.2换热器内压降的核算...................................................... 错误！未定义书签。 3.2.1 管程阻力..................................................................... 错误！未定义书签。 3.2.2 壳程阻力..................................................................... 错误！未定义书签。 4、设备选型................................................................................ 错误！未定义书签。 4.1管子排列方式的选择 ....................................................... 错误！未定义书签。 4.2折流板的选择 ................................................................... 错误！未定义书签。 4.3除污垢措施的选择 ........................................................... 错误！未定义书签。 4.4材料的选择 ....................................................................... 错误！未定义书签。 5、附录及图表............................................................................ 错误！未定义书签。 6、设计总结................................................................................ 错误！未定义书签。 7、参考文献................................................................................ 错误！未定义书签。
第一部分列管式换热器选型设计计算 一．列管式换热器设计过程中的常见问题 换热器设计的优劣最终要以是否适用、经济、安全、负荷弹性大、操作可靠、检修清洗方便等为考察原则。当这些原则相互矛盾时，应在首先满足基本要求的情况下再考虑一般原则。 1．流体流动空间的选择原则 （1）不洁净和易结垢的流体宜走管内，因为管内清洗比较方便。 （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，可节省壳体金属消耗量。 （4）饱和蒸气宜走管间，以便于及时排出冷凝液，且蒸气较洁净，它对清洗无要求。（5）有毒流体宜走管内，使泄漏机会较少。 （6）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。 （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，可以提高对流传热系数。 （8）对于刚性结构的换热器，若两流体的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与α大的流体温度相近，可以减少热应力。 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。2．流体流速的选择 根据管内湍流时对流传热系数αi∝u0.8，流速增大，则αi增大，同时污垢热阻R si 减小，利于传热，从而可减少传热面积，节约设备费用；但同时又使压降增大，加大了动力消耗，提高了操作费用。可见应全面分析权衡比较适宜的流速。 （1）所选流速要尽量使流体湍流，有利传热。 （2）所选流速应使管长或程数恰当。管子过长，不便于清洗管内污垢；而管子过短，管程数增加，使结构复杂化，传热温差减少，均会降低传热效果。 （3）粘度大的流体，流速应小些，可按滞流处理。 （4）高密度流体（液体），阻力消耗与传热速率相比一般较小，可适当提高流速。 在我们教材及换热器设计手册中均给了出一些经验数据，以供参考。 3．管子规格及排列情况 （1）管径选择：国内换热器系列标准件中管子规格为Φ25×2.5mm、Φ19×2mm，在再沸器中可采用Φ38×3mm。 （2）管长：以清洗方便和合理使用管材为原则，系列标准件中采用1.5m，2m，3 m和6m四种。 （3）管子排列方法 管子在管板上的排列方法有三种：正三角形，正方形直列和正方形错列（见化工原理下册，天大版，P256，图4-25）。 正三角形排列使用最普遍，在同一管板面积上可以排列较多传热管，管外流体搅动较大，对流传热系数较高，但相应阻力也较大，管间不易清洗；正方形直列便于清洗管外表面，但传热系数较小；正方形错列介于上述两者之间，对流传热系数高于正方形直列。 （4）管中心距t 管子与管板采用胀管法连接t=(1.3-1.5)d o，管子与管板采用焊管法连接t=1.25d o，相邻两管外壁间距不应小于6mm。 4．折流挡板 前面已述常用的有圆缺形和盘环形挡板（见化工原理下册，天大版，P257，图4-27），而又以缺口面积为壳体内截面积25%的圆缺形折板用的最广泛。 折流挡板间距h：h=0.2~1D（壳内径），系列标准件中采用的板间距为：固定管板式有150、300、600mm三种，浮头式有150、200、300、480和600mm五种。 5．流体流动阻力
浮头式冷却器E-1401设计 摘要 该毕业设计题目为浮头式冷却器（即浮头式换热器）E-1401设计，源于工程实际。浮头式换热器是管壳式换热器中的一类，其管板一端固定在壳体与前端管箱之间，另一端（即浮头）可以在壳体中自由移动。由于管束的热膨胀不受壳体的约束，因此浮头式换热器不会产生较大的温差热应力，这样便避免了对换热器结构的损害。此外，浮头式换热器还便于拆卸、易于清洗，适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的场合。因此在石油化工以及其他相关行业中得到了广泛的应用。 该设计主要进行了换热器结构的研究和各处强度的校核。根据所提供的设计条件，以及GB150-2011《压力容器》、GB151-1999《管壳式换热器》、《固定式压力容器安全技术监察规程》等标准确定出换热器各个零部件（管箱、封头、法兰、开孔接管、折流板、钩圈等）的具体方案，包括各处材料的选择，各零部件的基本结构，壁厚计算及强度校核，开孔补强计算，管板、法兰以及浮头钩圈的强度计算等。本设计历时3个月，共完成说明书一份，A1图纸5张，外文翻译一份。 关键词：换热器浮头设计
Floating cooler E-1401 design Summary The graduation project titled Floating cooler ( ie, floating head heat exchanger ) E-1401 design , from engineering practice . Floating head heat exchanger shell and tube heat exchanger is in a class of its tube plate fixed at one end between the housing and the front tube box , the other end ( ie, floating head ) can move freely in the housing. Due to thermal expansion of the bundle is not bound by the housing , the floating head heat exchanger and therefore no large temperature difference between the thermal stress , thus avoiding damage to the structure of the heat exchanger . In addition, floating head heat exchanger is also easy to disassemble , easy to clean , suitable for large temperature difference between the shell and tube bundle or medium shell easy to scale the occasion. So it has been widely used in the petrochemical and other related industries. The design is mainly studied the intensity of the heat exchanger and around the structure checked. Determine the various components of the heat exchanger according to the design conditions provided and GB150-2011 " pressure vessel ", GB151-1999 " shell and tube heat exchangers ", " Safety Technology Supervision Stationary Pressure Vessels " and other standards ( tube box , head, flange , opening over, baffles, circle hooks , etc. ) of the specific program , including the selection of materials throughout , the basic structure of the various parts , wall thickness calculation and strength check , opening reinforcement calculations, tube sheets , flanges and strength calculation Floating circle hook . Keywords : Heat exchanger floating head design