螺旋管换热器设计计算与分析

第42卷第5期热力发电V01．42N o5 2013年5月T H E R M A I。

P O WE R G E N E R A T I O N M ay．2013应用递铭算法优化役针200M W多势螵施管式掳热器[摘周云龙，董利利，李书芳东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012要]应用遗传算法以总传热面积和总压降为目标函数，以螺旋上升角、最内层螺旋管头数、螺旋管圈层数、螺旋管直径、径向节距、中心柱直径为6个决策变量，对某200M w多头螺旋管式换热器进行多目标优化设计。

结果表明，2个目标函数间的Pa r e t o解具有相互制约关系；Pa r e t o曲线上总传热面积A z≤1811．8m2、总压降△夕：≤0．71l1M Pa的点所对应的设计方案优于传统设计方案。

该优化设计方法减小了设计者对经验的依赖性，且具有一定的通用性。

[关键词]200M w；多头螺旋管式换热器；多目标优化；遗传算法；Par et o解[中图分类号]T K284．1[文献标识码]A[文章编号]1002—3364(2013)05—0050—04[D O I编号]10．3969／j．i ss n．1002—3364．2013．05．050G enet i c al gor i t hm bas e d opt i m al desi gn f or a200M W m ul t i—st ar the l i c al coi l ed t ube heat exchangerZ H O U Y unl ong，D O N G L i l i，L I Shuf angS c hoo l of E nergy and P ow e r E ngi ne er i ng．N or t he as t D i anl i U ni ver si t y，Ji l i n132012，Ji l i n P r ov i nc e，C h i naA bs t r a ct：T he m ul t i—obj ect i ve opt i m a l de s i gn f or a200M W m ul t i—s t ar t hel i cal coi l ed t ube he at ex—changer w a s car r i ed out，w i t h t he hel p of t he ge net i c al gor i t hm，i n w hi c h t he t ot al hea t exch ange ar e a and t ot al pr es s ur e drop w er e t aken as t he obj ect i ve f unct i ons，and s i x param et er s s uch as t he he l i x angl e，num ber of he l i x coi l ed t ubes i n t he i nn er l aye r，num be r of t he he l i x coi l ed l a yers，di—am et er of t he he l i x coi l ed t ubes，r adi al pi t c h，di a m et er of t he new el w er e s et as t he de ci si on va ri a—bl e s．The r es ul t s s how e d t hat，t h e Par e t o opt i m a l f unct i ons f or t he above t W O obj ect i ve f unct i ons had a r el at i onshi p of i nt er act i on；t he de s i gn cor r espondi ng t o poi nt s on t he Par e t o c u r v e w her e t he t ot al hea t t r a nsf er ar e a A z≤1811．8m2and t he t ot al pr e ssur e dr op A p。

螺旋管内流动和传热特性实验研究及经验公式评价目录1. 内容概括 (2)1.1 实验背景 (3)1.2 实验目的和意义 (3)1.3 实验内容和研究方法 (4)2. 螺旋管回路的基本知识 (5)2.1 螺旋管的结构特性 (7)2.2 螺旋管内流体的流动特性 (8)2.3 螺旋管内的热交换特性 (9)3. 实验装置及条件 (10)3.1 实验设备介绍 (12)3.2 实验参数设定 (13)3.3 数据采集和记录方法 (14)4. 实验结果与分析 (15)4.1 流体流速对螺旋管内流体流动特性的影响 (15)4.2 流体流量对螺旋管内热量传递特性的影响 (17)4.3 螺旋管几何参数对螺旋管流动和传热特性的影响 (18)5. 经验公式的建立 (20)5.1 螺旋管内流动的经验公式 (21)5.2 螺旋管内传热经验公式的建立 (22)5.3 不同工况下的公式适用性分析 (23)6. 实验公式评价 (25)6.1 实验数据的准确性分析 (26)6.2 实验公式的适用范围 (27)6.3 实验公式与理论计算结果的比较 (27)7. 结论与展望 (29)7.1 实验研究的主要结论 (30)7.2 实验公式的应用前景 (31)7.3 实验研究中的不足与建议 (32)1. 内容概括本实验研究旨在详细探究螺旋管内部流体流动和传热过程的特性和规律。

螺旋管因其独特的几何形状和三维流动特性，广泛应用于实际工业应用中，如热交换器和管道系统。

实验设计包括模拟不同流体流速、不同温差和管内流体不同物理性质的一系列实验条件。

通过对实验数据的定量分析和流动、传热传质理论的结合，本研究对螺旋管的流动和传热特性进行了详细的分析和解释。

实验结果包括温度分布、流速分布以及相应的换热率等关键参数的测量和记录。

通过将实验结果与理论模型和现有文献中的研究成果进行对比，本研究验证了已有经验公式的适用性和准确性。

此外，研究团队开发了一套新的经验公式，用以更准确地预测螺旋管内的流动和传热特性，尤其在小管径和低雷诺数情况下。

第一章换热器简介及发展趋势1.1 概述在化工生产中，为了工艺流程的需要，常常把低温流体加热或把高温流体冷却，把液态汽化或把蒸汽冷凝程液体，这些工艺过程都是通过热量传递来实现的。

进行热量传递的设备称为换热设备或换热器。

换热器是通用的一种工艺设备，他不仅可以单独使用，同时又是很多化工装置的组成部分。

在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%——20%，质量约为设备总质量的40%左右，检修工作量可达总检修工作量的60%以上。

由此可见，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。

在其他方面如动力、原子能、冶金、轻工、制造、食品、交通、家电等行业也有着广泛的应用。

70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[1]。

这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。

所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题，最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。

同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。

当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[3]。

当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，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。

各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。

在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。

总之，为了适应工艺发展的需要，今后在强化传热过程和换热设备方面，还将继续探索新的途径。

列管式换热器的选用与设计原则与列管式换热器的设计计算换热器的设计即是通过传热过程计算确定经济合理的传热面积以及换热器的结构尺寸，以完成生产工艺中所要求的传热任务。

换热器的选用也是根据生产任务，计算所需的传热面积，选择合适的换热器。

由于参与换热流体特性的不同，换热设备结构特点的差异，因此为了适应生产工艺的实际需要，设计或选用换热器时需要考虑多方面的因素，进行一系列的选择，并通过比较才能设计或选用出经济上合理和技术上可行的换热器。

本节将以列管式换热器为例，说明换热器选用或设计时需要考虑的问题。

一、流体通道的选择流体通道的选择可参考以下原则进行：1．不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；2．腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检修和清洗；3．高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量；4．饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程；5．被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；6．有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；7．粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（Re<100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数。

但是有时在动力设备允许的条件下，将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。

在选择流体通道时，以上各点常常不能兼顾，在实际选择时应抓住主要矛盾。

如首先要考虑流体的压力、腐蚀性和清洗等要求，然后再校核对流传热系数和阻力系数等，以便作出合理的选择。

二、流体流速的选择换热器中流体流速的增加，可使对流传热系数增加，有利于减少污垢在管子表面沉积的可能性，即降低污垢热阻，使总传热系数增大。

然而流速的增加又使流体流动阻力增大，动力消耗增大。

因此，适宜的流体流速需通过技术经济核算来确定。

充分利用系统动力设备的允许压降来提高流速是换热器设计的一个重要原则。

在选择流体流速时，除了经济核算以外，还应考虑换热器结构上的要求。

第一篇：换热器的选型计算换热器选型计算由列管式换热器的选用原则得：物流走管程，冷却水走壳程。

为选择适当的换热器，首先对换热器HX3进行相关计算。

⑴计算热负荷相关物性参数如下表所示：表3-18 相关物性数据物质状态质量流量qm（kg/s）动力粘度u（Pa s）比热容Cp (J/kg K) 密度(kg/cm3)热流体（管程）气体57冷流体（壳程）液体748.472.4610 5 4.83103775.40.4006103 4.187103977.759 热负荷：Q qm1Cp1T1T257 4.83103450300 4.1297107W ⑵平均温度差逆流：t145071.9124378.08764t2299.2822527 4.2824t1387.0876t t22，tm逆=1326.185℃t2274.28242R T1T2450299.2824t t71.912425 3.2，P210.11 t1t271.912425T1t1450 25查温度校正系数图=1，所以可行。

因此得tm tm逆=326.185℃⑶估算传热面积2参考列管式换热器中K值表，选总传热系数K估=400W/m K，因此Q4.12977102316.m5A估=K估tm400326.185⑷试选型号为减少损失和成本，采用混合气体走管程，液体（水）走壳程，传热管选用25mm 2.5mm的无缝钢管，此管内径为di20mm，外径为d025mm，管壁厚度为2.5 mm，选择内流速u=0.7m/s。

估算单程管子根数为：n1qm157240(根)32 1.0834100.7850.020.74d12u1根据传热面积A估估算管子长度：L A估d2n42218m3.140.025240所以应采用4管程，则每个管程的管长选用l=6000 mm。

按换热器系列标准，初选的换热器为浮头式换热器，型号为：BJS1200 2.566104Ⅱ1.025980245根。

换热器设计手册第一部分：换热器概述换热器是工业生产中常用的设备，用于将热能从一个流体传递到另一个流体，以实现热能的平衡和利用。

在化工、能源、制药、食品等行业都有广泛的应用。

本手册将以换热器的设计、选择、运行与维护为主要内容，为工程师和操作人员提供全面的指导和参考。

第二部分：换热器设计原理1. 热传导原理：介绍热量在换热器中的传导过程，包括对流、传导、辐射等热传导方式。

2. 换热器工作原理：介绍不同类型换热器的工作原理，如壳管式、板式、螺旋式等。

3. 换热器设计参数：详细介绍换热器设计中的参数，如传热系数、流体速度、材料选取等。

第三部分：换热器设计流程1. 换热器类型选择：根据不同工艺要求和流体特性选择合适的换热器类型。

2. 换热器计算及模拟：对换热器进行热平衡计算和流体模拟，确定换热器的尺寸和传热面积。

3. 换热器结构设计：设计换热器壳体、管束、管板、密封装置等结构。

4. 材料选取：根据工作条件和流体性质选择合适的材料，包括金属、非金属等。

5. 换热器性能分析：对设计的换热器进行性能评估，确保满足工艺要求。

第四部分：换热器运行与维护1. 换热器安装与调试：介绍换热器的安装、泄漏检测、气密性测试等。

2. 换热器运行优化：讲述换热器的操作技巧和运行优化方法，包括流体控制、温度调节等。

3. 换热器维护与保养：指导换热器的定期检查、清洗、维护和更换零部件。

第五部分：换热器设计案例分析通过实际的换热器设计案例，分析不同场景下的换热器选型、设计、运行和维护过程，并总结经验和教训。

结语本手册以换热器设计为主线，系统介绍了换热器的原理和应用，涵盖了设计、选择、运行和维护的全过程。

希望通过本手册的阅读，读者能够对换热器设计有全面的了解，并能在实际工程中有效应用。

螺旋板换热器螺旋板换热器是以螺旋通道实现传热的一种有较高传热效率的传热设备，在化工生产中应用十分广泛。

其工作原理是：当两种温度不同的流体，从管壁两侧流入换热器的通道时，两流体隔着管壁逆流接触。

热量就由热流体传给管壁，然后再由管壁传给冷流体，以实现于结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。

该设备采用板材制作，故在大规模组织生产时，可降低成本。

材料：碳钢或不锈钢型式：卧式立式规格：F=40m²--F=300m²板式换热器结构原理：板式换热器是由传热板片、密封胶垫、夹紧板和夹紧螺栓等主要零部件组成，是用薄金属制成具有一定形状波纹的换热板片，然后叠装而成的一种换热器，工作流体在两块板片间所形成的窄而曲折的通道中流过，冷热流体依次通过各自流道，中间隔一层板片，通过此板片进行换热：传热板片四个角开有流道孔，镶贴有密封胶垫的传热板片安装在固定夹紧板和活动夹紧板之间的框架上，用夹紧螺栓夹紧。

传热板片波纹为人字形，相邻板片具有反向的人字形沟槽，沟槽的交叉点相互支撑形成接触点，介质流动时形成湍流，从而获得很高的传热效率。

应用领域：板式换热器已广泛应用于冶金、矿山、石油、化工、电力、医药、食品、化纤、造纸、轻纺、船舶、供热等部门，可用于加热、冷却、蒸发、冷凝、杀菌消毒、余热回收等各种情况。

设计特点：1、高效节能：其换热系数在3000～4500kcal/m2·°C·h，比管壳式换热器的热效率高3~5倍。

2、结构紧凑：板式换热器板片紧密排列，与其他换热器类型相比，板式换热器的占地面积和占用空间较少，面积相同换热量的板式换热器仅为管壳式换热器的1/5。

3、容易清洗拆装方便：板式换热器靠夹紧螺栓将夹固板板片夹紧，因此拆装方便，随时可以打开清洗，同时由于板面光洁，湍流程度高，不易结垢。

4、使用寿命长：板式换热器采用不锈钢或钛合金板片压制，可耐各种腐蚀介质，胶垫可随意更换，并可方便在、拆装检修。

一、铜盘管换热器相关计算条件:6０0kｇ水6小时升温30℃ 单位时间内换热器得放热量为qq=GＣΔＴ=６00*4.2＊10^3＊３０/(6*3600)= 3５00w盘管内流速1m/s,管内径为0。

0０7m,0.０１m,湍流范围:Rｅ＝１0^4～1、２*１0^5物性参数:40℃饱与水参数。

黏度—653、3＊10^—６运动黏度—０。

6５9 *10＾-6 普朗特数—4。

31 导热系数—63。

5＊10＾2 w/(m、℃)求解过程:盘管内平均水温4０℃为定性温度时换热铜管得外径,分别取ｄ1=０。

014m d2=0．02m努谢尔特准则为=１、2＊0。

02３＊２12４4.310。

８4。

310。

4=14３.4 (ｄ1)＝1、2*０、023＊30349、010。

84、310、4=１90。

7(d2)管内对流换热系数为=１４３。

4＊0.６35／0、014=６5０３。

3９(ｄ1)=１90。

7＊0。

635/0.02＝6０５5、６3 (d2)管外对流换热系数格拉晓夫数准则为(Δｔ=１0)=9、8*３、86＊1０^－4*１0＊、016３/(０.659＊10＾-6)２=356７81.６(d1)=９、8＊３。

86＊10^－4*1０*。

0223/(0、6５9*10^－6)2=9２74９２。

9(d2)其中g=9、8Ｎ/kｇ为水得膨胀系数为386*1０^—６1/K自然对流换热均为层流换热(层流范围:Gr＝10^4~5.７６*1０＾８)=０.５25(３567８1、6＊４、31)0。

25=18、４8755 (d1)=０、５２5(927４92.9＊４、３１)0。

２5＝23、475０4 (d2)其中Pr普朗特数为４。

3１对流换热系数为=1８.487５5＊0。

635／0、01４＝838、5４22 (d1)=２３。

47504*０、63５/０.0１４=６77、5749 (d２)其中为0.635ｗ／(m、℃)、传热系数U=1/６503。

３９＋1/838.5422＋1/393=0。