第2章管壳式热交换器

毕业设计（论文）管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟专业年级2007级热能与动力工程专业学号姓名******** 杨郭指导教师刘巍评阅人刘庆君二零一一年六月中国南京任务书课题名称：管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟课题类型：毕业论文任务书内容:1、英文资料的翻译5千个汉字字符以上（要求和热动、空调、能源、环境、新能源等本专业有关的内容，可以是英文著作、设备使用手册、英文文献检索、英文专利文献、网上专题介绍等实用性的、将来工作中可遇到的相关题材的文章，最好不要是科普类、教学类的英文）2、使用的原始资料（数据）及设计技术要求：2.1.管壳式换热器，热交换功率100kW，200kW。

2.2.温度进口350~500℃，出口温度150~200℃，流速可变；温度进口100~150℃，出口温度300~450℃，流速可变。

其总流阻损失应在满足规定要求。

2.3.换热器材料可选，几何尺寸可变；工作介质可选择（空气、水、氟利昂） 2.4.换热器外壁面绝热保温； 2.5.采用CFD模拟计算与能量分析，对系统进行相关工况的模拟；3、设计内容：3.1. 学习和消化设计任务书，按照设计任务书的设计内容，拟定工作内容和计划，拟定出设计和计算的每个过程中应该遵循设计要求与规定。

3.2.查找和收集有关管壳式换热器的历史和现状资料，查找相关管壳式换热器的运用案例，及其相关的技术条件和运行要求。

3.3.以科技文献检索，包括期刊、专利、设计标准、产品标准、设计手册、产品样本，寻找和熟悉相关的分析计算软件；熟悉设计工具软件、电脑等；3.4.根据已知参数，用ProE设计出符合要求的管壳式换热器，并学习如何导入相关软件进行网格设计；3.5.进行管壳式换热器CFD网格设计，用fluent软件对管壳式换热器进行变工况运行能量分析；3.5.分析计算换热器的流阻损失，其结果的合理性，分析提高换热效率主要手段和改进的方向。

3.6.输出的计算文件包括：3.6.1.完整的毕业设计任务书3.6.2.符合要求的算模型的结构、尺寸； 3.6.3.换热计算的过程、表格，计算结果的结论等等； 3.6.4.规定状态的CFD模拟结果和能量分析图； 3.6.5.毕业设计论文； 3.7.把所作的工作、学习的体会、方案的选择过程、计算方案过程等写在过程手册中，写好毕业设计论文。

管壳式换热器设计课程设计XXX课程设计：管壳式换热器设计学院：机械与XXX专业：热能与动力工程专业班级：11-02班指导老师：小组成员：目录第一章：设计任务书第二章：管壳式换热器简介第三章：设计方法及设计步骤第四章：工艺计算4.1 物性参数的确定4.2 核算换热器传热面积4.2.1 传热量及平均温差4.2.2 估算传热面积第五章：管壳式换热器结构计算管壳式换热器是常用的热交换设备，广泛应用于化工、石油、制药、食品等行业。

本次课程设计旨在设计一台管壳式换热器，以满足特定工艺条件下的换热需求。

在设计之前，需要了解管壳式换热器的基本结构和工作原理。

管壳式换热器由外壳、管束、管板、管箱、管夹等部分组成。

热量通过内置于管束中的流体在管内传递，再通过管壳间的流体传递到外壳中，从而实现热交换。

设计过程中，需要确定流体的物性参数，包括密度、比热、导热系数等。

同时，还需要核算换热器传热面积，以满足特定的传热需求。

传热量和平均温差是计算传热面积的重要参数，而估算传热面积则需要考虑流体的流动状态、管束的排布方式等因素。

最终，我们将根据设计要求进行管壳式换热器的结构计算，确定外壳、管束等部分的尺寸和数量，以满足特定工艺条件下的换热需求。

第一章设计任务书本项目旨在设计一台管壳式换热器，用于将煤油由140℃冷却至40℃。

处理能力为10t/h，压强降不得超过100kPa。

具体操作条件为：煤油的入口温度为140℃，出口温度为40℃，冷却水的入口温度为26℃，出口温度为40℃。

2.第二章管壳式换热器简介管壳式换热器是石油化工行业中应用最广泛的换热器。

尽管各种板式换热器的竞争力不断上升，但管壳式换热器仍然占据着换热器市场的主导地位。

目前，各国为提高这类换热器性能进行的研究主要集中在强化传热、提高对苛刻工艺条件的适应性以及开发适用于各类腐蚀介质的材料。

此外，结构改进也是向着高温、高压、大型化方向发展的必然趋势。

5.1 换热管计算及排布方式在设计管壳式换热器时，需要计算并确定换热管的数量、直径和排布方式。

管壳式换热器的工作原理
管壳式换热器是一种常用的热交换装置，用于将两种介质之间的热量传递。

它由一个外壳和一组内部管子组成。

工作原理如下：
1. 媒体流动：热交换的两种介质通过各自的入口进入换热器，一个在管道内流动，被称为“管侧媒体”，另一个在外壳内流动，被称为“壳侧媒体”。

2. 热传导：管侧和壳侧媒体之间通过热传导进行热量交换。

通常，一个介质在管侧流动，将热量传递给壳侧的另一个介质。

3. 热量交换：热量通过管壁传导，从管侧媒体流向壳侧媒体。

热量传递的方向取决于各介质的温度差和流速。

4. 冷却或加热：根据实际需求，换热器可被用于冷却或加热流体。

冷却时，管侧媒体温度较高，而壳侧媒体温度较低，使得管侧媒体的热量传递到壳侧媒体中。

加热时，情况相反。

5. 出口排放：经过热交换后，已经冷却或加热的介质分别通过各自的出口排放。

总之，管壳式换热器通过管内和壳内的介质流动，使热量在两者之间传导，实现了热量交换的目的。

这种设计可以高效地将热量从一个介质传递到另一个介质，广泛应用于工业生产和能源领域。

热交换器工作原理热交换器工作原理一、热交换器的概念和分类热交换器是一种用于传递热量的设备，它通过将两种不同介质之间的热量传递来实现加热或冷却的目的。

根据其结构和工作原理，热交换器可以分为管壳式、板式、螺旋式、卷管式等多种类型。

二、管壳式热交换器的工作原理管壳式热交换器是最常见的一种类型，它由一个外壳和一个内置在外壳内部的管束组成。

被加热或冷却介质通过管束中流过，而另一种介质则在外部流过。

这两种介质之间通过管子进行传导，从而实现了传递热量的目的。

三、板式热交换器的工作原理板式热交换器是由许多平行排列并夹在两个端板之间的金属板组成。

被加热或冷却介质分别在相邻板之间流过，而另一种介质则在相邻板之间流过。

这些金属板上有许多小孔，使得两种介质可以互相接触并进行传导。

四、螺旋式热交换器的工作原理螺旋式热交换器是由两个同心的螺旋形金属管组成。

被加热或冷却介质在内管中流过，而另一种介质则在外管中流过。

这两种介质之间通过金属管壁进行传导，从而实现了传递热量的目的。

五、卷管式热交换器的工作原理卷管式热交换器是由一个或多个螺旋形金属管组成的。

被加热或冷却介质在内部流过，而另一种介质则在外部流过。

这两种介质之间通过金属管壁进行传导，从而实现了传递热量的目的。

六、热交换器的应用范围由于其高效节能、安全可靠等特点，热交换器广泛应用于化学工程、冶金工业、造纸工业、环保工程等领域。

同时，在船舶、汽车等领域也有着重要应用。

七、总结总体来说，无论是哪一种类型的热交换器，其基本原理都是通过将两种不同介质之间的热量传递来实现加热或冷却的目的。

在实际应用中，我们需要根据不同的工作条件和要求选择合适的热交换器类型，从而达到最佳的效果。

管壳式热交换器原理
管壳式热交换器是一种常用的热交换设备，主要用于将两种流体之间的热能传递。

它由一个外壳和多个并排布置的管子组成。

其中一个流体通过管子内部流动，而另一个流体在管子外部流动。

通过这种方式，两种流体之间的热量可以通过管壁传递，实现热能的交换。

管壳式热交换器的工作原理如下：
1. 换热介质流体进入热交换器的外壳中，流经外壳的流道。

2. 通过外壳的流体流道将流体分成多个小流道，以实现流体的均匀分布。

3. 然后，流体通过每个小流道的入口进入管子中。

4. 在管子内，流体与管壁之间的热能传递开始进行。

由于管壁的导热性，热能可以从管子内的流体传递到管子的外部。

5. 同时，管子外的另一种流体也在管子外部流动，并与管壁接触。

这样，管壁的另一侧就会有一种流体与管壁之间的热能传递。

6. 由于管壁的热传导性能，两种流体之间的热量可以在管壁中传递。

7. 热量将从热源侧流体传递到冷却侧流体，使冷却侧流体的温度升高，而热源侧流体的温度下降。

8. 经过热交换后，两个流体在管壳式热交换器的出口分别流出。

9. 通过不同的管道，流体可以把热量带走或者向其他设备供热。

10. 在这个过程中，外壳和管子之间的密封结构确保两种流体
不会混合。

总结起来，管壳式热交换器的工作原理是通过管壁将两种流体之间的热量进行传递，从而实现热能的交换。

它具有高效、可靠、结构紧凑等特点，在工业领域中得到广泛应用。

管壳式换热器工作原理
管壳式换热器是一种常用的热交换设备，其工作原理如下：
1. 冷热介质流经换热器：冷介质（通常是待加热流体）从进口管道进入换热器的壳程，热介质（通常是用于加热的流体）从进口管道进入换热器的管程。

2. 介质的传热过程：在管壳式换热器内，冷、热介质通过管程和壳程之间的管板进行传热。

冷介质在管程的管道中流过，热量通过管壁传递给热介质。

热介质流经壳程的壳体，将热量传递给壳程的外壁，而冷介质则从壳程外侧带走吸收的热量。

3. 介质的流动操作：管壳式换热器内冷热介质的流动方式有多种，常见的有串流（串流换热器），并流（并流换热器）和逆流（逆流换热器）。

4. 热量交换完成后，介质流出换热器：经过传热过程后，冷介质和热介质的温度发生变化，冷介质在换热器的出口处流出，热介质也在换热器的出口处流出。

总结来说，管壳式换热器通过管程和壳程之间的传热，将热量从热介质传递给冷介质。

冷热介质在换热器内部流动，通过壳体和管道壁的传热，完成热量交换，最终达到热能转移的目的。

不同的流动方式和操作条件，会影响换热的效果和效率。

2 管壳式热交换器2.1管壳式热交换器的类型、标准与结构2.11类型和标准按其结构的不同一般可分：固定管板式、U型管式、浮头式和填料函式四种类型。

(1) 固定管板式热交换器是将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，由于管板与壳体固定在一起，所以称之为固定管板式热交换器。

优点：结构比较简单，重量轻，在壳程程数相同的条件下可排的管数多。

缺点：壳程不能检修和清洗，因此宜于流过不易结垢和清洁的流体，当管束与壳体的温差太大而产生不同热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开，从而发生流体的泄漏。

为避免后患可在外壳上装设膨胀节。

膨胀节作用：只能减小不能完全消除由于温差而引起的热应力。

(2) U形管式热交换器管束由U字形弯管组成。

管子两端固定在同一块管板上，弯曲端不加固定，使每根管子具有自由伸缩的余地而不受其他管子及壳体的影响。

优点：①结构简单、省去一块管板和一个管箱，造价低。

②管束和管壳体分离，热膨胀时互不约束，需要清洗时可以将整个管束抽出，同时可消除热应力。

③管子两端固定在同一块管板上，弯曲端不加固定，使每根管子具有自由伸缩的余地而不受其他管子及壳体的影响。

缺点：①清除管子内壁的污垢却比较困难。

②弯曲的管子需要一定的弯曲半径，降低了管板的有效利用③损坏的管子也难于调换，U形管管束的中心部分空间对热交换器的工作有不利的影响。

这些缺点，使其应用受限。

(3) 浮头式热交换器两端管板只有一端与壳体以法兰实行固定连接，这一端称为固定端。

另一端的管板不与壳体固定连接而可相对于壳体滑动，这一端被称为浮头端。

优点：①管束的热膨胀不受壳体的约束，壳体与管束之间不会因差胀而产生热应力。

②清洗、检修仅将整个管束从固定端抽出即可进行，总之比较简单。

③对于管子和壳体温差大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况，浮头式热交换器能很好适应。

外号：内浮头式热交换器缺点：①浮头与管板法兰连接有相当大的面积，使壳体直径增大，在管束与壳体之间形成了阻力较小的环形通道，部分流体将由此处旁通而不参加热交换过程。