1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

换热器是把热流体的一部分热量传递给冷流体的设备，从而实现不同温度流体间的热能传递，是化工、冶金、能源、轻工、食品等生产过程中实现热量的转移和交换不可或缺的设备^[1]。 一般情况下，换热器在石油精炼等行业约占20%#8212;50%^[2]，其中管壳式换热器在这些领域的应用占主导地位，约为90%^[3]。管壳式换热器具有很多优点，例如单位体积内能够提供较大的传热面积、传热效果好、适应性强、成本低、易制造、易于清洗和检修等^[2]。

1 发展现状

换热器技术的进步，关系到国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，随着生产规模的扩大及其生产技术的现代化，由于其各方面的特殊要求，各国都在大力发展工业生产的同时，也对换热器的研究与优化极其重视^[4]。

1.1 国内发展现状

我国现在的换热器逐渐趋于大型化，近年来研制了各种螺旋槽、管表面多孔、管内插件、新形状的内外翅片管强化传热管等，壳程传热及流动研究强化传热机理研究等，各种耐腐蚀性的如塑料喷涂、管束浸渍石墨等的研究。

随着社会的不断发展和进步，强化新材料，传热技术，新工艺，各种换热设备也趋向于高性能，高效率，低能耗紧凑的设计的方向。在各种各样换热器的的生产中，管壳式换热器为主要类型。我们要熟悉应用软件发展的新变化，我们与国外还有较大差距，还需要好好借鉴并完善，我们必须从实际出发，结合现在应有的技术，学习国外现有技术和发展经验，拓宽思路，国内生产的发展应适应各类高效换热设备^[5]#160;。

1.2 #160;国外发展

管壳式换热器的使用历史已有很长时间，它的应用普遍，但各国经验不同，因而形成了各自不同的标准和规范。例如美国的TEMA标准，英国的BS5500标准，日本的JIS B 8249标准以及联邦德国的AD规范等，其中最广为熟知和采用的是美国管式换热器制造商协会所定的TEMA标准^[4]。1933年，科尔本首先提出了对于换热系数计算的关联式，其关键的一点是，以理想管束数据为基础；1949年，Donohue在科尔本的基础上改进了关联式；1950年科恩对Donohue法再一次做了改进，并在其著作^[5]中提出了换热器改进后的计算公式;廷克在1947年提出了流路法；1960年，Bell公布了他在美国特拉华（Delaware）大学研究得出的壳程计算研究报告，提出了贝尔法，其又在后来不断地做出了改进^[6-8]。

2管壳式换热器原理及分类

2.1管壳式换热器的组成原理

管式换热器是一种间壁式热交换器，它是使用最广泛、研究最多的一种。管壳式换热器主要有外壳、管箱、管板、管子及折流板等部件。换热管外组成的流体通道为壳程，换热管内组成的流体通道为管程。壳程和管程分别经过两种不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁把热量传递给温度较低的流体，较高的温度的流体是冷却，加热的流体的温度越高，从而完成两流体换热目标。

图1 #160;固定管板式换热器

#160;#160;#160;#160;它通常是圆柱形外壳、直管或U形管为管子。螺纹管是提高热交换器的传热性能，可以使用，翅片管，该管布置是一个等边三角形，正方形，方波，锯齿波，并在许多方面打开45#176;圆形，最常见的是前三种。依照三角形部署时，在一样直径的壳体内能排列相对多的管子，从而增加传热面积，但管间很难用机械办法清洗，也存在相当大的流体阻力。在管束中横向布置一些折流板，引导壳程流体几次改变流动目标，管子有效地冲刷，以把提高热传递效率，同时对管子有支撑作用。弓形、圆形及矩形等是折流板的形状^[11]。为了提高传热效能，能在管箱以及壳体内纵向安排分程隔板，使得把壳程以及管程流体的流通截面减小、流速加快，从而把壳程分为二程，把管程分为二程、四程、六程以及八程等^[12]。

2.2管壳式换热器的类型

管壳式换热器一般可分为固定管板式、U形管式、双重管式、浮头式、填料函式、双管板式等^[2]。不同结构的换热器优缺点不同，所以适用场合也不同。

3 #160;管壳式换热器的设计原则及方法

3.1设计原则

由于许多因素，如耐腐蚀性和介质的其他特性、操作温度和压力、换热器的热负荷、管程与壳程的温差、维护和清洁的要求等^[2]。

选择必须考虑到各种因素。对于每一个具体的传热条件下，优化选择将得到最适当的设备模型，如果该设备到其它的条件下，则传热效果可能会改变很大。因此对于一个特定类型的热交换器的操作条件的选择，这是一个非常重要的和复杂的任务。对管壳式换热器的设计,应从以下方面考虑：管壳程流体流径的确定，流体流速的选择，管程和壳程数的确定，流体允许压力降的选择，设备结构的选择，换热最终温度的选择^[13]。

3.2设计方法

换热器的设计一般是指传热设计和压降（或流动）设计气换热器的设计，设计计算有2种类型，即设计计算和验证计算，包括计算换热面积和选型的选择。管壳式换热器的设计主要包括壳程数、管程数、管长、管径、管子排列、折流板的类型、冷热流体的流动通道等方面的选择，在20世纪30年代，管壳式换热器的流路设计原理建立^[14]，设计方法包括Kern法 ^[15]、Bell-Delaware法^[16]、流路分析法^[4]等方法。

Donohue对Colbum关联式的修正，设计了管壳式换热器的第一个综合方法，而Kern法在这个基础上又作了进一步的改进。Kern法的主要特点是将设计看做一个整体，这是在除了传热问题外，还同时考虑了壳程、管程流动、温度分布、污垢^[17]和结构等问题。它还包括管程及壳程的冷凝及沸腾的内容。Kern法简单明了，可适用于快速计算。许多学者基于Kern法，利用优化算法设计管壳式换热器。Selbas等^[18]从经济性出发，将允许压降的最大值作为约束条件，用来优化设计管壳式换热器。Hadidi等^[19]从经济角度出发，将生物地理优化算法应用于管壳式换热器的优化设计中，这种算法在求解全局最小时有更好的特性。

Bell-Delaware壳程压力降计算法的设计方法是以廷克提出的流动模型为基础，把壳程流体分为5股流 。Bell-Delaware法的中心内容是假定全部通过一理想管束的壳程流体都是以纯错流的方式流过，即没有漏流、旁流的影响，得到计算公式。然后在几个小模型上试验，对泄漏和旁流的影响进行研究，引入一些修正因子而得到的计算方法。其中，Bell-Delaware法应用最广泛，也是相对较精确的方法^[20]。

4管壳式换热器的优化

管壳式换热器与很多因素相关联，很多参数相互影响的。在设计的油品换热的管壳式换热器中，由于流体传热膜系数、壳程压降等外界因素和有体本身性质的内在因素的影响，因此，换热器优化的前提是要求设备的实际传热面积大于理论计算面积。且相应的管程压降损失应小于压降的最大允许值^[21]。

通常情况下，利用换热器回收余热热能或实行工艺过程加热，与所带来的年经济收益、换热器的相关换热量以及年运行时间成正比关系^[22]。换热器的年总费用主要是固定的投资费用以及运作费用、热损失费，为了简化计算，则把换热器最初的投资费用、维修费用、折旧费用等固定相关费用均可用单位传热面积费用表示^[23,24]。

Jegede和Polley^[25]提出了一个最佳的换热器设计程序，即允许完全使用两个流的允许压降。他们开发了一种在任何单一换热器优化中考虑换热器的面积和两个流的总功率需求的方法。他们在压降，面积和传热系数之间建立了简单的关系，使用相对简单的标准优化技术对单个热交换器进行完全优化^[26]。

选择用于冷却系统设计的管壳式换热器的类型是固定管板式换热器。固定管交换器是最常见的，并且通常具有在传热表面单位面积的最低资金成本。固定管板式换热器的一个很重要优点是没有内部接头，因此消除了一种流体泄漏到另一种流体的可能性。另一个优点是外围管可以靠近壳体的内部放置。由于不存在内部接头，与用于任何其它类型的管相比，更多的管可以容纳在用于固定管板类型的内径的壳中。在壳体侧上没有凸缘使其适合于高压情况。为了允许在固定管板中的热膨胀，可以使用膨胀装置^[27,28]。

减二中油与初底油均需考虑管程流体所存在的压力损失，压降损失要小于其允许的最大值。这些单个变量最优化，都可以运用解析法及黄金分割法和函数逼近法等数值方法来进行求解^[29,30]。

#160;

5本课题的研究目的及意义

换热器在很多领域都有重要的应用，研究并优化管壳式换热器，对以后更便捷的为各个领域所用，有很重要的发展意义。在这个基本理论不变的大前提下，要更多的根据换热器装置的特点、现场的实际情况以及运行经验等具体考虑和优化^[27]。

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参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1、通过文献参考及阅读，了解管壳式换热器的原理、结构、分类、设计标准、工艺要求。

2、选择所要研究的参数内容#160;[#129;减二中油作为冷却工质，热流体为初底油 #8218;热流体质量流速为14kg/s,冷流体质量流速为48.785kg/s #402;热流体进出口温度分别为303.5℃和246℃，冷流体进口温度为209℃ ④热流体入口压力为800kpa，冷流体为1.05mpa]，设计符合参数要求的管壳式换热器。

3、对参数进行计算、修改、画图。设计出来之后，用软件模拟对比，使得得出的结论符合换热器的设计标准且能合理应用。