论文总字数：16081字

摘 要

ABSTRACT

符号

1. 绪论
   1. 课题研究背景与目的

1.1.1课题背景

1.1.2 课题目的

1.2 国内外研究近期进展

1.2.1 国内研究近期进展

1.2.2 国外研究近期进展

1. 换热器设计分析

2.1 初始条件的确定和换热器选择

2.1.1 初始条件

2.1.2 换热器选择

2.2 流体条件的确定

2.2.1 物性参数的确定

2.2.2 普兰德数的计算

2.3 平均温差和水流量计算

2.3.1 计算平均传热温差

2.3.2 冷却水流量

2.4 估算传热面积及传热面结构

2.4.1 传热面积的估算和管的选择

2.4.2 管子结构的计算

2.4.3 传热面结构计算

2.4.4 壳体内径计算

2.5 管程计算和壳程计算

2.5.1 管程数据计算

2.5.2 壳程结构及计算

2.5.2.1折流板选定及计算

2.5.2.2 错流区及缺口处数据计算

2.5.2.3 壳程结构及换热系数计算

2.6 传热面积的计算与壁温的校验

2.6.1 热阻的确定

2.6.2传热面积计算

2.6.3 壳侧壁温检测

2.7 阻力计算

2.7.1 管程阻力计算及校核

2.7.2 壳程阻力计算及校核

摘要

在过去的工程生产中，为了提高效率，节约成本，各种工程设备不断的出现、革新和改良。这其中就包含了换热器这一设备，其目的是将内部的流体通过在管内管外流动从而实现换热，而如何改良换热器进行流体间的高效换热则是学习工程的人们应面对的共通课题。

随着的研究进展，许多种类的换热器被制造了出来，就例如管壳式换热器，常用的包含固定管板式换热器、U型管式换热器、浮头式换热器、填料函式换热器等等。而近些年来，管壳式换热器的研究更加日趋完善，国内专家团队多运用软件分析的方法来找到改善传热的途径，包括Fluent, Solid work simulator，HTFS等软件，对目前的生产生活产生了很多有用的结论。而国外专家团队致力于研究新型的管壳式换热器，如RCk空冷式冷凝器、Packinox换热器、NTIW列管式换热器、螺旋管槽式换热器等等，各自为了不同的目的而改良，节能减排、改善传热、防腐防垢、强化结构，这些不同的方向共同造就了已较为成熟的换热器行业更加进步。

为了毕业后更好地投入到实际生产生活中，本次课题，我将研究基于300kw管壳式换热器的设计与理论分析这一课题。在实际计算中，设计出合理的管壳结构，并对传热面进行研究分析，最后进行压降校核。全部参数符合要求后就可得到符合实际生产生活需要的管壳式换热器，这不仅是对我学习生活的一次检验，更是对而后工作和国家建设的需求。

ABSTRACT

In the past engineering production, in order to improve efficiency and save cost, a variety of engineering equipment constantly appear, innovation and improvement. This includes the equipment of heat exchanger, whose purpose is to transfer heat from the internal fluid through the flow in the tube to the outside of the tube. How to improve the heat exchanger for efficient heat transfer between fluids is a common topic for people who study engineering.

With the development of research, many kinds of heat exchangers have been produced, such as shell and tube heat exchangers, commonly used including fixed tube-plate heat exchangers, u-tube heat exchangers, floating head heat exchangers, stuffing box heat exchangers and so on. In recent years, the research on shell and tube heat exchangers has become more and more perfect. Domestic expert teams often use software analysis methods to find ways to improve heat transfer, including Fluent, Solid work simulator, HTFS and other software, which have produced many useful conclusions for current production and life. And foreign expert team is committed to research new type of tube and shell heat exchanger, air cooled condenser, Packinox heat exchanger, such as RCk NTIW shell and tube heat exchanger, spiral groove tube heat exchanger, etc., in order to different purpose and improvement, energy conservation and emissions reduction, the improvement of heat transfer, corrosion inhibition, strengthening the structure, the different direction to producing the heat exchanger has a mature industry more progress.

In order to better devote myself to the actual production and life after graduation, I will study the design and theoretical analysis of the 300kw shell and tube heat exchanger in this project. In the actual calculation, the reasonable shell structure is designed, the heat transfer surface is studied and analyzed, and the pressure drop is checked. After all the parameters meet the requirements, the shell and tube heat exchanger can be obtained in line with the actual production and living needs, which is not only a test of my study and life, but also the demand for subsequent work and national construction.

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与目的

1.1.1课题背景

当今社会，随着科技的日益进步，人们对机械设备的要求也越来越高，如何在工程中使用高效率，造价低廉，方便使用的工程器械，成为了人们面对的挑战。在高效换热的领域，管壳式换热器讯唤而生。对国外换热器市场的调查显示，管壳式换热器占比为64%，占主导地位[3]，很多大型企业均使用管壳式换热器提高其能源效率，因为其结构简单、造价低、流通截面较宽、易于清洗水垢，耐高温高压等特点，广泛运用于化学、电力、冶金、航空、等领域中，不仅如此，换热器还能够利用工业二次能源，实现余热回收。但是因为其还拥有工作热应力高，占用面积大等缺点。目前的难点就在于，如何设计好一个管壳式换热器。

目前，拥有成熟研究结果的管壳式换热器，存在着广泛使用的几种类型：

固定管板式换热器，其结构特点在于壳体两侧的固定管板，固定了管子的两端，因为有固定管板和壳体的这种结构，故称之为固定管板式换热器。它有着相对于其他换热器较轻的重量，还有较为简易的结构，可排管数在壳程程数和其他换热器一样的情况下较多。但相对的，其壳程由于管板固定，无法进行维护和检修清洗。管内管外流体温差大的情况下，容易因为热应力较大而发生管子与管板接口脱离，从而发生流体泄漏事故，所以这种换热器适用于壳侧不需检修清洗，管两侧流体温差较小的场合

浮头式换热器，由于其一侧管板通过法兰与壳体固定连接，而另一侧的管板虽然固定连接在壳体上但是可以相对这一侧的壳体滑动。法兰的一侧称为固定端，而可滑动的一侧称为浮头端。由于这种可滑动的性质，壳体的尺寸不会限制到管束在工作过程中产生的热膨胀，而它们之间也不会因为膨胀性质差异而产生热应力。另一个优点是管束可从其固定端抽出，使其总体清洗和维护变得方便。由于浮头位于壳体内部，故又称内浮头式换热器。它的缺点是，由于其法兰连接需要管板和浮头盖之间连接很大一段面积，结果会导致壳体设计时需求的直径相对于其他换热器更大，由此造成管束与壳体间产生一块能够使流体旁流的，流动阻力小的区块，流体在此区块不会进行热交换，从而降低了换热效率。综合以上优缺点，可以得出：浮头式换热器适用于壳程流体腐蚀结垢性强，需要频繁维护清洗的场合。但由于壳程直径较大，所以其制造过程中金属需求量也较大，结构相对于其他换热器也较为复杂，经济适用性较差。

U型管式换热器的特点是其管束为一种特殊的U型弯管，管子的两端在同侧，均固定在同一边的管板上面，而另一侧的U型段则不用固定，这给了每根管子在换热的热膨胀中充足的余地，不会受其他管子和壳体的限制。当需要清洗换热器时，管束可以直接从壳体内抽出清洗，但是由于其U型结构限制，清洗管子的污垢将更为困难。而U型管制造时，考虑到其管子的弯曲半径，需要各种不同的模板，并且会降低管板的有效使用率。不仅如此，实际使用时若U型管发生损坏，也更加难以替换，而U型管管束中心部分由于其结构，不利于换热器的传热强化，使得它的应用受到很大限制。

填料函式热交换器

填料函式换热器和浮头式换热器类似，一侧管板是固定的，另一侧可以在填料函中相对滑动。因为其浮头暴露在壳体的外侧，所以它的别称为外浮头式换热器。由于填料函和管板之间能相对滑动，这种换热器的填料密封处容易发生泄漏，故挥发性强、有易燃性、爆炸性、毒性、高压等危险流体不宜用于填料函式换热器。不仅如此，填料函式换热器和浮头式换热器相同，金属消耗量大，结构复杂，所以其应用范围更小。

从管壳式换热器诞生以来世代更替，尽管其历史悠久，但由于其结构简单，换热效率高的特点至今仍广泛使用，而对其的设计、制造、安装、维护、监测都有着一套成熟的流程，各国也拥有对其的一套规定、规范和标准。最广为人知并使用的是美国管式换热器制造商协会所提出的TEMA标准，除此之外还有英国的BS 5500标准、日本的JIS B 8249标准和德国的AD规范等一系列完善的标准。

而我国对于管壳式换热器，在数十年的发展和探索中，在各路专家设计和改良，不断完善提高的过程中，也拥有了自己的成熟的经验和总结出的一套相应的标准。在以往实际设计的基础上，我国国家技术监督局在总结了一系列经验后，以此为基础，于1989年发布了国标《钢制管壳式换热器》（即标准号GB151-1989）。而后，经过不断探索和创新，国家技术监督局又于1999年对其进行了修订，公布了新的标准《管壳式换热器》（即标准号GB151-1999），为非直接受火管壳式换热器的设计、制造、检验和验收提供了具体的规范。

对于此次课题研究的电厂环境中，考虑到运行中需求的耐腐蚀性，抗冲蚀性，并且需求良好的传热性能，选择一个合适的换热器类型，设计出一个拥有符合以上要求的良好材质和结构的管壳式换热器即为初步要求[1]。在这之上，对各种方案进行经济性分析，选择最优化的设计。

1.1.2 课题意义

本次课题所研究的基于传热量300KW管壳式换热器的设计与理论分析适用于本专业所对口的电厂环境下的换热器基础设计。一方面能为我们在实际的设计工作中奠定实践基础，另一方面也可以培养我们的创新精神，更加完善关于管壳式换热器设计的理论部分。而涉及到到管壳式换热器的造价部分也能给实际电厂选材一个很好的理论参考。

目前，设计管壳式换热器的思路有许多种，面对不同的工程环境，选用合理的管壳式换热器类型能更好的契合工程需求。而设计优化部分，则可通过数值模拟的方法，基于成熟的CFD技术，运用一系列的软件进行实况模拟分析，最后得出设计上的最优解。管壳式换热器目前设计和运用技术较为成熟，总体来看拥有较好的运用前景，未来几十年内管壳式换热器作为重要的换热器种类不会改变，为满足实际需求，本次课题将对传热量为300kw的管壳式换热器进行设计和理论分析

1.2 国内外研究近期进展

1.2.1 国内研究近期进展

目前国内许多研究集中在通过软件模拟的方法对换热器结构进行改良。

以赵晓曦等人撰写的《管壳式换热器壳程传热强化研究》^[2]为例，其运用计算流体力学，即CFD（computational fluid dynamics）技术，对壳侧的流场和温度场进行了分析，得出了以分析粗糙肋面上流场和温度场的配合和协同来控制强化传热的新方法。从而更好的进行壳程传热强化和结构优化设计。

曹茹，商跃进[4]则利用了SolidWorks Flow Simulation对换热器管程的热性能进行了一系列的模拟，印证了新软件在研究管壳式换热器的实际工况的可行性。

耿伟轩，张红，陶汉中，冯志伟[5]研究了管板间隙的不同对管壳式换热器流动和传热的影响通过直接模拟法，建立模型并进行模拟分析得出了管板间隙对换热器火用传递和壳程压降的影响。

王庆锋，庞鑫，赵双[6]研究了换热管的形式、折流板间距及其切口大小对管程、壳程压降和对流传热系数等设计参数的影响，通过Fluent软件，数值模拟了管程及壳程的流场，并运用HTFS软件进行了换热器的设计计算，得出了一下结论：特型管会增大管程的压降，但可以增加其对流传热系数，并且通过增强管内流体扰动，提高湍流的程度，以强化传热。而采用越大间距的折流板，则壳程压降将减小，但对流传热系数也会降低。折流板切率增大，压降则会降低。综上，运用软件数值模拟综合三者得出了一个最佳的数据结论。

彭炳初等人[7]使用了压缩空气、水为工质，于空气压缩机后部的冷却器中分别使用了光滑管、螺旋槽管、横纹管进行了实验，得到了以下结果：当采用螺旋槽管、横纹管两种强化管时，冷却器制冷过程都会有显著的强化，当管程、壳程流量给定时，总传热系数对比光滑管都得到了提高，其中螺旋槽管提高了75%，而横纹管提高了54%。

黄渭堂等人[8]对螺纹槽管进行了传热强化研究，通过对比试验水平凝结的条件，得出槽深e比节距p大于0.05时，螺纹槽管强化管会有着明显的传热强化。当e/p=0.1021时，管子的传热条件达到最优。而对比光滑管，在Re=0.55x10^4-4x10^4时，螺纹槽管的总传热系数更是提高了20%-65%，传热强化显著。

1.2.2 国外研究近期进展

管壳式换热器运用于工程的各个方面，包括炼油、化工和电力等行业，而不同公司在面对同样的生产需求时选用的换热器尺寸和传热面积也各有不同。有的公司选用有较大的换热面积和体积的换热器，但其换热效率却不尽人意，有的公司选用了换热面积和体积都较小的换热器，其换热效率反而得到提升。结果就是：如何设计一个拥有较为理想的换热面积，费用低而且节能减排指标达到要求的管壳式换热器是工程企业的共同需求。如何强化传热，制造合乎标准的管壳式换热器，也是国内外学者致力研究的点。P. G. Vicente等人［9］研究强化管的传热，比较了波纹管和光管，发现波纹管工作的努赛尔数比光管高出了250%。B. K. Soltan 等人［10］得到折流板是如何影响到换热面面积和沿程阻力，并且得到了确定最合适的折流板间距的方法; A. Karno 等人［11］研究了折流板对传热系数和压降的影响，结果是折流板数目增加，传热系数和压降也增加，而折流板切率增加，传热系数和压降则会减小。

在经济效益提升和世界技术日益进步的催动下，国外推出了更多种类的新型换热器如：日本的hybrid混合式换热器，Hamon-Lummus公司的SRCk空冷式冷凝器、NTIW列管式换热器、Packinox换热器，ABB公司的螺旋折流管换热器等，研究目的不尽相同，包括且不限于管程传热强化、壳程传热强化、管箱结构优化、折流板结构优化、抗腐蚀性能强化等。

而其中，Hamon-Lummus公司推出的一种运用于冷凝传热的SRC翅片管，德国GEWA公司开发翅片外缘呈V字形的TXV管，及瑞士allares公司和Brown Fintube Ltd共同研究改进的一种高效传热元件-偏置折边翅边管和螺旋扁管，是对换热器的传热管件的改动，其实现了换热器的大幅度强化传热。

对于换热器类型方面的研究[3]，俄罗斯采用一种含微粒的流体，在常温或者稍加温的条件下加速通过喷口将翅片表面喷镀，使其覆盖粉末颗粒，这种方法即为气动式喷涂法，以此方法提高翅片表面性能。此技术为基础产生的换热器即为气动式喷涂翅片换热器。

还有近期大量研究的螺旋管式换热器，由美国所提出的螺旋状折流板，克服了普通折流板的主要缺点。

新型麻花管换热器，由瑞典Allares开发，改进了传热，减少了结垢，实现了真正的逆流。还有由俄罗斯提出的，借助在管子上缠绕在拉紧金属丝时产生的机械接触来固定筋条，而非焊接方法固定的非钎焊绕丝筋管螺旋管式换热器，拥有着更大的传热面积而被氦技术和冷却工艺着重研究。

捷克科学家研究了如何改进折流板，提出一种改变换热器壳侧流动的，使弓形折流板中的横向流动变为螺旋流动的新型折流板-螺旋折流板。这种折流板通过消除部分流动死区，并且减少管束区震动效应，减小了弓形折流板所具有的阻力较高、泵功率消耗量大的缺点。使用了螺旋折流板的管壳式换热器性能较普通的换热器较高，但是也有其缺点：其壳体中心因为漏流和流动短路的现象形成了一段换热效率低下的区域，这一地带的流体换热不充分，流动偏离了理想状态下的螺旋流动。为了消除这个缺点，科学家采用了组合式多壳程管壳式换热器，这种换热器于壳体中心位置增添了一个内壳体的结构，改善流体流动方式，提高了其传热效率，使其能够二次传热。

1.3 设计注意事项

1.3.1 流体在热交换器内流动空间的选择

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