第一篇：運用aspen及其套件設計換熱器

運用aspen及其套件EDR設計換熱器

青海大學化工學院 張鵬宇

目錄 1.生產(chǎn)要求設定

2.啟動aspen設置前奏

2.1確定合適的modle library 模塊

2.2建立流程圖

2.3輸入工程標題

2.4輸入組分

2.5選擇物性方法

2.6輸入物流參數(shù)

3.進行換熱器選型

3.1采用shortcut簡捷計算

3.2填寫估計的總傳熱系數(shù)

3.3模擬計算，列出簡捷計算結(jié)果

3.4按國家標準選型 4.選擇Detailed詳細核算

4.1設置冷熱流體走程

4.2使用Design Specification調(diào)整冷卻水流率

4.3設置殼程管程壓降計算方式

4.4設置總傳熱系數(shù)計算方式

4.5填寫冷熱流體側(cè)污垢系數(shù)

4.6填寫殼程管程數(shù)據(jù)

4.7填寫折流板及管嘴數(shù)據(jù)

4.8運行計算，列出換熱器詳細計算結(jié)果

4.8.1 exchanger details換熱器詳細數(shù)據(jù)

4.8.2 pres drop 各程壓力降及壓力降分析

4.8.3 流速探討及分析 5.用EDR 軟件核算，出圖

5.1 數(shù)據(jù)傳遞

5.2 EDR數(shù)據(jù)檢查,核對補充

5.3運行計算，列出換熱器詳細計算結(jié)果

5.3.1 EDR換熱器詳細數(shù)據(jù)

5.3.2 pres drop 各程壓力降及壓力降分析

5.3.3 流速探討及分析

5.4列出換熱器裝配圖

5.5列出換熱器布管圖和設備數(shù)據(jù)

5.6打印出圖

6.對比Aspen換熱器詳細計算，說明EDR其優(yōu)缺點。

1.生產(chǎn)要求設定

某生產(chǎn)過程中，需處理每年114000噸/年苯，現(xiàn)將苯從80度冷卻至40度，冷卻介質(zhì)采用循環(huán)水。循環(huán)水入口溫度32.5度，出口溫度取37.5度。要求換熱器裕度為10%~25%，換熱器內(nèi)流體流動阻力小于50Kpa.2.啟動ASPEN設置前奏

2.1選擇合適的modle library 模塊

啟動ASPEN,新打開一個空白的blank文件，該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。在heat Exchangers 下選擇heatX下的GEN-HS模塊。

2.2建立流程圖

連接物流線，建立如圖所示的流程圖，至此flowsheet已經(jīng)完整。

2.3輸入工程標題

單擊下一步N，填寫標題，這個可以隨意。

2.4輸入組分

繼續(xù)單擊下一步，在component ID 中填寫H20按回車，再填C6H6回車，物質(zhì)直接出現(xiàn)，不用查找。

2.5選擇物性方法

繼續(xù)單擊下一步，選擇物性方法。根據(jù)一些其他文獻的選擇方法，我們在property method一欄下拉選擇CHAO-SEA.物性方法。

2.6輸入物流參數(shù)

由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應使水走管程，苯走殼程。所以1與2走的水，3與4走的苯。那么在接下來的stream 1中填寫溫度32.5度，設置壓力為1.2個大氣壓。在composition下拉選擇MASS-FLOW,單位選擇KG/h。暫時設置循環(huán)水的初始流量為5000KG/h.過后將運用Design Specification 調(diào)整水的流量。將stream 2填寫37.5度，壓力1.2atm.其他不設置。將stream 3填寫溫度80度，壓力也為1.2atm,填寫苯的流量16000kg/h(根據(jù)處理114000噸苯每年而約得)。stream 4不作設置。

3.進行換熱器選型

3.1采用shortcut簡捷計算

下一步，在blocks-B1-specification-calculation下面選擇shortcut表示采用簡捷計算以便進行換熱器的選型。在pressure drop下面設置冷熱流體的outlet pressure壓力降為0.3.2填寫估計的總傳熱系數(shù)

在UMethods 下面填寫估計的換熱器總傳熱系數(shù)為300 W/(M2*K).至此簡捷計算數(shù)據(jù)已經(jīng)輸入完成。

3.3模擬計算，列出簡捷計算結(jié)果

單擊下一步，按確定，在數(shù)據(jù)瀏覽器里的blocks-b1下的exchanger details 可以看到該換熱器的熱負荷為319KW.需要的換熱面積為52.8M2.與紙質(zhì)版換熱器設計中的325KW，51.3M2.相差不大?？梢岳^續(xù)采用詳細核算。

3.4按國家標準選型

按照換熱器面積及規(guī)定6M的管長，查《化工工藝手冊》從JB/T4715-1992<固定管板式換熱器>中選標準系列換熱器BEM450-1.6-62.5-6/25--1,單管程，單殼程，殼徑450mm,換熱面積62.5m2,換熱管Φ25mm×2.5mm,管長6M，管數(shù)135根。三角形排列，管心距32 mm。

4.選擇Detailed詳細核算 4.1設置冷熱流體走程

現(xiàn)在選擇Detailed 表示type 選擇rating 表示詳細核算。Hot fluid 選擇shell。在exchanger specification 下面選擇Hot stream outlet temperature.Value 填寫40度。表示要規(guī)定苯的出口溫度為40度。

4.2使用Design Specification調(diào)整冷卻水流率

在此欄新建一個DS-1.在DS-1下的define新建一個S。點擊edit,開始編輯。在type下選擇stream-var，選擇2，表示要設計調(diào)整水出口（2）的輸出流量。然后選擇variable為temp表示溫度是可以操作的變量。

在spec下面按如圖填寫，target 填寫37.5度表示要使水的出口溫度為37.5度。

在vary欄下填type為 stream-var，stream選擇1，variable填 mass-flow.這些表示要調(diào)整1的水流量數(shù)據(jù)使2出口溫度達到我所想要的37.5度。然后在lower上填寫40000，uper上填寫60000.表示水的調(diào)整區(qū)間。

運行后可以得到水的流量為55164Kg/h。

4.3設置殼程管程壓降計算方式

殼程和管程都選擇calculated from geometry,表示根據(jù)換熱器幾何結(jié)構(gòu)計算殼程和管程的壓降。LMTD不用選擇，是它默認值constant就好了。

4.4設置總傳熱系數(shù)計算方式

在U METHOD選擇film coefficients,表示根據(jù)傳熱面兩側(cè)的膜系數(shù)計算總傳熱系數(shù)。

4.5填寫冷熱流體側(cè)污垢系數(shù)

在film coefficients 頁面殼程和管程都選擇 calculated from geometry，表示根據(jù)換熱器傳熱面兩側(cè)的幾何結(jié)構(gòu)計算膜系數(shù)。查《化工工藝設計手冊》熱流體側(cè)的污垢系數(shù)取0.000176M2*K/W,冷流體側(cè)的污垢系數(shù)取0.00026M2*K/W.4.6填寫殼程管程數(shù)據(jù)

在blocks-B1-geometry 欄下的shell下的TEMA shell type選擇E-One pass shell 表示單殼程。填寫包括管程數(shù)1，換熱器水平安置，殼徑450mm.在tubes一欄下選擇管子類型光滑管，填寫管程數(shù)據(jù)，包括管子根數(shù)135根，管長6000mm，管心距32mm,管外徑0.025meter.管內(nèi)徑0.00225meter。

4.7填寫折流板管嘴數(shù)據(jù)

包括19塊折流板，切率25%。

管嘴設置如下。

4.8運行計算，列出換熱器詳細計算結(jié)果

4.8.1 exchanger details換熱器詳細數(shù)據(jù)

如上圖，熱負荷319KW，需要換熱面積為56.9平米，實際換熱面積為63.6平米，富余6.7平米。面積裕度11%，完美滿足要求。

4.8.2 pres drop 各程壓力降及壓力降分析

如圖，殼程管程壓力降都小于1KPA。遠遠小于50KPA,滿足 要求。即殼程和管程的流動阻力都非常滿足要求。

4.8.3 流速探討及分析

由上圖可以看出，管程殼程流速非常平緩，這既能滿足水和苯的流量要求，還能避免因流速過快而對換熱器產(chǎn)生更多損耗。殼程最大流速0.08m/s,管程最大流速0.28m/s,均偏小，因為軟件計算結(jié)果未報警，所選換熱器可用。

5.用EDR 軟件核算，出圖 5.1 數(shù)據(jù)傳遞

在blocks--B1--specification中選擇shell and tube 表示用EDR軟件詳細核算。用EDR軟件新建一個”shell and tube”空白的冷凝器設計文件后關(guān)閉。在B1下的EDR option中把EDR空白文件導入。然后單擊“transfer geometry to shell and tube”按鈕，把ASPEN plus對冷凝器詳細核算結(jié)果傳入EDR軟件。

5.2 EDR數(shù)據(jù)檢查,核對補充

在下面的幾個圖中，按照圖中的數(shù)據(jù)，填寫完整。

熱流組成頁面

熱流物性方法選擇

冷流組成頁面

冷流物性方法選擇

5.3運行計算，列出換熱器詳細計算結(jié)果

5.3.1 EDR換熱器詳細數(shù)據(jù)

在rezult-overall summary 可看到全方位的換熱器詳細數(shù)據(jù)

5.3.2 pres drop 各程壓力降及壓力降分析

由以上詳細核算圖可知，各程壓力降總和50KPA，符合設計要求，比課本求壓力降方法要迅速，便捷得多。

5.3.3 流速探討及分析

殼程速率為0.19m/s,管程速率為0.34m/s。均比較小。這是由于換熱器形態(tài)以及送料大小和進出口規(guī)定溫度的緣故。

5.5列出換熱器裝配圖

5.6列出換熱器布管圖和設備數(shù)據(jù)

5.7打印出圖 6.對比Aspen換熱器詳細計算，說明EDR其優(yōu)缺點。在進行換熱器詳細核算的時候，EDR確實比Aspen的計算要精確，而且EDR能計算Aspen 不能計算的數(shù)據(jù)。EDR軟件是換熱器的專業(yè)精細設計核算軟件，能夠完整地從設計直到出圖。用Aspen進行換熱器的設計只夠參看一些換熱器基本數(shù)據(jù)，無法進行出圖。但EDR由于其功能更全，包絡面更廣，其也產(chǎn)生一些問題，用Aspen 傳遞數(shù)據(jù)時需要補充數(shù)據(jù)，有些不需要處理的部分也加進來了，所以會顯得不夠簡潔明了。

第二篇：換熱器設計現(xiàn)狀

摘要：隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，在保護生態(tài)環(huán)境下的能源緊缺問題逼迫著人們尋找新能源的開發(fā)，換熱器是一種重要的在不同溫度的 的不同介質(zhì)之間實現(xiàn)熱量交換的設備，在世界能源危機不斷加劇的情形下，換熱器的強化傳熱技術(shù)備受關(guān)注，大量的相關(guān)研究也是層出不 窮，都在努力解決能源短缺問題。而本文主要介紹了我國換熱器的現(xiàn)狀以及存在的問題，還涉及換熱器的基本概念、工作原理、分類、發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：換熱器；設計現(xiàn)狀；管式換熱器；板面式換熱器

前言

換熱器又稱熱交換器，是將熱流體的部分熱量傳遞 給冷流體的設備，實現(xiàn)熱量的傳遞。熱換器在工業(yè)領(lǐng)域應 用廣泛，在食品、化工、石油、制藥、機械等領(lǐng)域都有涉 及。換熱器存在的形式既可以是一種單位設備，如加熱 器、冷卻器等，也可以不是獨立存在的，比如是某一工藝 設備的組成部分。熱換器的不斷更新發(fā)展不僅是熱換器行 業(yè)自身的發(fā)展，更是為使用熱換器的各個工業(yè)行業(yè)的能源 問題的解決提供好的途徑。

一、換熱器的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

對于各型換熱器的強化換熱技術(shù)的研究，主要集中在對 換熱器內(nèi)流體流態(tài)變化以及對各部件的參數(shù)優(yōu)化研究兩方 面，而對換熱器部件參數(shù)的主要研究對象就是換熱管(板)排 列方式(順排或叉排)、換熱管(板)排數(shù)、換管(板)間距大 小、肋片布置問距、肋片形狀等。國內(nèi)對于換熱器肋片換熱 的研究起步比較晚、經(jīng)驗比較少，多借鑒于國外，無論是理論 研究還是實驗研究都還需進一步深入，技術(shù)創(chuàng)新還不夠，但 是對各因素對換熱器性能影響的研究也比較全面?？偟膩?說，仍然存在以下問題:(1)換熱器換熱的理論研究不夠完 善，可供對肋片實際應用優(yōu)化設計的理論依據(jù)太少，對于換 熱公式推導出的解析解較少，目前大多是通過試驗、數(shù)據(jù)分 析擬和而成的經(jīng)驗公式;(2)換熱的理論體系缺乏系統(tǒng)性，不夠完善;(3)因為試驗環(huán)境、材料、儀器的精度以及試驗方 法不同，在同一個研究方向的某些問題的研究結(jié)論存在的分 歧較多，很難形成統(tǒng)一的意見，暫不能形成對實踐的可靠指 導;(4)目前對換熱器的研究大多基于一維、二維的換熱，國 內(nèi)對于三維的換熱模型的研究過少，同時，對于一維和二維 傳熱模型的前提假設條件很苛刻，得出的結(jié)論適用性不強;(5)結(jié)合試驗建立的部分換熱理論還缺乏嚴謹性和局限性。

一、熱換器的工作原理1.工作原理 換熱器按照傳熱原理可以分為表面式換熱器、蓄熱式 換熱器、流體連接間接式換熱器、直接接觸式換熱器。但 總的來說，換熱器就是遵循了熱平衡的原理，簡而言之就 是把高溫物體的熱量傳送給低溫物體。在傳熱工程中，其

內(nèi)部有兩個管道回路，一個是熱源溫度高，另一個溫度低 是被加熱源，通過熱源將熱量傳輸給被加熱源來提高被加 熱源的溫度。而且在加熱源之前有個調(diào)節(jié)閥用來控制被 加熱源的溫度，用調(diào)節(jié)閥來控制所需的熱量的程度和時間 點等。

二、典型的熱換器類型 1.管式換熱器 管式換熱器主要分為套管式換熱器和管殼式換熱器。套管式換熱器如字面意思，是將直徑不同的管進行同心套 接，然后將多個元件用u型彎管連接而成的。而管殼式換熱 器是由殼體、折流板等部分組成，管束安裝在殼體內(nèi)部，再把一端或者兩端固定在管板上面。而管板與管箱的連接 方式也多種多樣了，可以焊接也可以用螺栓，但是連接處 的檢測就需要格外嚴格了，要充分保障連接處無縫隙，質(zhì)量確保。套管式換熱器運用范圍主要是用于傳熱面積需 求不大的地方，只能小范圍運用，主要是小空間的建筑室 內(nèi)。因為他的占地面積較大，管與管連接所用的接頭過 多，發(fā)生泄漏的可能性也隨之增大，如果工程量過大就會 使得發(fā)生泄漏的可能性也隨之增大，后期的危險性大，承 擔過大風險造成不必要的費用。所用材料多，物質(zhì)流動的 阻力也增大，加熱的效率降低，而且能覆蓋的面積也減少 了。但是它的優(yōu)點是組合方式簡單易懂，損壞后無需專人 也能大概看懂問題所在，所需的專業(yè)知識少。維修清洗便 捷，適合高溫、高壓的流體物質(zhì)使用。管殼式換熱器依靠 其結(jié)構(gòu)簡易、安全性能高、承受高溫高壓能力強等優(yōu)良性 能，所以在目前的大多數(shù)工業(yè)工程中使用比例大。管殼式 換熱器按照不同的分類標準可以分為不同的種類。根據(jù)其 結(jié)構(gòu)不同可以分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U 型管式換熱器等等。

2.板面式換熱器 板面式換熱器顧名思義就是通過板面進行換熱的換熱 器。板面一般不是平滑的表面，是有凹凸不平的紋路，流 體通過板面時造成擾動提高熱效率。板面式換熱器的優(yōu)點 是占地面積較小，能省下更大的空間，也會對室內(nèi)的美觀 減少影響。相比于管殼式換熱器，板面式質(zhì)量更輕，所用 的材料更少，而且凹凸不平的版面使得傳熱效率更高。由 于其結(jié)構(gòu)特點，使得流體能在較低的速度下就到達端流狀 態(tài)，加強了傳熱，節(jié)省了不少時間，提高效率。但是板式 換熱器流道狹窄，處理量小，流動阻力大，承受高壓高溫 效果也較差的缺點。板面式換熱器形式多種多樣，可分為 板式換熱器、板殼式換熱器、螺旋板式換熱器傘板式換熱 器等等。螺旋式換熱器由于其螺旋狀的外形，能促使流體 隨螺旋狀自動流動，易于沖刷，不易結(jié)垢。

三、換熱器未來發(fā)展趨勢

未來工業(yè)生產(chǎn)上對換熱器的要求是：傳熱效率高、流 體阻力小；強度、剛度、穩(wěn)定性都要足夠；結(jié)構(gòu)合理，節(jié) 省材料，成本較低；制造、裝拆、檢修方便等。產(chǎn)品高效 化、節(jié)能化、大型化都將是換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。國家 要大力建設節(jié)約型環(huán)保社會，這一方面將促進換熱器產(chǎn)業(yè) 的高速發(fā)展，國家提供足夠的支持力度，刺激換熱器行業(yè) 的積極性。另一方面也將引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)向高效、環(huán)保、節(jié)能方 面發(fā)展。2013年，國務院頒布了《能源發(fā)展的“十二五” 規(guī)劃》，規(guī)劃中的條例表明了基于石油、化工等行業(yè)的需 求將穩(wěn)定增長。市場的廣闊需求和國家的大力支持都推動 著換熱器產(chǎn)業(yè)在技術(shù)上的革新和在品種上的多樣化趨勢。國家的資金和政策支持引領(lǐng)更多的人才投入和精力投入，必然推動換熱器行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

四、總結(jié) 隨著經(jīng)濟發(fā)展，工業(yè)化進程加快，能源短缺問題成為 世界性難題，新能源的開發(fā)、節(jié)能環(huán)保都成為世界共同關(guān) 注的話題。近年來，國內(nèi)換熱器行業(yè)在節(jié)能增效、提高傳 熱效率、降低降壓方面都取得了顯著的成績。但是在技術(shù) 上，與國外的換熱器相比依然有很多難題需要去克服。我 國在換熱、散熱、冷卻設備上都是強大的重要的市場，市 場需求量大?；趪艺叩闹С趾褪袌鋈找嬖鲩L的需求 量，我國換熱器產(chǎn)業(yè)具有一個很好的前景，是蓬勃發(fā)展的 朝陽企業(yè)。

參考文獻 [1]祝銀海,厲彥忠.板翅式換熱器翅片通道中流體流動與傳熱的算流 體力學模擬[J].化工學報,2006,57(5):1102-1106.[2]陳永東，陳學東.LNG成套裝置換熱器關(guān)鍵技術(shù)分析[J].天然氣工 業(yè)，2010，30(1)：96-100.[3]陳永東，周兵，程沛.LNG工廠換熱技術(shù)的研究進展[J].天然氣工 業(yè)，2012，32(10)：80-85.

第三篇：南昌大學食品列管式換熱器設計書

食品工程原理課程設計

設計題目：列管式換熱器的設計

班級：

設計者：

學號：

設計時間：2013 年 5 月 12 日~19 日

指導老師： 食品工程原理課程設計

目錄

1.1 概述.............................................................................................................................................3

1.2 換熱器的結(jié)構(gòu)與類型..................................................................................................................3

1.2.1 列管式換熱器的基本構(gòu)型與流體行程.....................................................................................4

1.2.2 列管式換熱器的類型.................................................................................................................5

1.3 列管式換熱器的主要部件...........................................................................................................7

1.3.1 換熱管.........................................................................................................................................7

1.3.2 管板.............................................................................................................................................9

1.3.3 封頭、管箱、分程隔板.............................................................................................................9

1.3.4 折流擋板的選用.......................................................................................................................10

1.3.5 其他主要部件...........................................................................................................................10

1.4 固定管板式換熱器的優(yōu)點.........................................................................................................11

1.5 確定設計方案............................................................................................................................12

1.5.1 選擇換熱器的類型...................................................................................................................12

1.5.2 流體流動途徑的選擇...............................................................................................................12

1.6 傳熱過程工藝計算....................................................................................................................13

1.6.1 冷熱流體的物理性質(zhì)...............................................................................................................13

...............................................................................................................14 1.6.2 傳熱面積的初步計算

1.7 核算...........................................................................................................................................16

.......................................................................................................................16 1.7.1 傳熱系數(shù)的計算 1.7.2 核算傳熱面積 A0......................................................................................................................19 1.7.3 核算壓力降...............................................................................................................................20 1.6.3 結(jié)構(gòu)設計及計算........................................................14

1.8 主要附屬件的選定....................................................................................................................23

1.8.1 接管直徑...................................................................................................................................23

1.8.2 封頭的選用...............................................................................................................................24

1.8.3 管板的選擇...............................................................................................................................24

1.8.4 管板與管子連接.......................................................................................................................25

1.8.5 管箱的選擇...............................................................................................................................25

1.8.6 定距管.......................................................................................................................................26

1.8.7 拉桿的選擇及數(shù)量...................................................................................................................26

1.8.8 各零件的選用...........................................................................................................................27

1.9 主題裝置圖的繪制（見 A1 圖紙）...........................................................................................27

2.0 附表...........................................................................................................................................27

2.1 收獲及感想.........................................................................................................錯誤!未定義書簽。

2.2 主要參考文獻............................................................................................................................30 / 32

食品工程原理課程設計

《食品工程原理及單元操作》課程設計任務

班級：

姓名：

設計一臺用飽和水蒸氣（表壓 400～500kPa）加熱水的列管式固 定管板換熱器，水流量為 80（t/h），水溫由20℃ 加熱到 60℃。

1、設計項目：

①熱負荷

②傳熱面積 ④外殼直徑及長度 ⑤接管直徑

2.設備圖主視圖、左視圖（部分剖）。0 號、1 號或 A4 紙（4 號）畫圖 3.設備管口表零部件明細表，標題欄表。

管子排列 外殼及管板厚度 ③⑥2 / 32

食品工程原理課程設計

1.1 概述

在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。35％～40％。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計、制造、結(jié)構(gòu)改進及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。

隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。按用途不同可分為：加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過熱器等。按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式，列管式換熱器是間壁式換熱器的主要類型，也是應用最普遍的一種換熱設備。按其結(jié)構(gòu)類型分，有列管式、板面式、版殼式、螺旋板式、板翅式、管翅式等。

列管式換熱器發(fā)展 較早，設計資料和技術(shù)數(shù)據(jù)較完整，目前在許多國家都已有系列化標準產(chǎn)品。雖然在換熱效率、緊湊性材料消耗等方面還不及一些新型換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固、耐用，適應性強，操作彈性大，成本較低等優(yōu)點，因此仍是化工、石化、石油煉制等工業(yè)中應用最廣泛的換熱設備。

1.2 換熱器的結(jié)構(gòu)與類型 / 32

食品工程原理課程設計

1.2.1 列管式換熱器的基本構(gòu)型與流體行程

列管式換熱器主要由殼體、換熱管束、管板、封頭等部件組成，圖 2-1 為它的基本構(gòu)型，此式為臥式換熱器，此外還有立式的。在圓

筒形的殼體內(nèi)裝有換熱管束，管束安裝固定在殼體內(nèi)兩端的管板上。

封頭用螺絲釘與殼體兩端的法蘭連接，如需檢修或清洗，課將封頭蓋

拆除。

圖 2-1 列管式換熱器的基本構(gòu)型

冷熱流體在列管式換熱器內(nèi)進行熱交換時，一種流體在管束與殼

體間的環(huán)隙內(nèi)流動，其行程稱為殼程；另一種流體在換熱管內(nèi)流動，其行程成為管程。如需換熱器較大傳熱面積時，則應排列較多的換熱

管束。為提高管程流體流速，強化傳熱，可將換熱管分為若干組，稱

為多管程。同樣，為提高殼程流體的渦流程度，以提高對流傳熱系數(shù)，強化傳熱，可在殼體內(nèi)安裝橫向式或縱向式的折流擋板。這樣，殼程

流體的流速和流向可不斷發(fā)生改變，使雷諾數(shù)在較低時

就 能達到湍流。/ 32

第四篇：換熱器原理與設計期末復習題重點

換熱器原理與設計期末復習題重點

第一章

1.填空：

1．按傳遞熱量的方式，換熱器可以分為間壁式,混合式,蓄熱式

2.對于沉浸式換熱器，傳熱系數(shù)低，體積大，金屬耗量大。

3.相比較沉浸式換熱器和噴淋式換熱器，沉浸式換熱器傳熱系數(shù)較低，噴淋式換熱器冷卻水過少時，冷卻器下部不能被潤濕.4.在沉浸式換熱器、噴淋式換熱器和套管式換熱器中，套管式換熱器中適用于高溫高壓流體的傳熱。

5.換熱器設計計算內(nèi)容主要包括熱計算、結(jié)構(gòu)計算

流動阻力計算和強度計算

6.按溫度狀況來分，穩(wěn)定工況的和

非穩(wěn)定工況的換熱器

7.對于套管式換熱器和管殼式換熱器來說，套管式換熱器金屬耗量多，體積大，占地面積大，多用于傳熱面積不大的換熱器。

2.簡答：

1.說出以下任意五個換熱器，并說明換熱器兩側(cè)的工質(zhì)及換熱方式

答：如上圖，熱力發(fā)電廠各設備名稱如下：

1．鍋爐(蒸發(fā)器)

*；

2．過熱器*；

3．省煤器*

4．空氣預熱器*；

5．引風機；

6．煙囪；

7．送風機；

8．油箱

9．油泵

0．油加熱器*；

11．氣輪機；

12．冷凝器*；

13．循環(huán)水冷卻培*

14．循環(huán)水泵；

15．凝結(jié)水泵；16．低壓加熱器*；

17．除氧(加熱)器*；18．給水泵

19．高壓加熱器·

柱!凡有·者均為換熱器

2．比較沉浸式換熱器、噴淋式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器的優(yōu)缺點

答：⑴沉浸式換熱器

缺點：自然對流，傳熱系數(shù)低，體積大，金屬耗量大。

優(yōu)點：

結(jié)構(gòu)簡單，制作、修理方便，容易清洗，可用于有腐蝕性流體

⑵噴淋式換熱器：

優(yōu)

點：結(jié)構(gòu)簡單，易于制造和檢修。換熱系數(shù)和傳熱系數(shù)比沉浸式換熱器要大，可以用來冷卻腐蝕性流體

缺點：冷卻水過少時，冷卻器下部不能被潤濕，金屬耗量大，但比沉浸式要小

⑶套管式換熱器：

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，適用于高溫高壓流體的傳熱。特別是小流量流體的傳熱，改變套管的根數(shù)，可以方便增減熱負荷。方便清除污垢，適用于易生污垢的流體。

缺點：流動阻力大，金屬耗量多，體積大，占地面積大，多用于傳熱面積不大的換熱器。

⑷管殼式換熱器：

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，選材范圍廣，處理能力大，還可以適應高溫高壓的流體。可靠性程度高

缺點：與新型高效換熱器相比，其傳熱系數(shù)低，殼程由于橫向沖刷，振動和噪音大

3.舉例說明5種換熱器，并說明兩種流體的傳熱方式？說明兩種流體的傳熱機理？

1）蒸發(fā)器：間壁式，蒸發(fā)相變—導熱—對流

2）冷凝器：間壁式，冷凝相變—導熱—對流

3）鍋爐：間壁式，輻射—導熱—對流

4）涼水塔：混合式，接觸傳熱傳質(zhì)

5）空氣預熱器：蓄熱式，對流—蓄熱，蓄熱—對流

第一章

1.填空：

1．傳熱的三種基本方式是_導熱__、____對流__、和

輻射_。

2..兩種流體熱交換的基本方式是___直接接觸式___、_間壁式_、和___蓄熱式_。

3．采用短管換熱，由于有入口效應，邊界層變薄，換熱得到強化。

4．采用螺旋管或者彎管。由于拐彎處截面上二次環(huán)流的產(chǎn)生，邊界層遭到破壞，因而換熱得到強化，需要引入大于1修正系數(shù)。

5．通常對于氣體來說，溫度升高，其黏度增大，對于液體來說，溫度升高，其黏度減小

6．熱計算的兩種基本方程式是_傳熱方程式__和熱平衡式_。

7．對于傳熱溫差，采用順流和逆流傳熱方式中，順流

傳熱平均溫差小，逆流時傳熱平均溫差大。

8.當流體比熱變化較大時，平均溫差常常要進行分段計算。

9.在采用先逆流后順流<1-2>型熱效方式熱交換器時，要特別注意溫度交叉問題，避免的方法是增加管外程數(shù)和兩臺單殼程換熱器串聯(lián)工作。

10.冷凝傳熱的原理，層流時，相對于橫管和豎管，橫管傳熱系數(shù)較高。

11.對于單相流體間傳熱溫差，算術(shù)平均溫差值大于對數(shù)平均溫差

12.管內(nèi)流體的換熱所遵守的基本準則為努賽爾準則數(shù)，其大小與雷諾數(shù)、普蘭特數(shù)和格拉肖夫數(shù)有關(guān)

13．設計計算時，通常對傳熱面積進行判定，校核計算時，通常對傳熱量進行判定

2.簡答（或名詞解釋）：

1.什么是效能數(shù)？什么是單元數(shù)？（要用公式表示）

答：實際情況的傳熱量q總是小于可能的最大傳熱量qmax，我們將q/qmax定義為換熱器的效能，并用

e

表示，即

換熱器效能公式中的KA依賴于換熱器的設計，Wmin

則依賴于換熱器的運行條件，因此，KA/Wmin在一定程度上表征了換熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟性能，習慣上將這個比值（無量綱數(shù)）定義為傳熱單元數(shù)NTU

2.熱交換器計算方法的優(yōu)缺點比較？

對于設計性熱計算，采用平均溫差法可以通過Ψ的大小判定所擬定的流動方式與逆流之間的差距，有利于流動方式的選擇。

而在校核性傳熱計算時，兩種方法都要試算。在某些情況下，K是已知數(shù)值或可套用經(jīng)驗數(shù)據(jù)時，采用傳熱單元書法更加方便

假設的出口溫度對傳熱量Q的影響不是直接的，而是通過定性溫度，影響總傳熱系數(shù)，從而影響NTU，并最終影響

Q值。而平均溫差法的假設溫度直接用于計算Q值，顯然e-NTU法對假設溫度沒有平均溫差法敏感，這是該方法的優(yōu)勢。

3、傳熱的基本方式有哪幾種？

答：分為三種，熱傳導，熱對流和輻射

熱傳導

熱量從物體內(nèi)部溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分或者傳遞到與之相接觸的溫度較低的另一物體的過程稱為熱傳導，簡稱導熱。

熱對流

流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞，稱為熱對流，對流只能發(fā)生在流體中。

熱輻射

輻射是一種通過電磁波傳遞能量的過程。物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過程，稱為熱輻射。

4、流體換熱的基本方式有哪些？

答：主要分為三種：直接接觸式傳熱，蓄熱式換熱和間壁式換熱。

直接接觸式傳熱

直接接觸式傳熱的特點是冷、熱兩流體在換熱器中以直接混合的方式進行熱量交換，也稱混合式換熱。

蓄熱式換熱

蓄熱式換熱器是由熱容量較大的蓄熱室構(gòu)成。室中充填耐火磚作為填料，當冷、熱流體交替的通過同一室時，就可以通過蓄熱室的填料將熱流體的熱量傳遞給冷流體，達到兩流體換熱的目的。

間壁式換熱

間壁式換熱的特點是冷、熱流體被一固體隔開，分別在壁的兩側(cè)流動，不相混合，通過固體壁進行熱量傳遞。

5、流體傳熱的基本準則方程式為努賽爾準則，與哪些無因次方程有關(guān)？

答：根據(jù)量綱分析

努賽爾準則數(shù)與雷諾數(shù)、普蘭特數(shù)和格拉肖夫數(shù)有關(guān)

6．當換熱管分別為短管時和螺旋管時，換熱系數(shù)增加還是減少，為什么？

答：對于短管。入口效應，邊界層變薄，換熱得到強化。換熱系數(shù)增加。

對于螺旋管或者彎管。由于拐彎處截面上二次環(huán)流的產(chǎn)生，邊界層遭到破壞，因而換熱得到強化，需要引入修正系數(shù)，換熱系數(shù)增加。

7、當出現(xiàn)大溫差加熱流體時，分別對于氣體和液體，換熱系數(shù)增加還是減少，為什么？

答：當流體與壁面之間的溫差出現(xiàn)大溫差時，一般對氣體超過50℃，對水超過30

℃，對油超過10

℃

超過上述溫差時，氣體被加熱粘度增大，換熱能力減??；液體加熱時，液體粘度減小，換熱能力增大。

8、什么是對數(shù)平均溫差，算術(shù)平均溫差和積分平均溫差，它們之間的聯(lián)系和區(qū)別是什么？

答：

由于計算結(jié)果表達式中包含了對數(shù)項，我們稱之為對數(shù)平均溫差，例如我們將順流和逆流情況下對數(shù)平均溫差寫成如下統(tǒng)一形式

平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即

積分平均溫差的形式。

按比熱不同分段

按溫度等分段可得

算術(shù)平均溫差相當于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于相同進出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當

時，兩者的差別小于4％；當

時，兩者的差別小于2.3％。

當流體的比熱隨溫度變化不大時，采用對數(shù)平均溫差。

當流體的比熱隨溫度變化較大時（大于2-3倍時），采用對數(shù)平均溫差計算，誤差較大，這時應該采用積分平均溫差。

9、采用平均溫差法進行設計計算的步驟？

平均溫差法用作設計計算時步驟如下：

(1)假定傳熱系數(shù)，求得初始傳熱面積

(2)初步布置換熱面(實際傳熱面積)，計算出相應的傳熱系數(shù)。

(3)根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進、出口溫度中的那個待定的溫度。(約束）

(4)由冷、熱流體的4個進、出口溫度確定平均溫差?tm,計算時要注意保持修正系數(shù)Ψ具有合適的數(shù)值。

(5)由傳熱方程求出所需要的換熱面積A（與原傳熱面積比較)，并核算換熱面兩側(cè)有流體的流動阻力。

(6)如流動阻力過大，改變方案重新設計。

10.采用效能單元數(shù)法進行設計計算的步驟？

(1)

先假定一個流體的出口溫度，按熱平衡式計算另一個出口溫度

(2)

根據(jù)4個進出口溫度求得平均溫差?tm

(3)

根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應工作條件下的總傳熱系數(shù)k(或已知)

(4)

已知kA，按傳熱方程式計算在假設出口溫度下的?tm,得到Q

(5)

根據(jù)4個進出口溫度，用熱平衡式計算另一個Q，這個值和上面的Q，都是在假設出口溫度下得到的，因此，都不是真實的換熱量

(6)

比較兩個

Q

值，滿足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度，重復(1)-(6)，直至滿足精度要求。

11.對于冷凝換熱，臥式和立式換熱器選型選型及原因說明

膜狀冷凝

垂直管

水平管

一般來說，由于管子的長度遠大于管子的直徑，即L>>d,因而，水平管的凝結(jié)換熱系數(shù)大于垂直管的凝結(jié)換熱系數(shù)。

12.采用積分平均溫差適用的條件？

當流體的比熱隨溫度變化較大時（大于2-3倍時），采用對數(shù)平均溫差計算，誤差較大，這時應該采用積分平均溫差。

積分平均溫差的出發(fā)點：

雖然流體的比熱在整個溫度變化范圍內(nèi)是個變量，但是若把溫度范圍分成若干個小段，每個小段內(nèi)的溫度變化小，就可將流體的比熱當作常數(shù)來處理。

3.計算題

1.有一蒸汽加熱空氣的熱交換器，它將流量為5kg/s的空氣從10℃加熱到60℃，空氣與蒸汽逆流，其比熱為1.02KJ/(kg℃),加熱蒸汽系壓力為P=0.3Mpa,溫度為150℃的過熱蒸汽，在熱交換器中被冷卻為該壓力下90℃的過冷水，試求其平均溫差。（附：飽和壓力為0.3MP,飽和蒸汽焓為2725.5KJ/kg，飽和水焓為561.4KJ/kg.150℃時，水的飽和溫度為133℃，過熱蒸汽焓為2768

KJ/kg，90時，過冷水的焓為377

KJ/kg）

解：由于蒸汽的冷卻存在著相變，因此在整個換熱過程中，蒸汽的比熱不同，在整個換熱過程中的平均溫差應該分段計算再求其平均值。

將整個換熱過程分為三段：

過熱蒸汽冷卻為飽和蒸汽所放出的熱量Q1，相變過程的換熱量Q2，從飽和水冷卻到過冷水所放出的熱量Q3

Q=M2C2(t-t)=5×1.02×50＝255KJ/s；

根據(jù)熱平衡蒸汽耗量M1=Q/(i-i)=255/(2768-377)

=0.1066kg/s

因為在熱交換器換熱過程中存在著兩個冷卻過程和一個冷凝過程，因而將之分為三段計算。

Q1=

M1(i-i’)=0.1066×(2768-2725.5)=4.531

KJ/s

Q2=

M1(i’-i”)=0.1066×(2725.5-561.4)=230.693

KJ/s

Q3=

M1(i”-i)=0.1066×(561.4-377)=19.657

KJ/s

因為Q3＝M2C2(tb-t)，可得tb＝19.567/(5×1.02)+10=13.837℃

因為Q2+

Q3＝M2C2(ta-t),可得ta＝250.47/(5×1.02)+10=59℃

△t1=[(150-60)-(133-59)]/ln[(150-60)/(133-59)]=81.7℃

△t2=[(133-13.837)-(133-59)]

/ln[(133-13.837)/(133-59)]

=94.725℃

△

t3=[(90-10)-(133-13.837)]/

ln[(90-10)/

(133-13.837)]

=98.212

℃

總的平均溫差為：△tm=Q/(Q1/△t1+

Q2/△t2+

Q3/△t3)

=255/(4.531/81.7+230.693/94.725+19.657/98.212)

℃

=94.8℃

沿換熱器流程溫度示意圖如下：

2.在一傳熱面積為15.8m2,逆流套管式換熱器中，用油加熱冷水，油的流量為2.85kg/s，進口溫度為110℃,水的流量為0.667kg/s，進口溫度為35℃,油和水的平均比熱分別為1.9KJ/kg?℃和4.18KJ/kg

?℃,換熱器的總傳熱系數(shù)為320W/m2?℃,求水的出口溫度？

解：W1=2.85X1900=5415W/

℃

W2=0.667X4180=2788W/

℃

因此冷水為最小熱容值流體

單元數(shù)為

效能數(shù)為

所以：

3、一換熱器用100℃的水蒸汽將一定流量的油從20℃加熱到80℃。現(xiàn)將油的流量增大一倍，其它條件不變，問油的出口溫度變?yōu)槎嗌伲?/p>

注：

解：根據(jù)題意，相比較水蒸氣換熱為相變換熱的流體，油為熱容值小的流體

因此根據(jù)效能數(shù)和單元數(shù)的關(guān)系

可得：

現(xiàn)將油的流量增大一倍，其它條件不變，單元數(shù)減小為原來的0.5倍，因此

可得

解得。

4.某換熱器用100℃的飽和水蒸汽加熱冷水。單臺使用時，冷水的進口溫度為10℃，出口溫度為30℃。若保持水流量不變，將此種換熱器五臺串聯(lián)使用，水的出口溫度變?yōu)槎嗌伲靠倱Q熱量提高多少倍？

解：根據(jù)題意，將換熱器增加為5臺串聯(lián)使用，將使得傳熱面積增大為原來的5倍，相比較水蒸氣換熱為相變換熱的流體，水為熱容值小的流體，因此

因此根據(jù)效能數(shù)和單元數(shù)的關(guān)系

可得：

現(xiàn)將傳熱面積增大為原來的5倍，單元數(shù)增大為原來的5倍，由于

效能數(shù)為

水的出口溫度為

根據(jù)熱平衡式，對于冷水，熱容值不變，溫差增大的倍數(shù)為換熱量增加的倍數(shù)：

5.一用13℃水冷卻從分餾器得到的80℃的飽和苯蒸氣。水流量為5kg/s，苯汽化潛熱為395

kJ/kg，比熱為1.758

kJ/kg?℃，傳熱系數(shù)為1140

W/m2?℃。試求使1

kg/s苯蒸氣凝結(jié)并過冷卻到47℃所需的傳熱面積(1)順流；(2)逆流。

解：根據(jù)題意

(1)

順流時

由于有相變傳熱，因此比熱不同，需要分段計算平均傳熱溫差。

1)在苯相變冷凝段：

根據(jù)熱平衡式，苯的放熱量：

在相變段，水吸收熱為Qln

可得

：

平均溫差為

2)在苯冷卻段

在苯冷卻段，水吸收熱為Qlq

可得：

平均溫差為

總的平均溫差為

根據(jù)傳熱方程式：

可得

沿換熱器流程溫度示意圖如下：

(2)

逆流時

由于有相變傳熱，因此比熱不同，需要分段計算平均傳熱溫差。

1)在苯冷卻段

在苯冷卻段，水吸收熱為Qlq

可得：

平均溫差為

2)在苯相變冷凝段：

根據(jù)熱平衡式，苯的放熱量：

在相變段，水吸收熱為Qln

可得：

平均溫差為

總的平均溫差為

根據(jù)傳熱方程式：

可得

沿換熱器流程溫度示意圖如下：

第二章

1.填空：

1.根據(jù)管殼式換熱器類型和標準按其結(jié)構(gòu)的不同一般可分為：固定管板式換熱器、U型管式換熱器、浮頭式換熱器、和填料函式換熱器等。

2.對于固定管板式換熱器和U型管式換熱器，固定管板式換熱器適于管程走易于結(jié)垢的流體

3相對于各種類型的管殼式換熱器固定管板式換熱器不適于管程和殼程流體溫差較大的場合。

4.相對于各種類型的管殼式換熱器，填料函式換熱器不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度受填料的物性限制。

5．管子在管板的固定，通常采用脹管法和焊接法

6.在管殼式換熱器中，管子的排列方式常有等邊三角形排列（正六角形排列）法、同心圓排列法和正方形排列法排列法。

7.如果需要增強換熱常采用等邊三角形排列（正六角形排列）法、，為了便于清洗污垢，多采用正方形排列。同心圓排列法使得管板的劃線、制造和裝配比較困難。

8.為了增加單位體積的換熱面積，常采用小管徑的換熱管

9.為了提高殼程流體的流速和湍流強度，強化流體的傳熱，在管外空間常裝設縱向隔板和折流板。

10.折流板的安裝和固定通過拉桿和定距管

11.殼程換熱公式Jo=jHjcjljbjsjr，其中jb表示管束旁通影響的校正因子，jl表示折流板泄漏影響的校正因子。jc表示折流板缺口的校正因子

12.管殼式換熱器理想殼程管束阻力包括理想錯流段阻力?Pbk和理想缺口段阻力?Pwk。

13.管殼式換熱器的實際阻力要考慮考慮折流板泄漏造成的影響Rl，旁路所造成的影響Rb,和進出口段折流板間距不同對阻力影響Rs

14.在廷克流動模型中ABCDE5股流體中，真正橫向流過管束的流路為B股流體,D股流體折流板與殼體內(nèi)壁存在間隙而形成的漏流,設置旁路擋板可以改善C流路對傳熱的不利影響

15.若兩流體溫差較大，宜使傳熱系數(shù)大的流體走殼程，使管壁和殼壁溫差減小。

16.在流程的選擇上，不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，因管內(nèi)清洗方便。被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，腐蝕性流體宜走管程，流量小或粘度大的流體宜走殼程，因折流檔板的作用可使在低雷諾數(shù)(Re＞100)下即可達到湍流。

17.采用小管徑換熱器，單位體積傳熱面積增大、結(jié)構(gòu)緊湊、金屬耗量減少、傳熱系數(shù)提高

18.流體誘發(fā)振動的原因是渦流脫落，湍流抖振和流體彈性旋轉(zhuǎn)

19.減小管子的支撐跨距能增加管子固有頻率，在弓形折流板缺口處不排管，將減小管子的支撐跨距

20．蒸發(fā)器的三種溫降分別為物理化學溫降

?′，靜壓溫降?″和流動阻力溫降?“’

21.管殼式換熱器的設計標準應遵循GB151標準和GB150標準

22.為了提高換熱效果，對于輻射式換熱器，應增大流通截面積，對于對流式換熱器，應減小流通截面積。

2.名詞解釋：

(1).卡路里溫度

對于油類或其他高粘度流體，對于加熱或冷卻過程中粘度發(fā)生很大變化，若采用流體進出口溫度的算術(shù)平均溫度作為定性溫度，往往會使換熱系數(shù)的數(shù)值有很大誤差，雖然可以分段計算，但是工作量較大，工業(yè)上常采用卡路里溫度作為定性溫度。

熱流體的平均溫度

冷流體的平均溫度

殼側(cè)流體被管側(cè)的水冷卻時

Fc=0.3

殼側(cè)流體被管程的水蒸氣加熱時

Fc=0.55

殼側(cè)和管側(cè)均為油時

Fc=0.45

粘度在10-3Pa?s以下的低粘性液體

Fc=0.5

(2).布管限定圓

熱交換器的管束外緣受殼體內(nèi)徑的限制，因此在設計時要將管束外緣置于布管限定圓之內(nèi)，布管限定圓直徑Dl大小為

浮頭式：

固定板或U型管式

3.簡答：

(1).試分析廷克流動模型各個流路及其意義

答：

(1)

流路A，由于管子與折流板上的管孔間存在間隙，而折流板前后又存在壓差所造成的泄漏，它隨著外管壁的結(jié)垢而減少。

(2)

流路B，這是真正橫向流過管束的流路，它是對傳熱和阻力影響最大的一項。

(3)

流路C，管束最外層管子與殼體間存在間隙而產(chǎn)生的旁路，此旁路流量可達相當大的數(shù)值。設置旁路擋板，可改善此流路對傳熱的不利影響。

(4)

流路D，由于折流板和殼體內(nèi)壁間存在一定間隙所形成的漏流，它不但對傳熱不利，而且會使溫度發(fā)生相當大的畸變，特別在層流流動時，此流路可達相當大的數(shù)值。

(5)

流路E，對于多管程，因為安置分程隔板，而使殼程形成了不為管子所占據(jù)的通道，若用來形成多管程的隔板設置在主橫向流的方向上，他將會造成一股（或多股）旁路。此時，若在旁通走廊中設置一定量的擋管，可以得到一定的改善。

(2).說明下列換熱器的型號

1)

BEM600-2.0/1.5-250-5/19-4Ⅰ

固定管板式換熱器：前端管箱為封頭管箱，殼體型式為單殼程，后端管箱為封頭管箱，公稱直徑600mm，管程壓力為2.0Mpa,殼程壓力為1.5Mpa，公稱換熱面積250m2,管長為5m，管外徑為19mm，4管程，Ⅰ級管束，較高級冷拔鋼管。

2)

固定管板式換熱器：前端管箱為封頭管箱，殼體型式為單殼程，后端管箱為封頭管箱，公稱直徑800mm，管程壓力為2.0Mpa,殼程壓力為1.0Mpa，公稱換熱面積254m2,管長為6m，管外徑為19mm，4管程，銅管。

3)

BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2Ⅰ

U型管式換熱器：前端管箱為封頭管箱，中間殼體為U型管式，后端為U型管束。公稱直徑500mm，管程壓力為4.0Mpa,殼程壓力為1.6Mpa，公稱換熱面積75m2,管長為6m，管外徑為19mm，2管程Ⅰ級管束，較高級冷拔鋼管。

4)

平蓋管箱，公稱直徑500mm,管程和殼程的設計壓力均為1.6MPa，公稱換熱面積為54m2,碳素鋼較高級冷拔換熱管外徑25mm，管長6m，4管程，單殼程的浮頭式熱交換器。Ⅰ級管束，較高級冷拔鋼管。

(3).找出下列圖中，換熱器的名稱及各零部件名稱和及作用

1)

固定管板式換熱器

1.折流板---使殼程流體折返流動，提高傳熱系數(shù)。支撐管束，防止彎曲

2.膨脹節(jié)---補償管殼式式換熱器的溫差應力

3.放氣嘴---釋放不凝結(jié)氣體

2)浮頭式換熱器

1.管程隔板---增大管程流體的流速

2.縱向隔板---提高殼程流體的流速和湍流強度，強化流體的傳熱，在管外空間常裝設縱向隔板

3.浮頭---補償管殼式式換熱器的溫差應力

3)U形管式換熱器

1.U形管---使流體通過及換熱

2.縱向隔板---提高殼程流體的流速和湍流強度，強化流體的傳熱，在管外空間常裝設縱向隔板

3.管程隔板---增大管程流體的流速

4)

請說出序號2、6、7、8、18各代表什么零件，起什么作用？

2----管程接管法蘭，與換熱器管程外流路官路連接；

6---拉桿，安裝與固定折流板；

7---膨脹節(jié)，補償管子與殼體熱應力不同；

8---殼體，用來封裝殼程流體，并承受殼程流體壓力,18---折流板-使殼程流體折返流動，提高傳熱系數(shù)。支撐管束，防止彎曲

第三章

第一節(jié)：

1.填空：

1.熱交換器單位體積中所含的傳熱面積的大小大于等于700m2/m3，為緊湊式換熱器

2.通常采用二次表面來增加傳熱表面積，或把管狀的換熱器改為板狀表面，3.螺旋板式熱交換器的構(gòu)造包括螺旋型傳熱板、隔板、頭蓋和連接管

4.螺旋板式換熱器的螺旋板一側(cè)表面上有定距柱，它的作用主要是保持流道的間距、加強湍流、和增加螺旋板剛度。

5.在Ⅲ型螺旋板式熱交換器中：一側(cè)流體螺旋流動，流體由周邊轉(zhuǎn)到中心，然后再轉(zhuǎn)到另一周邊流出。另一側(cè)流體只作（），適用于有相變流體換熱

2.簡答

1)

說明下列換熱器的型號

換熱面積為80m2,碳鋼不可拆螺旋板式換熱器，其兩螺旋通道的舉例分別為14mm和18mm，螺旋板的板的板寬為1000mm，公稱壓力為1.6MPa,公稱直徑為1600mm.貫通型

3.計算：

(1).設螺旋板的板厚為4mm，兩通道寬b1和b2為10mm和20mm，內(nèi)側(cè)有效圈數(shù)為3，d1為100mm，以d1為基準半圓直徑繞出的螺旋板作為內(nèi)側(cè)板時，d2為基準半圓直徑繞出的螺旋板作為外側(cè)板時試作圖繪制螺旋體，并計算中心隔板寬B,基準半圓直徑d2，內(nèi)側(cè)螺旋板總長度Li,外側(cè)螺旋辦總長度

Lo，螺旋板最大外徑D等參數(shù)

解：（1）B=d1-b1+δ=100-10+4=94mm

因為B=d1-b1+δ=

d2-b2+δ，可推導d2=

d1-b1+

b2=110mm，c=

b1+

b2+2δ=10+20+8=38

t1=10+4=14,t2=20+4=24

因為n=n=3，以d1為基準半圓直徑繞出的，所以

Li=/2{n（d1+2b1+4δ+d2）+2（n-n）c}

=/2{3（100+20+16+110）+2(9-3)38}

=/21194

=1876mm

Lo=/2{n（d1+2b2+4δ+d2）+(d2+δ)+2nc}

=/2{3(100+40+16+110)+(110+4)+2938}

=/21596

=2507mm

D=

d2+2nc+2δ=110+2338+24=346mm

分別以t1/2，t2/2，為內(nèi)側(cè)螺旋板和外側(cè)螺旋板的圓心,畫出螺旋板換熱器示意圖如下圖所示

第二節(jié)

1.填空：

1.板式換熱器按構(gòu)造可以劃分為可拆卸、全焊式和串焊式

2.可拆卸板式換熱器結(jié)構(gòu)由傳熱板片，密封墊片，壓緊裝置和定位裝置組成2.簡答：

1）.說明下列換熱器的型號

人字形波紋板式損熱器，單片公稱換熱面積0.05m2,設備總的公稱換熱面積2m2,設計壓力8×105Pa，設計溫度120

℃組裝形式

2）.BR0.3-1.6-20-F-?

板式熱交換器：人字形波紋，單板公稱換熱面積為0.3m2，設計壓力為1.6MPa，換熱面積為20m2，氟橡膠墊片密封的雙支撐框架結(jié)構(gòu)的板式熱交換器。

3）BPl.0–1.0–1002–E–Ⅱ

波紋形式為水平平直波紋，單板公稱換熱面積為l.0

m2，設計壓力為1.0

MPa，換熱面積為100

m2。用三元乙丙墊片密封的帶中間隔板雙支撐框架結(jié)構(gòu)的板式換熱器，4）.板式換熱器的流程和通道配合為，其中甲流體為熱流體，乙流體為冷流體

甲流體進

乙流體出

甲流體出

乙流體進

3名詞解釋：

1）熱混合：

為了使換熱器更好地滿足傳熱和壓力降的要求，傳熱流體流經(jīng)混合板流道就相當于其單獨流過這兩種傾角的板片各自組成的流道后再混合，所以此種組合而成的板式熱交換器在性能上體現(xiàn)了一種“熱混合”

采用方法：

⑴每兩種波紋傾角不同的人字形板片相疊組裝成一臺板式熱交換器

⑵各自分段采用波紋傾角不同的人字形板片組裝成一臺板式熱交換器

⑶將流道數(shù)分段組裝，進一步實現(xiàn)熱混合第三節(jié)

1.填空：

1.板翅式換熱器由隔板、翅片、封條基本單元和導流片和封頭組成簡答：

1.對于板翅式熱交換器，兩個熱通道之間相隔三個冷通道A、B、C，冷熱通道的翅高均為H，求每個冷通道的定性尺寸及翅片效率。

2.簡答：

1）說明定性尺寸及翅片效率

定型尺寸為b，翅片效率為η=tan(mb)/(mb)

對于冷通道A，定性尺寸為H，翅片效率為ηA=tan(mH)/(mH)，對于冷通道B，定性尺寸為1.5H，翅片效率為ηA=tan(1.5mH)/(1.5mH)，對于冷通道C，定性尺寸為H，翅片效率為ηC=tan(mH)/(mH)，單相強化換熱方面：

1．根據(jù)場協(xié)同理論，當溫度場和速度場夾角為，換熱器傳熱系數(shù)最大。

2．相對于螺旋槽管和光管，的換熱系數(shù)高，的防結(jié)垢性能好。

3．對于螺旋槽管和橫紋槽管，其傳熱面積沒有得到有效提高

4.按照強化傳熱的方法可分為主動強化傳熱方法和被動強化傳熱方法

5.對螺旋管起強化傳熱的流動主要為螺旋流和二次流

6.相同壁厚，管徑的螺旋槽管的結(jié)構(gòu)強度大于同等條件的光管。

7.低肋管和內(nèi)肋管的傳熱面積得到有效提高

8.當雷諾數(shù)較高時，管內(nèi)插入螺旋線的傳熱強化效果明顯。

9.一般而言，靜態(tài)混合器的阻力損失大

10.螺旋扁管換熱器不需要安裝折流板。

11.百葉窗翅片的傳熱機理與交叉翅片的傳熱機理類似。

12.C管和花瓣形翅片為三維翅片管。

相變強化換熱方向：

1.一般而言，粗糙表面的沸騰傳熱系數(shù)大于光滑表面的沸騰傳熱系數(shù)，過熱度小于光滑表面

2.對于冷凝換熱，翅片頂部應該有較小的曲率半徑，翅片底部有較大的排液空間。

3.對于花瓣形管，由于齒底被完全切割開，因而其傳熱系數(shù)稍大于同等條件下得C管

4.

第五篇：固定管板換熱器優(yōu)化設計分析論文

一、引言

換熱設備是核電、化工、石油及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的設備，其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適用性，至今仍占據(jù)主導地位。在固定管板換熱器中，殼體，管板和換熱管之間為剛性連接，在各種載荷作用下的變形必須互相協(xié)調(diào)。本文采用有限元分析的方法，計算固定管板換熱器在內(nèi)壓和溫度載荷耦合場的作用下，其管板所受的應力，并分別計算了不同厚度的管板所受的應力，以獲得管板厚度與應力的關(guān)系。

二、工作條件與結(jié)構(gòu)

本文以核電廠的某冷卻器為例，該換熱器為固定管板式換熱器，殼體為Ф219.1×4mm，換熱管為Ф19×2mm，正三角形排列，管板上共布了26根管子，管板厚度為30mm，殼體厚度為4mm，殼側(cè)材料為022Cr19Ni10，管側(cè)材料為022Cr17Ni12Mo2。換熱器的設計參數(shù)如下:設計壓力:管程pt=0.66MPa，殼程ps=0.5MPa;設計溫度:管程進出口溫度為20℃～70℃，殼程流體發(fā)生相變，進出口溫度均為138.8℃。材料的彈性模量為E=2.1×105MPa，泊松比為ν=0.3。換熱管與管板的連接采用脹焊并用的方法，焊接后進行脹接。在之前的工程中出現(xiàn)過該換熱器由于工廠工藝限制，無法滿足換熱器的管子和管板之間拉脫力的要求，為此工廠不斷提高脹接壓力試圖達到所需的拉脫力。隨著脹接力的增加，殘余接觸應力的峰值也會增加，使換熱管在脹管區(qū)和非脹管區(qū)的應力都不斷增加，令管板內(nèi)的換熱管發(fā)生開裂，并且制造廠在提高脹接壓力后發(fā)現(xiàn)換熱管的壁厚減薄率超出適用范圍，無法滿足設計需求，最后只能通過增加脹接距離的方法來提高拉脫力，但在非脹管區(qū)進行脹接需要工廠操作控制得當，否則容易損壞焊縫，因此不推薦該做法。通過經(jīng)驗反饋，吸取以往的工程經(jīng)驗，將本換熱器重新進行優(yōu)化設計，考慮將管板的厚度增加，以滿足拉脫力的要求。理論上增加管板的厚度相當于加強其剛度，是降低應力的一個措施，到底是不是這樣還需要計算所得，通過有限元分析來獲取一個合適的管板厚度。因此接下來利用ANSYS熱結(jié)構(gòu)耦合場分析方法對管板進行分析。

三、有限元建模

以厚度為45mm的管板為模型，利用熱工計算出的換熱參數(shù)，對換熱器進行溫度場分析，完成熱分析后，再施加結(jié)構(gòu)載荷再通過耦合場分析，獲得管板的應力，分別計算不同厚度的管板其應力的大小來獲得管板厚度與應力的關(guān)系，來選擇最合適的管板厚度。(一)載荷與邊界條件。為了提高計算的精度，真實模擬換熱管與管板連接處各個部件的應力狀態(tài)，管箱、管板、換熱管和殼體均采用實體單元，為減少計算量，利用對稱功能將其簡化為1/4的實體分析模型，在殼側(cè)只保留一部分的外伸換熱管和殼體，外伸長度，設置材料參數(shù)屬性，并對其進行網(wǎng)格劃分，(二)熱分析施加載荷與邊界條件。熱分析過程中，只為模型添加熱載荷，不需添加力邊界條件。首先為模型添加對流傳熱方式，設置換熱器內(nèi)部流體與換熱器壁面為對流邊界，根據(jù)熱工計算結(jié)果，分別輸入殼程和管程的對流傳熱系數(shù)11432.1W/m2℃與2407.1W/m2℃，對換熱管的外表面、殼程筒體內(nèi)表面和管板殼側(cè)表面施加138.8℃的溫度載荷，并對換熱管的內(nèi)表面、管箱內(nèi)表面和管板管程表面施加20℃的溫度載荷。(三)結(jié)構(gòu)分析模型載荷與邊界條件。在熱分析后進行結(jié)構(gòu)分析，此時在換熱器的殼側(cè)和管側(cè)施加相應的壓力載荷;壓力載荷施加完成后再將熱分析得到的溫度分析結(jié)果作為載荷加載到模型上。力邊界條件為，在換熱器的對稱面上施加位移約束。

四、計算結(jié)果

(一)熱分析結(jié)果。為換熱器的溫度場分布云圖，通過熱分析可清楚看出換熱器在正常工況下各處的溫度分布情況?？梢姎んw和管側(cè)筒體的溫度分布較為均勻，管板與殼側(cè)筒體連接區(qū)域的溫度梯度較大。最大應力發(fā)生在管板與殼體連接的地方，靠近底部;分析原因，一是管板與殼體連接處溫度變化劇烈，從高溫急劇變化到低溫，該區(qū)域存在較大的溫差，于是受到的應力急劇增大;二是殼體與管板的厚度相差較大，造成了連接處的不連續(xù)性，形成了局部的應力集中;三是管板材料為022Cr17Ni12Mo2，殼體材料為022Cr19Ni10，兩種不同的材料性能存在差異。(二)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。結(jié)構(gòu)分析時，將熱分析的結(jié)果導入到結(jié)構(gòu)分析模塊中，溫度場分析所得的節(jié)點溫度作為載荷施加到模型上，同時施加力邊界條件，可見最大應力值發(fā)生在管板與管程筒體的連接處，其他較大應力的位置是殼程筒體與管板連接處和管板開孔的位置，這三個位置均為結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置，因為得到的應力較大。對其進行應力線性化，對應力進行評定，換熱器滿足工作要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。(三)管板厚度對比分析。以上的分析是以管板厚度45mm為例，獲得換熱器所受的應力，為了獲得不同管板厚度下?lián)Q熱器的應力分布，本節(jié)分別選擇管板厚度為30mm，45mm和60mm對其進行熱分析與結(jié)構(gòu)分析應力計算，可見當管板的厚度達到一定值后，增加管板的厚度并未降低所受應力，原因在于殼體壁厚較小(4mm)，兩者的剛度相差較大，換熱器結(jié)構(gòu)的變形和應力主要由管板和殼體之間的溫度載荷及內(nèi)壓引起，由于增加了管板的厚度，管板抵抗變形的剛度變大，對與之連接的殼體有較強的約束，形成局部的應力集中。因此選擇管板厚度45mm是比較合適的。經(jīng)工廠驗證，在該脹接距離下脹接壓力不超過200MPa就可以達到所需的拉脫力，管子的壁厚減薄率也滿足要求。

五、結(jié)語

第一，殼側(cè)與管側(cè)的溫差較大，由于溫差的存在會形成較大的溫差應力，因為溫度載荷對管板會造成較大的熱應力，因此對溫差較大的換熱器進行結(jié)構(gòu)熱耦合分析非常必要。第二，在施加了熱載荷和力邊界條件后，發(fā)現(xiàn)最危險的區(qū)域沒有發(fā)生在管板上，而是發(fā)生管板與殼體的連接處，因該處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，容易形成較大的應力。第三，管板厚度的增加并不一定能降低應力，管板的厚度需與殼體的厚度相匹配，以免造成局部的應力集中。采用有限元分析的方法將溫度場和結(jié)構(gòu)分析相耦合，通過計算管板在壓力載荷和溫度載荷聯(lián)合作用下的應力，優(yōu)化了管板的厚度，使其既滿足了拉脫力的要求又滿足了經(jīng)濟性要求，為管板強度的設計提供了借鑒。

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