摘 要

目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，主要方法有改变传热元件表面形状、增加流体绕流、制成多孔状热管表面、改变管束支撑形式。

本文设计的内容是通过导热油与水之间的换热来设计一个管壳式换热器。在设计中已给出导热油的进出口温度、流量和水的进口温度、流量。设计过程包括了物性数据的确定、传热量及平均温差、初选传热系数、估算传热面积。计算结束后对壳程总阻力进行校核，看是否在允许压降范围以内。

计算结果表明：在选择构成换热器传热面的管子时，选择碳钢管，采用无缝焊接工艺。根据传热管的内径和管程所需流通面积，需单程管数270根，取传热管长度为5.5米，一台传热面积233.2m^2.。折流板间距取0.5m，取折流板数目10块，校正的传热系数为478，传热面积为258.6m²。检测管壁温度时与假设的壁温相差了两度。壳程总阻力算得22057pa，可知设计的管壳式换热器在允许压降范围内。

关键词：管壳式换热器 设计 允许压降 传热系数 强化传热

Design of Shell - and - tube Heat Exchanger for 210T / h HD300 Heat Transfer Oil

ABSTRACT

At present, countries to improve the performance of such heat exchanger is mainly to strengthen the heat transfer, the main way to improve the heat transfer coefficient, expand the heat transfer area and increase the heat transfer temperature difference, etc.,The main method has to change the surface shape of the heat transfer element, increase the flow around the fluid, made of porous heat pipe surface, change the tube bundle support form.

The design of this article is through the heat transfer between the oil and water to design a shell and tube heat exchanger.In the design has been given heat transfer oil inlet and outlet temperature, flow and water inlet temperature, flow.The design process includes the determination of physical data, heat transfer and the average temperature difference, the primary heat transfer coefficient, estimated heat transfer area.After the calculation, check the total resistance of the shell side to see if it is within the allowable pressure drop range.

Calculations proves that:In the selection of the heat transfer surface of the tube, the choice of carbon steel pipe, the use of seamless welding process.According to the inner diameter of the heat transfer tube and the required flow area of the pipe, the number of single-pass pipe is 270, the length of the heat transfer tube is 5.5 meters, and the heat transfer area is 233.2m². The baffle spacing is 0.5m, the number of baffles is 10, the corrected heat transfer coefficient is 478, and the heat transfer area is 258.6m².The temperature at which the wall is detected is different from the assumed wall temperature by two degrees. Shell total resistance calculated 22057pa, we can see the design of the shell and tube heat exchanger in the allowable pressure drop range.

Key words: Shell and tube heat exchanger 、 design 、 allow pressure drop 、heat transfer coefficient 、 enhanced heat transfer

目录

摘要 II

ABSTRACT III

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 管壳式换热器简介 1

1.3 国内外的发展现状 2

1.3.1 国内发展 2

1.3.2 国外发展 2

1.4 课题研究内容与目的 3

第二章 管壳式换热器热力计算 3

2.1 设计方法及设计步骤 4

2.2 工艺计算 4

2.2.1物性参数的确定 4

2.2.2核算换热器传热面积 5

2.2.3传热量及平均温差 5

2.2.4估算传热面积 6

第三章 管壳式换热器结构计算 8

3.1换热管计算及排布方式 8

3.2壳体内径的估算 10

3.3折流板 10

3.4换热系数的计算 14

3.4.1管程换热系数 14

3.4.2壳程换热系数 15

3.5需用传热面积 16

3.6流动阻力计算 17

3.6.1管程阻力计算 18

3.6.2壳程阻力计算 18

第四章 结论与展望 20

4.1结论 20

4.2展望 20

参考文献 20

致谢 23

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

换热器使用的范围相当广泛，在石油化工方面就显得尤为突出^[1]。因为这些工艺都需要用到能量的转换才能获得最终想要的东西。虽然现在是互联网的时代，但是目前对工业量的需求还是很大的，所以它需要换热器不断的改善和进步，以达到能生产出足够人类使用的量^[2]。换热器在很多方面资金占比上都占据了很大一部分,就比如说在炼油方面就几乎占了全部使用设备上的一半,在航天航空方面更是近乎占了80%^[3]。管壳式换热器是在换热器领域被使用相当多的一种，而且它带来的经济效益要比其他的换热器来讲要来的更多^[4]。通过在换热器市场上的调查，虽然板式的换热器是在管壳式换热器基础上改进的，而且使用量在逐步上升，但还是不能跟管壳式换热器的使用量相比^[5]。一大半以上的换热器市场都在管壳式换热器上，因为它的市场需求量高，所以对其的研究就有很大的意义^[6]。换热器顾名思义就能知道它的传热效率高低是让它能否生存下去的关键所在，研究传热效率所就要从根本研究管壳式换热器它的结构和传热的管件^[7]。最近几年各个国家都在研究如何来改进管壳式换热器的设计方法，来达到更高的使用效率。

1.2 管壳式换热器简介

就现在的热交换器而言，在提升性能研究方面主要是强化传热，如何改善工艺条件，寻找适合用来做换热器材料的发展，还有就是在高温高压的条件下如何正常运行这四个方向^[8]。管壳式热交换器工作原理就是是一个在圆筒形状的壳体内放置一些管子，而且这些管子之间是相互平行的，然后把两种选定的不同的流体分别从管子内和管外空间流过，通过一种流体的降温和另一种流体的升温来达到能量转换的目的^[9]。

管壳式热交换器能够在高温高压的条件下操作，这个能力让它拥有了很大的市场，其余设计结构简单，造价低等等也让它占有了一定的优势^[10]。所以尽管现在市面上新型的换热器有很多，但还是能让它立于不败之地，原因很简单就是性价比高^[11]。由于通过管壳的两种流体起始温度不同，所以在经过了能量的转换后当它们要流出的时候温度产生了很大的改变，也就是两端出口温度不同。如果这两种流体它们的温度相差比较大的话，那么它们将很有可能会在换热器内产生一股很大的热力，这就可能会导致换热器内的管子弯曲、断裂^[12]。因此，当管束与壳体温度差超过50℃的时候，就要采取一些相应的措施来减少热应力防止管子出现状况^[13]。

1.3 国内外的发展现状

1.3.1 国内发展

换热器在工业生产中用的地方很多,而且在不同工作条件下就需要不同的性能来完成它的工作,毕竟是靠冷热传递来完成工作的，所以对温度压强的要求就显得很高^[14]。国内管壳式换热器的发展空间非常大，它之所以被是使用的那么广泛也是有原因的，跟同类其他的相比下来操作起来要简单的多^[15]。换热器在日常生活中就是一个不可缺少的工艺设备，那就更不用说在工业和农业生产中的使用了，可见换热器它的市场量之大^[16]。需求量如此之高肯定要把它的性能做好，强化换热器的传热效率就是很关键的一点，近年来我国一直在研究开发提高它强化传热的元件，并且还要考虑元件的综合性能，是否实用，能不能耐腐蚀，能使用多长时间，实际操作中的影响等^[17]。提高传热效率的方法还有其他的，比如改善折流板或者把管壳换热器内把普通的光圆管用其他的特殊管子来代替，看是否有特别的作用，这些都是国内学者研究的方向^[18]。

1.3.2 国外发展

横纹槽管是1974年苏联人最先提出来的，与普通圆管的区别在于每隔一段管子会凹进去一点，这样在流体冲撞到管子的时候，能够增加流动阻力，强化传热效率^[19]。关于对管内插入物的研究国外早在1985年就开始，英国开发出的一种金属丝翅片插入物^[20]。二十世纪七十年代，菲律宾石油公司为了改善板式换热器的管道和挡板的切割破坏和流体感应，研制出了一种外壳侧流体阻流式换热器，相比那些老式的换热器，这挡板式换热器流动阻力明显要小很多，所以传热效率更高^[22]。所以世界各类热交换器进行了深入的研究，研究出了一种新的抗振结构的直钢圆棒，后来有一些单位的圆棒用扁钢来代替完成工作。在更困难的研究方向上，有些单位直接将杆放入椭圆形横截面^[23]。

1.4 课题研究内容与目的

从工业革命以来，地球上可供使用的资源在一直不断的变少，世界各国都在研究如何节能和利用太阳能，风能等可再生资源^[24]。管壳式换热器既然是为换热而生，对节能也要有一定的贡献，为世界出一份力^[25]。设计出一台节能环保传热效率更高的管壳式换热器是本次研究的主要任务^[26]。

第二章 管壳式换热器热力计算

2.1 设计方法及设计步骤

设计步骤：

1. 根据任务书查找相关的原始资料，确定设计的热交换器类型。
2. 查物性参数表。
3. 通过热平衡计算流量。
4. 选择壳体和管子的材料。
5. 选择流动模式以确定流体空间的流动。
6. 求出平均温差。
7. 选传热系数和计算传热面积。
8. 设计管壳式换热器的结构。
9. 管程换热器热力计算及和结构计算。
10. 通过假定的壁温来计算换热系数。
11. 校核传热系数和传热面积。
12. 核算通过计算得到的壁面温度。要求与假定的壁面温度相符合。
13. 计算壳程阻力，要求值在允许压降的范围以内。

2.2 工艺计算

2.2.1物性参数的确定

表2-1 水和导热油的操作参数

冷却水			导热油HD330
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