螺旋管换热器设计计算与分析

空间锥螺旋管束流体诱导振动换热器及性能分析

ｄｅｄｉｅｙｔｅｔａｓｅｓｕｓｔｎｗｅｅｃｌｌｔｄａａｓｅｓｄｌｗｒｔｆ．ｓｌｒｎｂｈｒｎｖｒｅｐｌａｉｒａｃａｅｔｈｌｉｅｆａｅｏ１ｍ／．Ｔｈｖｏｕｌｏ０ｅ
ｓｃｎａｙｆｕｄｆｏｉｓｄｈｕｅａｄｉｓｈａｒｎｆｒｗｅｅｎｍｅｉａｌｎｅｔｇｔｄＴｈｅｅｏｄｒｌｉｌｗｉｅｔｅｔｂｎｔｅｔｔａｓｅｒｕｒｃｌｙｉｖｓｉａｅ．ｎｅｒ— ｓｌｓｓｏｔａｈｉｒｔｏｆｔｅｓｎｌＯｓｉａｕｅｃｎｂｉｉｅｎｏｔａｓｅｓｉｒｔｏｕｔｈｗｈｔｔｅｖｂａｉｎｏｈｉｇｅｒＷｐｒｌｂａｅｄｖｄｄｉｔｒｎｖｒｅｖｂａｉｎｔａｄａｉｌｉｒｔｎ，ａｄｔｅｌｔｅＳｄｍｉａｔｎｘａｂａｉｖｏｎｈａｔｒｉｏｎｎ．ＴｈｉｒｔｎｏｏｉａｐｒｌｕｅｂｎｌｉａｙｅｖｂａｉｆｃｎｃｌｉｂｕｄｅＳｅｓｏｓａｔｔｅｉｄｃｄｄｅｔｔｍａｌｌｗ－ｒｅｄｒｑｅｃ．Ｕｎｅｈｏｄｔｎｏｕｓｔｇｆｗ，ｏｂｎｕｅｕｏｉｓｓｌｏｏｄｒｍｏｅｆｅｕｎｙｄｒｔｅｃｎｉｏｆｐｌａｉｌｉｎｏｔｅｔｂｕｄｅｖｂａｉｎｉｉｉｒｔｔｒｎｖｒｅｖｂａｉｎｍｏｅＴｈｏｔｕｓｏｈｌｉｈｕｅｂｎｌｉｒｔＳｓｍｌｏｉｔａｓｅｓｉｒｔｄ．ｏａｓｏｅｃｎｏｒｆｔｅｆｕｄｆｗｎｉｅｔｅｔｂｎｉａｅｔａｈｅｏｄｒｌｉｌｗＳｃｍｐｉａｅ．Ｔｈｒｒｏｒｉｄ — ｌｏｉｓｄｈｕｅｉｄｃｔｈｔｔｅｓｃｎａｙｆｕｄｆｏｉｏｌｔｄｃｅｅａｅｆｕｎｅｐｎｅｔａｔｆｔｅｓｃｎａｙｆｗａｈｃｏｓｓｃｉｎａｄｔｅｆｏｄｒｃｉｎｒｉｅｅｔｒｍｅｄｎｒｓｏｈｅｏｄｒｌｉｅｃｒｓｅｔｏｎｈｌｗｉｅｔｏｓａｅｄｆｒｎｏｐｏｎｆｆｅｃｔｅ．Ｔｈｅｔｆｕｆｔｅｃｎｃｌｓｉ１ｔｂｕｄｅｉ１４ｔｅｈｔｏｈｏｖｎｉｎ１ａｈｏｈｒｅｈａｌｘｏｈｏｉａｐｒｕｅｂｎｌＳ．ｉｓｔａｆｔｅｃｎｅｔａａｍｏｐａａｌｓｉｕｅｂｎｌｓｌｎｒｅａｔｔｂｕｄｅ．ｃＫｅｗｏｄ：ｃｎｃｌｓｉａｕｅｂｎｌｓｌｗ－ｄｃｄｖｂａｉｎ；ｈａｒｎｆｒｃａａｔｒｓｉｓｙｒｓｏｉａｐｒｌｂｕｄｅ；ｆｏｉｕｅｉｒｔｔｎｏｅｔｔａｓｅｈｒｃｅｉｔｃ

应用遗传算法优化设计200 MW多头螺旋管式换热器

第42卷第5期热力发电V01．42N o5 2013年5月T H E R M A I。

P O WE R G E N E R A T I O N M ay．2013应用递铭算法优化役针200M W多势螵施管式掳热器[摘周云龙，董利利，李书芳东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012要]应用遗传算法以总传热面积和总压降为目标函数，以螺旋上升角、最内层螺旋管头数、螺旋管圈层数、螺旋管直径、径向节距、中心柱直径为6个决策变量，对某200M w多头螺旋管式换热器进行多目标优化设计。

结果表明，2个目标函数间的Pa r e t o解具有相互制约关系；Pa r e t o曲线上总传热面积A z≤1811．8m2、总压降△夕：≤0．71l1M Pa的点所对应的设计方案优于传统设计方案。

该优化设计方法减小了设计者对经验的依赖性，且具有一定的通用性。

[关键词]200M w；多头螺旋管式换热器；多目标优化；遗传算法；Par et o解[中图分类号]T K284．1[文献标识码]A[文章编号]1002—3364(2013)05—0050—04[D O I编号]10．3969／j．i ss n．1002—3364．2013．05．050G enet i c al gor i t hm bas e d opt i m al desi gn f or a200M W m ul t i—st ar the l i c al coi l ed t ube heat exchangerZ H O U Y unl ong，D O N G L i l i，L I Shuf angS c hoo l of E nergy and P ow e r E ngi ne er i ng．N or t he as t D i anl i U ni ver si t y，Ji l i n132012，Ji l i n P r ov i nc e，C h i naA bs t r a ct：T he m ul t i—obj ect i ve opt i m a l de s i gn f or a200M W m ul t i—s t ar t hel i cal coi l ed t ube he at ex—changer w a s car r i ed out，w i t h t he hel p of t he ge net i c al gor i t hm，i n w hi c h t he t ot al hea t exch ange ar e a and t ot al pr es s ur e drop w er e t aken as t he obj ect i ve f unct i ons，and s i x param et er s s uch as t he he l i x angl e，num ber of he l i x coi l ed t ubes i n t he i nn er l aye r，num be r of t he he l i x coi l ed l a yers，di—am et er of t he he l i x coi l ed t ubes，r adi al pi t c h，di a m et er of t he new el w er e s et as t he de ci si on va ri a—bl e s．The r es ul t s s how e d t hat，t h e Par e t o opt i m a l f unct i ons f or t he above t W O obj ect i ve f unct i ons had a r el at i onshi p of i nt er act i on；t he de s i gn cor r espondi ng t o poi nt s on t he Par e t o c u r v e w her e t he t ot al hea t t r a nsf er ar e a A z≤1811．8m2and t he t ot al pr e ssur e dr op A p。

工程热力学与传热学第十八章传热过程分析与换热器计算

Q = kA(t1 − t 2 ) = kA∆t m
热流体放出的热量冷流体吸收的热量
′ ′ Q1 = q m1c1 (t1 − t1′) ′ ′ Q2 = q m c 2 (t 2′ − t 2 )
′ ′ ′ ′ q m1c1 (t1 − t1′) = q m 2 c 2 (t 2′ − t 2 )
A2 β = A1
肋片越高，肋距越小，肋化系数就越大。
' 肋片与流体的换热量 α 2 (t w 2 − t f 2 ) A2 ' α 2 (t w 2 − t f 2 ) A2η f
ηf 为肋片效率加肋侧与流体的换热量
' ' Q = α 2 (t w 2 − t f 2 ) A2' +α 2 (t w 2 − t f 2 2) A2η f ' ' A2' A2 = α 2 (t w 2 − t f 2 ) A2 ( + η f ) A2 A2
图9-6 交叉流换热器示意图
4）板式换热器。板式换热器由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，两相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、热流体间隔地在每个通道中流动。为强化换热并增加板片的刚度，常在平板上压制出各种波纹。板式换热器中冷、热流体的流动有多种布置方式，图9-7所示为1-1型板式换热器的逆流布置，这里的1-1型表示冷、热流体都只流过一个通道。板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物的流体(如牛奶等有机流体)的换热。
图9-4 简单的壳管式换热器示意图
为了提高管程流体的流速，在图9-4所示的换热器中，一端的封头里加了一块隔板，构成了两管程的结构，称为l-2型换热器(此处l表示壳程数，2表示管程数)。图9-5所示是一个1-2型换热器的剖面图。

螺旋管内流动和传热特性实验研究及经验公式评价

螺旋管内流动和传热特性实验研究及经验公式评价目录1. 内容概括 (2)1.1 实验背景 (3)1.2 实验目的和意义 (3)1.3 实验内容和研究方法 (4)2. 螺旋管回路的基本知识 (5)2.1 螺旋管的结构特性 (7)2.2 螺旋管内流体的流动特性 (8)2.3 螺旋管内的热交换特性 (9)3. 实验装置及条件 (10)3.1 实验设备介绍 (12)3.2 实验参数设定 (13)3.3 数据采集和记录方法 (14)4. 实验结果与分析 (15)4.1 流体流速对螺旋管内流体流动特性的影响 (15)4.2 流体流量对螺旋管内热量传递特性的影响 (17)4.3 螺旋管几何参数对螺旋管流动和传热特性的影响 (18)5. 经验公式的建立 (20)5.1 螺旋管内流动的经验公式 (21)5.2 螺旋管内传热经验公式的建立 (22)5.3 不同工况下的公式适用性分析 (23)6. 实验公式评价 (25)6.1 实验数据的准确性分析 (26)6.2 实验公式的适用范围 (27)6.3 实验公式与理论计算结果的比较 (27)7. 结论与展望 (29)7.1 实验研究的主要结论 (30)7.2 实验公式的应用前景 (31)7.3 实验研究中的不足与建议 (32)1. 内容概括本实验研究旨在详细探究螺旋管内部流体流动和传热过程的特性和规律。

螺旋管因其独特的几何形状和三维流动特性，广泛应用于实际工业应用中，如热交换器和管道系统。

实验设计包括模拟不同流体流速、不同温差和管内流体不同物理性质的一系列实验条件。

通过对实验数据的定量分析和流动、传热传质理论的结合，本研究对螺旋管的流动和传热特性进行了详细的分析和解释。

实验结果包括温度分布、流速分布以及相应的换热率等关键参数的测量和记录。

通过将实验结果与理论模型和现有文献中的研究成果进行对比，本研究验证了已有经验公式的适用性和准确性。

此外，研究团队开发了一套新的经验公式，用以更准确地预测螺旋管内的流动和传热特性，尤其在小管径和低雷诺数情况下。

螺旋折流板换热器管束及管板的结构设计

图８螺旋折流板在壳体内安装方位
螺旋折流板尺寸可由该椭圆所确定的椭圆方程求得，见图９。从图９可以看出，螺旋折流板尺寸参数、Ｒ与其投影图上对应尺寸参数相等。弦高Ａ的计算
维普资讯
炼油与化工２００８年第２期
ＲＥＦＮＩＩＮＧＡＮＤＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ３９
螺旋折流板换热器管束及管板的结构设计
国德文，邢芳，晓凤刘
（大庆石油化工机械厂，黑龙江大庆１３１）６７１
热器》的有关规定【但为保证螺旋折流板的稳定，２］，每块螺旋折流板上最少应布置３根拉杆，螺旋折
流板的中心安装部位须加工与中心管相配的圆弧缺口，图４见。
９￣０
防冲杆的上表面到壳体内壁的距离应大于１／管外径，排列后的防冲面应为接管外径加４接其
１螺旋折流板的几何形状
螺旋折流板换热器的折流板为准扇形。与壳体横截面有一定的安装倾角仅，在壳体横截面上其的投影刚好为１／４圆面。图１见。
９ｎ。
图２壳体内螺旋折流板排列
２螺旋折流板间距
３拉杆及定距管
螺旋折流板是基于这样一种思想：通过改变壳程侧折流板的布置，使壳程侧流体呈连续螺旋流动，
因此，想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。理但是，旋曲面加工困难，且换热管与折流板的螺而

管壳式换热器的设计及计算

第一章换热器简介及发展趋势1.1 概述在化工生产中，为了工艺流程的需要，常常把低温流体加热或把高温流体冷却，把液态汽化或把蒸汽冷凝程液体，这些工艺过程都是通过热量传递来实现的。

进行热量传递的设备称为换热设备或换热器。

换热器是通用的一种工艺设备，他不仅可以单独使用，同时又是很多化工装置的组成部分。

在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%——20%，质量约为设备总质量的40%左右，检修工作量可达总检修工作量的60%以上。

由此可见，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。

在其他方面如动力、原子能、冶金、轻工、制造、食品、交通、家电等行业也有着广泛的应用。

70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[1]。

这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。

所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题，最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。

同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。

当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[3]。

当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。

各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。

在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。

总之，为了适应工艺发展的需要，今后在强化传热过程和换热设备方面，还将继续探索新的途径。

螺旋折流板管壳式换热器结构特点剖析

【要】管壳式换热器中，摘在一种流体在管内流动，另一种流体在壳侧流动．并通过换热管壁进行热量交换管壳式换热器生产成本低．清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，能适应高温高压，且设计及加工制造方法比较完善。其允许操作压力范围可以从真空到４．ａ允许１ＭＰ．５操作温度可以在一０￣一１０２１０１０￣之间，Ｃ（传热面积几乎不受限制（己开发出传热面积达５０ — ００的管壳式换热装备）因此．国外００８０ｍ，虽然它在结构紧凑性、传热强度和单位金属消耗量方面无法与板式或板翅式换热器相比，由于有前述优点，但其在化工、油能源等行业应用中仍处于主石导地位．目前在世界范围内占换热器总数的３％一０５４％
【关键词】化工机械；换热器；传热面积；；能耗适应性；环经济：循节能减排：热传递
２连续与非连续螺旋折流板．１要使壳程工质形成理想的连续螺旋流动．折流板应该是一系列连在工业生产中，换热器的主要作用是使热量由温度较高的流体传续的螺旋曲面．可称之为连续型螺旋折流板．其结构类似于常见的输递给温度较低的流体．使流体温度达到工艺流程规定的指标．以满足送固相介质的搅龙过程工艺条件的需要，也是余热、废热回收利用的有效装置。换热器作连续螺旋折流板可使壳程流体形成相对连续平稳的螺旋流动．但为一种通用的热工过程设备在炼油、工、化环保、发电、制冷、品、食新受螺旋结构的限制，壳体中心区域需要加装假管．其从而降低了壳体能源利用等许多工业部门中广泛使用。以石油化工厂为例．换热器占空间的利用率，换热器紧凑性下降。此外．连续螺旋折流板换热器的加建厂总投资的２％左右，０在全厂化工设备总重量中约占４％。鉴于换０工制造安装也比较复杂．给产品的进一步大型化和推广应用带来困热器在工业生产中的重要作用．改进典陛能和提高其效率成为节能减难。排的重要途径，将产生显著的社会和经济效益。目应用中的螺旋折流板换热器大多采用一系列法向与换热管前轴向成一定夹角的扇形平面板进行搭接．形成近似螺旋面．可称之为１管壳式换热器综述非连续螺旋折流板。相邻两块折流板间会形成一个三角区．导致漏流．１横向流支撑结构．１壳程流体进行的是“ 伪螺旋状流动最有代表性的横向流支撑结构是单弓形折流板．结构简单．其制２２螺旋角．造安装方便．因而目前应用最广泛．发展最成熟，计资料也较为完设螺旋角又称折流板倾角．连续螺旋折流板螺旋角的定义为折流板备在单弓形折流板管壳式换热器内，壳程流体经过折流板的圆缺部在壳体上形成的螺旋曲线切线与壳体横截面间的夹角口。非连续螺旋分后垂直掠过管束．并在折流板的作用下进行“ ” ｚ字形流动．流体湍流折流板螺旋角的定义为折流板法线方向与换热管轴心的夹角。程度强．传热效率高．但缺点也较明显：２螺旋折流板裁剪方式－３（）１流体反复横向冲刷换热管束并不断剧烈改变流动方向会产生非连续螺旋折流板按照裁剪方式还可以分为四分之一椭圆和四较大的形体阻力．壳程压降往往超出允许值。分之一扇形两种形式四分之一椭圆螺旋折流板的长短边分别为折流（）２在折流板与壳体相连处存在流动死区，结垢严重需经常清理，板所在椭圆的长短轴．四分之一扇形螺旋折流板左右对称。每片椭圆停工检修频繁：型钢板采用四分之一椭圆裁剪方式可以裁出四块折流板，采用四分之・３流动死区同时也是传热死区，（）降低了壳程换热系数；扇形裁剪方式可以裁出两块折流板．前者材料利用率更高不留边角（）４壳程流体剧烈冲刷换热管束．而窗口区管束无支撑跨距是折料。流板间距的两倍．易产生流体诱导振动．导致换热管磨损甚至断裂，缩２相邻折流板搭接方式．４短了换热器寿命相邻非连续螺旋折流板之间有外围点接触的连续搭接和直边交１纵向流支撑结构．２叉点接触的交错搭接两种布置方式采用交错搭接布置可以在其他结最有代表性的纵向流换热器是上世纪７年代美国Ｐｉｉ石油构参数不变的情况下减小螺距。０ｈｎｓＰ增加折流板数量。搭接量ｅ的定义为：公司为解决传统弓形折流板支撑结构中换热管与折流板的切割破坏２０％ｌｘｌ０ｅ＝和流体诱导振动而开发的折流杆管壳式换热器．其壳程支撑结构为管间排布的支撑杆组成的折流栅。相关研究表明，折流杆壳程支撑结构式中：为相邻折流板搭接点到壳体内壁的距离。Ｄ为壳体内径。ｆ拥有诸多优点：连续搭接时可认为搭接量ｅ０＝（）先它的轴向流动方式，少了壳程流体的滞流、１首减回流和死交错搭接后相邻折流板间除靠近壳体中心的三角区外还会形成区．提高了佩克莱常数Ｐ值．了壳程压降和污垢沉积；ｅ减少个靠近壳体内壁的搭接区．两处漏流均会对壳程流动产生影响。（）折流杆后的卡门涡街脱落效应在传热管子表面产生湍流，２提２５螺距．高了壳程单位压降下的对流换热系数；连续螺旋折流板一个螺旋周期在轴向的长度称为螺距。于非连对（）３折流杆的夹持作用能够抑制换热管束的破坏性振动，使冷换续螺旋折流板相邻的两个相同位置折流板的轴向间距称为螺距。每个设备大型化成为可能。螺距内所有螺旋折流板在管板方向投影拼接为一个整圆。一个螺距内１３螺旋流支撑结构．折流板的数量越多．壳程流动越接近连续螺旋流动。一般来说，出于加螺旋流是介于横向流和纵向流之间的一种壳程流体流动形态．兼工方面的考虑．一个螺距内为２４块折流板。有文献给出了不同形式＿有横向流和纵向流的优点，可大体概括为换热效果好、壳程压降小、管螺旋折流板换热器螺旋角口与螺距Ｂ的通用计算公式：柬不易结垢以及能防止管束流体诱导振动等。借助螺旋折流板可实现日（一）Ｄｓｔ，ｎ２０）：１ｅｒ，ｎａ（Ｉ，≤ ｔｉ＞壳程工质的螺旋或近似螺旋流动螺旋折流板管壳式换热器由前捷克

换热器计算

要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化，即 tx f ( Ax ) ，然后再沿整个换热面积进行平均
在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看图7-13中微元换热面dA一段的传热。温差为：
t th tc dt dth dtc
在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:
tm (tm )ctf
是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTD，是小于1的修正系数。图7-15 ~ 7-17分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的。
关于的注意事项
（1）值取决于无量纲参数 P和 R
P tc tc , th tc
R th th tc tc
式中：下标1、2分别表示两种流体，上角标 ` 表示进口，
们就可以计算出另外一个温度。因此，上面的两个方程
中共有7个未知数，即
, k, A, qmhch , qmccc ,以及th，th，tc，tc中的三个
需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量。
对于设计计算而言，给定的是 qmhch , qmccc ，以及进出口温度中的三个，最终求 A, qmhch , qmccc 对于校核计算而言，给定的一般是 k, A ，以及2个进口
第七章传热过程分析与换热器热计算
本章的学习目的
(1)分析实际传热问题的能力 (2)综合应用三种基本传热方式及其相关公式的能力 (3)了解换热器的基本知识和设计过程
§ 7-1 传热过程的分析和计算
传热过程？基本计算式(传热方程式)？
k A(t f 1 t f 2 )
k 1 ARtot
式中：K是传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过
(do2 )
1 hi d i