五种管壳式换热器的主要类型
管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟
毕业设计（论文）管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟专业年级2007级热能与动力工程专业学号姓名******** 杨郭指导教师刘巍评阅人刘庆君二零一一年六月中国南京任务书课题名称：管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟课题类型：毕业论文任务书内容:1、英文资料的翻译5千个汉字字符以上（要求和热动、空调、能源、环境、新能源等本专业有关的内容，可以是英文著作、设备使用手册、英文文献检索、英文专利文献、网上专题介绍等实用性的、将来工作中可遇到的相关题材的文章，最好不要是科普类、教学类的英文）2、使用的原始资料（数据）及设计技术要求：2.1.管壳式换热器，热交换功率100kW，200kW。
2.2.温度进口350~500℃，出口温度150~200℃，流速可变；温度进口100~150℃，出口温度300~450℃，流速可变。
其总流阻损失应在满足规定要求。
2.3.换热器材料可选，几何尺寸可变；工作介质可选择（空气、水、氟利昂） 2.4.换热器外壁面绝热保温； 2.5.采用CFD模拟计算与能量分析，对系统进行相关工况的模拟；3、设计内容：3.1. 学习和消化设计任务书，按照设计任务书的设计内容，拟定工作内容和计划，拟定出设计和计算的每个过程中应该遵循设计要求与规定。
3.2.查找和收集有关管壳式换热器的历史和现状资料，查找相关管壳式换热器的运用案例，及其相关的技术条件和运行要求。
3.3.以科技文献检索，包括期刊、专利、设计标准、产品标准、设计手册、产品样本，寻找和熟悉相关的分析计算软件；熟悉设计工具软件、电脑等；3.4.根据已知参数，用ProE设计出符合要求的管壳式换热器，并学习如何导入相关软件进行网格设计；3.5.进行管壳式换热器CFD网格设计，用fluent软件对管壳式换热器进行变工况运行能量分析；3.5.分析计算换热器的流阻损失，其结果的合理性，分析提高换热效率主要手段和改进的方向。
3.6.输出的计算文件包括：3.6.1.完整的毕业设计任务书3.6.2.符合要求的算模型的结构、尺寸； 3.6.3.换热计算的过程、表格，计算结果的结论等等； 3.6.4.规定状态的CFD模拟结果和能量分析图； 3.6.5.毕业设计论文； 3.7.把所作的工作、学习的体会、方案的选择过程、计算方案过程等写在过程手册中，写好毕业设计论文。
换热器简介
四、其他形式换热器
• 此外为了增大传热面积、强化传热、减少压降等 目的，还有以下几种形式换热器： • 1、折流杆换热器 • 型号表示方法为RCBOS • 特点：壳程流体由错流变成顺流，壳程流体流动 阻力大幅下降，一般为弓形板管束阻力的 1/7~1/10，因此可以提高流速，一般可以提高到 弓形板换热器的2~3倍；在等压力降下，折流杆 换热器比单弓形板换热器管外膜传热系数提高1.5 倍以上。
主要几何参数
• 型号的表示方法为AEM或BEM • 换热管长度有1.5m、2m、3m、4.5m、6m、 9m几种 • 常见的换热管外径有19mm、25mm和32mm • 管程数有1管程、2管程、4管程、6管程几 种
三、U形管式换热器
• U形管换热器是管壳式换热器的一种形式， U形 管换热器系列标准为JB/T4717-92 • 引用标准为GB151《钢制管壳式换热器》 • 压力等级分为1.0MPa、1.6MPa、2.5MPa、 4.0MPa、6.4MPa • 折流板间距有150mm、200mm、250mm、 300mm、350mm、450mm。 • 型号的表示方法为BIU • 管束长度有3m和6m两种 • 常见的换热管外径有19mm、25mm • 管程数有2管程、4管程
主要几何参数
• 例如BES600-2.5-85-6/25-4Ⅱ • B：指管箱形式为封头管箱。此外还有A是指管箱形式为平盖管箱（只 允许使用公称直径在800以下的换热器）。 • E：指壳体形式为单壳体（换热器或冷凝器）此外还有J是指无隔板分 流壳体（或冷凝器壳体） • S：钩圈式浮头 • 600：公称直径为600mm • 2.5：公称压力为2.5MPa • 85：公称换热面积为85m2 • 6：换热管长度为6m。换热管长有3m、4.5m、6m、9m几种 • 25：换热管外径为25mm。常见的有19mm和25mm • 4：管程数为4。管程数有2管程、4管程、6管程、8管程几种 • Ⅱ：换热管级别为普通级冷拔换热管。此外还有Ⅰ是指换热管为较高 级冷拔换热管。
管壳式换热器的分类及工艺设计应用概述
中 图分类 号 ： Ｔ Ｑ ０ ５ １ ． ５
文 献标 志码 ： Ｃ
文章 编号 ： １ ０ ０ ８ — １ ２ ６ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ — ０ ０ ６ ０ — ０ ３
（ ２ ） 管、 壳程温差不大 ， 压力 较高的工况 ； （ ３ ） 壳程 １ 管 壳式 换热器 的主 要结构 型 式及使 用 条 况 ； 介 质干净 ； 或虽 会结 垢 ， 但 通过 化学 清洗能 去除 的工 件
该换热器的特点是结构简单 、 紧凑、 没有壳程密
封的问题 ， 而且往往是管板兼做法兰。
其适用于 ： （ １ ） 管、 壳程温差较大 ， 压力不高的工
¨
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ １ －１ ２
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１ ． １ 管壳 式换热 器 的分类
况； ｆ ４ ） 布管 多 ， 锻 件少 ， 一次性 投 资低 的工况 。
常见 的管壳 式换 热器 （ 以下 简称 换热 器 ）主要 有： （ １ ） 固定管 板 式换 热器 ； （ ２ ） 浮 头式换 热 器 ； （ ３ ） ｕ形 管式 换热 器 ； （ ４ ） 釜式重沸 器 ； （ ５ ） 填料 函式换 热器 。
差 的情况 。
４ ． ３ 采取 不 同地基
４ 地下室不均匀沉降
解决不均匀沉降问题大致有以下几种方法 。
４ ． １ 沉 降 缝
在设计 中不设沉降缝 ，而采取一定 的措施 ， 调
整 地 基反 力 ，尽 量减 少不 同部分 的 地基 反 力差 ， 从 而减少 沉降差 。 这 是所谓 “ 调” 的方 法 。 如： 裙 房部 分 采 用 天然 地基 ， 主楼 部分 采用 复 合地 基 或 桩基 。裙 房 和 主楼 部分 采 用不 同的基 础形 式 ， 主楼 采用 筏 基 或 箱基 ， 裙房 采用 独立基 础或 条形基 础 。
热交换器原理与设计第2章 管壳式热交换器
☆挡管是两端堵死的管子，安置在相应于分程隔板槽后面的 位置上，每根挡管占据一根换热管的位置，但不穿过管板， 用点焊的方法固定于折流板上。通常每隔3～4排管子安排一 根挡管，但不应设置在折流板缺口处，也可用带定距管的拉 杆来代替挡管。
优点：结构简单，制造成本低，规格范围广，工程中应用广泛。 缺点：壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对较脏
或有腐蚀性介质不能走壳程。当壳体与换热管温差很大时， 可设置单波或多波膨胀节减小温差应力。
管壳式换热器结构名称
单程管壳式换热器
1 —外壳，2—管束，3、4—接管，5—封头 6—管板，7—折流板
图2.25 折流板的几何关系
2.2.4 进出口连接管直径的计算
进出口连接管直径的计算仍用连续性方程， 经简化后计算公式为：
D 4M1.13M
πρw
ρw
2.3 管壳式热交换器的传热计算
1) 选用经验数据：根据经验或参考资料选用工艺条 件相仿、设备类型类似的传热系数作为设计依据。 如附录 A。 2) 实验测定：实验测定传热系数比较可靠，不但可 为设计提供依据，而且可以了解设备的性能。但实 验数值一般只能在与使用条件相同的情况下应用。
焊在换热管上）。
图2.23 防冲板的形式
a) 内导流筒 图2.24 导流筒的结构
b) 外导流筒
★导流筒
❖ 在立式换热器壳程中，为使气、液介质更均匀地流入管间， 防止流体对进口处管束段的冲刷，而采用导流筒结构。
管壳式热交换器
2.5.2 流体温度和终温的确定
• 在换热器设计中加热剂或冷却剂出口温度需由设计 者确定。如冷却水进口温度需依当地条件而定，但 出口温度需通过经济权衡作出选择。在缺水地区可 使出口温度高些，这样操作费用低，但使传热平均 温差下降，需传热面积增加使得投资费用提高，反 之亦然。根据经验一般应使∆tm大于10℃为宜， 此外若工业用水作为冷却剂出口温度不宜过高，因 工业用水中所含的盐类(主要CaCO3,MgCO3,CaSO4、 MgSO4等)的溶解度随温度升高而减小，若出口温度 过高，盐类析出，形成垢层使传热过程恶化，因此 一般出口温度不超过45℃。所以应根据水源条件， 水质情况等加以综合考虑后确定。水源严重缺乏地 区可采用空气作为冷却剂，但使传热系数下降。对 于加热剂可按同样原则选择出口温度
一、管、壳程介质的配置 有利于传热、压力损失小。具体如下： 1、流量小、粘度大的流体走壳程较好。 2、温差较大时，K大的流体走壳程。 3、与外界温差大的流体走管程。 4、饱和蒸汽走壳程。 5、含杂质流体走管程。 6、有毒介质走管程。 7、压降小走壳程。 8、高温、高压、腐蚀性强的流体走管程。
2.5.1 流体在换热器中内的流动 空间选择
管程变化对阻力影响
• 对同一换热器，若由单管程改为两管程， 阻力损失剧增为原来的8倍，而强制对流 传热、湍流条件下的表面传热系数只增 为原来的1.74倍；若由单管程改为四管程， 阻力损失增为原来的64倍，而表面传热 系数只增为原来的3倍。由此可见，在选 择换热器管程数目时，应该兼顾传热与 流体压降两方面的得失。
– 见公式2.21
2.3 管壳式换热器的传热计算
• • • • • 一、热力设计任务 1．合理的参数选择及结构设计 2．传热计算和压降计算 热力设计：设计计算，校核计算。 设计计算：已知传热量Q，换热工质工作 参数(进、出口温度)，求F和结构形式。 • 校核计算：已知换热器的具体结构、某 些参数来核定另一参数。
管壳式换热器结构介绍
后封头
L型后封头：和A型前封头相同 M型后封头：和B型前封头相同 N型后封头：和N型前封头相同 U型：U型管束,管束可移动,壳侧容易清洗；热膨胀处理优秀,经济无法兰； 缺点是管侧无法清洗,更换管束困难,弯头部位容易冲刷损伤, P型封头和W型封头已经被淘汰,不在使用， S型封头：其尺寸特点是其后封头要比壳体的直径大,优点是可以解决换热 器设计过程中的两个问题,一是可以消除换热器的热应力,二是换热器的管
造遵循标准：国外TEMAASME国内GB151、GB150
换热器封头选取原则
1、管壳侧是否需要清洗； 2、是否需要移动管束； 3、是否需要考虑热膨胀； 前封头类型：A、B、C、D、N 后封头类型：L、M、N、P、S、T、W 后封头又分为固定式、浮头式以及U型管,相对于固定式,浮头式造价更高、 需要更大的壳径、低的换热效果由于泄漏流C的存在,优点则是一端具有自 由度可以处理好热膨胀问题,
温度，
5、设备结构的选择
对于一定的工艺条件,首先应确定设备的形式, 例如选择固定管板形式还是浮头形式等，参
螺纹管性能特点
在管子类型中,螺纹管属于管外扩展表面的类型,在普通换热管外壁轧制成 螺纹状的低翅片,用以增加外侧的传热面积,螺纹管表面积比光管可扩展 1.6-2.7倍,与光管相比,当管外流速一样时,壳程传热热阻可以缩小相应的倍 数,而管内流体因管径的减小,则压力降会略有增大，螺纹管比较适宜于壳
K型壳体：主要用于管程热介质,壳侧蒸发的工况,在废热回收条件下使用，
X型壳体：冷热流体属于错流流动,其优点是压降非常小,当采用其他壳体 发生振动,且通过调整换热器参数无法消除该振动时可以使用此壳体形式,
其不足之处是流体分布不均匀,X型壳体并不经常使用，
在化工工艺手册中,I型壳体类型可EDR软件中的不是同一种壳体,其形式见 I1,它的使用方式仅有一种搭配,就是BIU,U型管换热器，
管壳式换热器
第十七章管壳式换热器（shellandtubeheatexchange）本章重点讲解内容：（1）熟悉管壳式换热器的整体结构及其类型；（2）熟悉主要零部件的作用及适用场合；（3）熟悉膨胀节的功能及其设置条件。
第一节总体结构管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备。
它具有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点，应用最为广泛，在换热设备中占据主导地位。
管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间。
管内的通道及与其相贯通的管箱称为管程（tube-side）；管外的通道及与其相贯通的部分称为壳程（shell-side）。
一种流体在管内流动，而另一种流体在壳与管束之间从管外表面流过，为了保证壳程流体能够横向流过管束，以形成较高的传热速率，在外壳上装有许多挡板。
以下结合不同类型的管壳式换热器介绍其相应的总体结构。
1、固定管板换热器其由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。
结构特点为：两块管板分别焊于壳体的两端，管束两端固定在管板上。
换热管束可做成单程、双程或多程。
它适用于壳体与管子温差小的场合。
图1固定管板换热器结构示意图优点：结构简单、紧凑。
在相同的壳体直径内，排管数最多，旁路最少；每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便。
缺点：壳程不能进行机械清洗；当换热管与壳体的温差较大（大于50°C）时产生温差应力，需在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度的限制不能太高。
固定管板式换热器适用于壳方流体清洁且不易结垢，两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。
2、浮头式换热器浮头式换热器适用于壳体和管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。
结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，称为浮头。
图2浮头式换热器结构示意图优点：当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗。
换热器类型及相关特点说明
换热器类型及相关特点说明化工工业中不同介质之间存在有大量热交换, 其中很大部分的热交换是通过换热器来完成的。
换热设备是化肥,化工,炼油工业及其他许多工业部门应用最广泛的设备, 在化工企业的建设中换热设备占总投资很大比重。
因此保证换热设备安全运行对其维护和检修质量是非常重要的。
1 管壳式换热器的类型特点常用的管壳式换热器有固定管饭式、浮头式和“U ”型管式。
(1)固定管板式换热器是将两端管板直接与壳体焊接在一起。
主要由外壳、管板、管束、封头等主要部件组成。
壳体中设置有管束,管束两端采用焊接、胀接或胀焊并有的方法将管子固定在管板上,管板外周围和封头法兰用螺栓紧固。
固定管板式换热器的结构简单、造价低廉、制造容易、管程清洗检修方便,但壳程清洗困难,管束制造后有温差应力存在。
当换热管与壳体有较大温差时,壳体上还应设有膨胀节。
(2)浮头式换热器一端管板固定在壳体与管箱之间, 另一端管板可以在壳体内自由移动,也就是壳体和管束热膨胀可自由。
故管束和壳体之间没有温差应力。
一般浮头可拆卸,管束可以自由地抽出和装入。
浮头式换热器的这种结构可以用在管束和壳体有较大温差的工况。
管束和壳体的清洗和检修较为方便, 但它的结构相对比较复杂,对密封的要求也比较高。
(3)U形管式换热器是将换热管炜成U形,两端固定在同一管板上。
由于壳体和换热管分开,换热管束可以自由伸缩,不会由于介质的温差而产生温差应力。
U形管换热器只有一块管板,没有浮头,结构比较简单。
管束可以自由的抽出和装入,方便清洗,具有浮头式换热器的优点,但由于换热管做成半径不等的U形弯,最外层换热管损坏后可以更换外,其它管子损坏只能堵管。
同时,它与固定管板式换热器相比,由于换热管受弯曲半径的限制它的管束中心部分存在空隙,流体很容易走短路,影响了传热效果。
2 管壳式换热器的失效形式换热器常见的损坏形式是腐蚀而泄露,壳体减薄。
腐蚀的部位主要在换热管、换热管与管板的连接处及壳体。
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五种管壳式换热器的主要类型
1、固定管板式换热器机组管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单，但只适用于冷热流体温度差不大，且壳程不需机械清洗时的换热操作。
当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。
2、浮头式换热器
管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出，便于机械清洗和检修。
浮头式换热器的应用较广，但结构比较复杂，造价较高。
3、U型管换热器
每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。
此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。
非金属材料换热器化工生产中强腐蚀性流体的换热，需采用陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金属材料制作管壳式换热器。
这类换热器的换热性能较差，只用于压力低、振动小、温度较低的场合。
流道的选择，进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：①不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便;②腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀;③压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力;④饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关，且冷凝液容易排出;⑤若两流体温度差较大，选用固定管板式换热器机组时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。
操作强化板式换热器机组当管壁两侧传热分系数相差很大时(如粘度小的液体与气体间的换热)，应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。
如果管外传热分系数小，可采用外螺纹管(低翅片管)，以增大管外一侧的传热面积和流体湍动，减小热阻。
如果管内传热分系数小，可在管内设置麻花铁，螺旋圈等添加物，以增强管内扰动，强化换热，当然这时流体的流动阻力也将增大。