高校实践教学中换热器的主要设计要点及步骤_陈俊英.pdf

University Education收稿时间 2021-04-21基金项目 郑州大学研究生教改与质量提升工程及优质课程建设项目（YJSQYKC201906）；郑州大学教育教学改革研究与实践项目（2019ZZUJGLX139）。作者简介 陈俊英（1972），女，河南人，博士，教授，研究方向：生物质资源化。2022年11月November，2022University Education摘要 毕业设计、课程设计是高等教育实践教学环节的重要内容之一，换热器是化工、轻工等过程工业中重要的工艺设备，具有一定的代表性及典型性。高校相关工科专业大都将换热器设计作为锻炼学生工程能力的实践项目。文章主要介绍管壳式换热器的工艺设计内容以及如何确定换热器的换热管数量、长度、壳体直径等工艺参数，以期对学生的设计计算过程起到规范的作用，提高其工程设计的质量。关键词 毕业设计；课程设计；换热器；工艺计算中图分类号 G642.3 文献标识码 A 文章编号 2095-3437（2022）11-0083-03毕业设计和课程设计作为本科实践教学环节的重要内容，是培养本科生工程实践能力的关键步骤，属于人才培养方案中不可或缺的内容。“卓越工程师教育培养计划”和工程教育专业认证分别由教育部和专业认证机构推动实施，目的都是培养学生的工程意识以及强化与企业间的合作，都对实践教学环节非常看重，注重培养学生的工程实践能力，希望能培养出更多具有一定工程背景、能够适应工业发展需要的各类工程技术人才。换热器作为常见的工艺设备，在化工、轻工、石化等行业得到了广泛应用，具有典型性和代表性，换热器设计是高校工科专业课程训练的主要内容之一。笔者在指导学生进行换热器的课程设计和毕业设计时发现，不少学生对换热器的工艺计算缺乏必要的认识。由于换热器的种类繁多，不同的结构形式所涉及的设计计算内容也各不相同，因此本文选择工业生产中最常见也是最具有代表性的管壳式换热器的工艺设计进行介绍，为学生进行换热器工艺设计提供参考，后续的换热器结构设计可参考国家与行业的相关标准和资料1。一、弄清换热器的工作原理换热器是一种最常见的工业设备，主要用来实现两种或两种以上流体（最常见的是两种流体）间进行热量交换的设备2。两种流体热交换的间壁式换热器有两个空间（分别称为壳程和管程），这两个空间分别流过温度高的热流体和温度低的冷流体。教师在教学过程中要介绍清楚换热器的工作原理，让学生明白在热交换过程中，温度较高的热流体利用对流传热的方式把热量传递给温度较低的换热面（一般也称壁面）的一侧，使换热面的一侧温度升高、热流体温度下降；换热面两侧面间的传热是以导热的方式，利用壁面介质把热量传递到换热面（壁面）的另一侧，使另一侧温度也升高；最后又通过对流传热的方式，把壁面热量传递给温度更低的冷流体，使冷流体升温，从而实现热流体降温、冷流体升温这个完整的热量传递过程。二、正确选择换热器的类型及结构形式管壳式换热器按照其结构特点及适用场合可分为固定管板式、U形管式、浮头式、填料函式和釜式重沸器等不同类型。不同类型的换热器的优缺点及适用场合具体如表1所示。固定管板式换热器的管程容易清洗，温差较大时需要设置膨胀节，适合壳程为压力较低的清洁流体；U形管式换热器壳程容易走短路，经常需要设置隔板，适用于温差较大或者壳程介质易结垢的场合；浮头式换热器的结构相对复杂，制造较为困难，但换热管束可抽出清洗，与U形管式适用场合相似；填料函式换热器采用填料密封，容易泄露，不适合易燃、易爆、有毒害、易挥发的介质；釜式重沸器设置有蒸发空间，容易清洗，可处理易结垢的介质。在进行设计时学生须根据生产工艺的要求选择合适的类型和结构形式。固定管板式换热器在工业生产中应用广泛，作为一种基础性的设计范例，具有一定的代表性，因此本文主要介绍该类换热器的设计过程。三、收集物料的物性参数和工艺操作参数在设计换热器前，学生必须先收集物料的物性参数和工艺操作参数才能进行工艺计算。物料的物性参数包括冷、热物料在定性温度下的密度、黏度、导热系数、比热容、汽化潜热等参数。工艺操作参数主要包括换热器内冷、热流体的体积（或质量）流量以及两侧流体进出口温度、压力等。高校实践教学中换热器的主要设计要点及步骤陈俊英1方书起2刘利平2李攀21.郑州大学化工学院，河南郑州4500012.郑州大学机械与动力工程学院，河南郑州45000183四、换热器工艺计算过程换热器设计对于学生而言属于工程设计的类型，需要先完成工艺计算，确定总传热量、平均传热温差、总传热系数、换热面积和换热器直径等，后续的结构设计和强度校核可以根据国家的相关标准来完成。（一一）确定物料的流程确定物料的流程，计算总传热量和平均传热温差计算总传热量和平均传热温差学生要首先根据工艺要求选择换热器的类型，确定哪种物料适合走管程、哪种物料适合走壳程；再根据各程介质的操作参数和物性参数计算出换热器的总传热量和平均传热温差，为下一步计算总传热系数和传热面积做准备。确定流程时可遵循的原则主要有以下几个：非清洁或易结垢、易分解的物料宜选择易清洗的一侧。对于直管束而言，此类物料一般选择走管内。腐蚀性介质最好选择在管程。压力高的物料也宜选择在管程。作为热媒（温度很高）或冷媒（温度很低）的介质以走管程为佳。蒸汽介质一般适合在壳程。蒸汽侧的传热系数大，蒸汽冷凝后产生的冷凝液需要及时排出，走壳程便于排出冷凝液。给热系数小的物料（如气体）宜走壳程，易于加快其速度。被冷却的介质适合在壳程，更有利于散热。液体物料为了避免走短路一般采用下进上出的方式，而气体物料一般采用上进下出的方式。根据上述的流程选择原则，学生要学会根据不同介质的特点，确定管程和壳程的介质以及进出口管的位置，再根据所列的工艺条件计算出总传热量和平均传热温差等。（二二）假定并核算总传热系数假定并核算总传热系数K K在换热器工艺计算过程中，最为关键的环节是总传热系数K的计算，这也是学生需要重点掌握的部分。对管壳式换热器而言，传热面积以换热管外表面积为准。计算总传热系数 K 时需要考虑五个方面：壳程表面给热系数 o，壳程污垢热阻 Rso，管壁热阻 Rm=b/，管程污垢热阻Rsi，管程表面给热系数i。其具体的计算公式如下：1K=1O+RSO+bdOdm+RSidOdi+1idOdi（1）式中：do换热管外径，dm换热管中径，di换热管内径，b换热管壁厚，换热管的导热系数。计算总传热系数K对学生而言是重点也是难点，一般采用迭代法进行计算。首先需要选择一个初始的K值。学生应根据设计条件，在经验数据范围内进行K初始值的选择。根据冷热流体的流量、进出口温度及相关物性参数，计算出换热器的总传热量和平均传热温差；利用最初选择的K值计算出换热器的初始换热面积A。根据介质物性等工艺条件选取换热管材质、直径和壁厚，换热管的材质和介质的特性密切相关，如果介质有腐蚀性应选择耐腐蚀的材料。假定管内流速，计算出所需要的换热管根数和长度；如果发现计算出的换热管长度很长，就需要考虑多管程。多管程数一般为偶数，程数越多，阻力越大，根据设计条件确定出管程数目。选择换热管的排列方式（一般为正三角形和正方形）、管间距和折流板间距的大小；根据相关参数计算出换热管内、管外的给热系数，估算出换热器的直径；再根据管壁热阻、污垢热阻等参数计算出一个新的K值。如果这个新K值和假设值相差不大即认为满足要求，停止计算；如果两者相差较大，再以新计算出的 K 值重新进行计算，直到两个K值相差不大为止。其具体计算步骤如图1所示。计算出换热器总传热系数K值后，根据总传热量的大小，利用温差校正系数计算出相应的换热面积A，最终确定换热管数量和换热器直径。如何确定换热管数量和壳体直径，这是学生设计工作中的难点。若要确定换热管数量，需要选择换热管规格，确定换热管的直径、厚度和材质。然后根据管程流体的常见流速范围，选择一个合适的管内流速u；根据换热管内径di的大小，由体积流量VA根据公式（2）确定单程换热管的根数n；再根据公式（3）和换热面积 A计算出所需的换热管长度 L。换热管的实际长度并不一定是计算出的数值，而是需要换热器类型固定管板式换热器U形管式换热器浮头式换热器填料函式换热器釜式重沸器优点能够承受较高的压力，结构简单，设备造价低，管程清洗比较方便，便于更换维修。结构比较简单，承压能力较强，价格便宜。管间和管内清洗比较方便，不会产生热应力。管束沿壳体轴向能自由伸缩，不会产生热应力；结构较简单，加工制造方便。有蒸发空间，清洗维修方便，可承受高温高压。缺点温差大或者材料线膨胀系数相差大时，产生的热应力较大。换热管排布少，壳程容易走短路，对传热不利。结构复杂，浮头端的小盖无法检查，制造时对密封要求较高，设备造价高且较笨重。不适合用于易燃、易爆、易挥发、有毒及贵重介质，使用温度受限。加工制造较复杂。适用场合壳侧为清洁介质，两侧温差不大或者虽然温差较大但壳侧压力不高的场合。两侧温差较大或壳程容易结垢的场合；管内尤其适合走清洁、不易结垢的高温、高压及腐蚀性强的物料。两侧温差较大或者壳程容易结垢的场合。4MPa以下的工作条件。不清洁、易结垢的介质。表1五种管壳式换热器的优特点和适用场合2-384University Education根据管长标准规格选取，换热管的长度规格有1m、2m、2.5m、3m、4.5m、6m、7.5m、9m和12m等。如果计算出的单程换热管太长，可以考虑将管程设为多管程，多管程的程数N一般是偶数2、4、6和8。n=4VAd2iu（2）l=Adn（3）在管程数N和单程换热管的根数n确定后，需要先根据换热管的直径和管外流体的清洁程度，选择换热管的排列方式为正三角形或正方形，管间距t的大小和管板利用率，再利用经验公式（4）计算，或根据换热管数量、管间距和管程数进行实际排列，确定换热器的壳体直径D，并圆整到标准直径。换热管的长度与换热器的公称直径之比大都选择在310之间，但也有高达25的。D=1.05tNn（4）在换热器结构形式确定后，最关键的部分是如何求取管内、管外给热系数i和o。根据管内外流体的物性及有无相变的情况，考虑选择强制对流还是自然对流以及采用垂直管还是水平管等不同的场合来选择计算公式，计算出管内外的给热系数，进而确定总传热系数K。在设计计算过程中，学生应知道假定的总传热系数K、管程的流速等均应在工程经验数值范围内选取，而换热管的长度、换热器的直径大小也必须根据标准的规格选取。如果壳程是蒸汽介质，在进行换热管排列时还要考虑防冲挡板的位置，壳程直径不能选得太小。（三三）确定换热面积确定换热面积上述计算温差时没有考虑到多管程的影响，所以对多管程来说，前面估算的温差并不能代表正确的数值，还需要乘以温度校正系数，对换热面积进行重新核算。而实际换热面积常取计算值的1.101.15倍，主要是为了留有一定的设计余量。（四四）计算流动阻力损失计算流动阻力损失做换热器设计时，必须分别计算管程、壳程介质的流动阻力损失，作为提供动力（泵的扬程或风机的风压）选择的依据。壳程介质的流动阻力包括进出管口阻力、横过换热管的阻力以及通过折流板缺口的阻力之和。管程介质的总阻力损失则包括进出管口处的局部阻力损失、各程的直管段损失、每程的回弯阻力损失等。计算流动阻力的损失时，要先确定换热器内部的结构形式，而换热器结构设计也需要按照相关标准进行。如果计算出的流动阻力损失过大，不能满足生产要求，则需要重新对换热器的结构进行设计，重新计算，直到满足要求为止。通过自主完成整个环节的设计工作，学生会养成按相关标准规范进行工程设计的习惯。五、结语随着共建“一带一路”、建设“双一流”高校的深入开展，吸引外国留学生来华接受教育是目前国内高校发展国际化教育的重要途径4。笔者所教授的留学生来自不同的国家，有美国、巴基斯坦、印度、苏丹、喀麦隆等，近年“一带一路”沿线国家的留学生数量大幅增加5。这些留学生学习背景大不相同，所学的专业知识也参差不齐，对于化工类生产设备的设计过程以及所用的标准规范缺乏了解。通过规范换热器设计的工艺计算，不仅可以进一步加深国内外学生对相关专业基础理论知识的认识和提高其应用能力，让学生掌握专业设备的工程设计方法，而且能够提高其学习积极性，增强其工程意识和专业自豪感，优化其专业技能学习效果。参考文献1 方书起.化工设备课程设计指导 M.北京：化学工业出版社，2010.2 陈敏恒，从德滋，方图南，等.化工原理 M.3版.北京：化学工业出版社，2011.3 陈海峰，石磊.管壳式换热器的工艺设计方法 J.天津职业院校联合学报，2014（2）：38-41，55.4 张奕.“双一流”建设背景下来华留学研究生教育反馈研究J.西北工业大学学报（社会科学版），2020（2）：51-59.5 张轶，周茜，苟朝莉.“一带一路”背景下重庆市来华留学教育发展政策研究：基于政策比较分析视角 J.重庆高教研究，2021（5）：13-25.责任编辑责任编辑：庞丹丹庞丹丹图1换热器工艺计算步骤示意图选择管程、壳程流体计算换热器有效传热量选择换热管材质、直径、壁厚初选管内流速、确定管子根数确定换热管的直径确定换热管的排列方式和管间距计算传热平均温差计算换热管长L，确定是否分程初选传热系数K，计算换热面积A计算管内、管外给热系数i、0校核总传热系数K再次计算换热面积A再次确定换热管数量和换热器直径计算管程、壳程的压力损失满足要求否是结束85