关于管壳式换热器的研究

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关于管壳式换热器的研究

摘要：随着科学技术的不断发展，管壳式换热器的设计技术越来越成熟，利用计算机软件等数值模拟使得传统设计思路日趋现代化。

关键词：管壳式换热器、计算机技术、进展

一、 前言

过程工业是一个国家发展生产和增强国防力量的基础，也是现代工业的基础，目前，我国过程工业产值约占工业总产值的37%，占制造业的64.9%,在国民经济中有着举足轻重的地位[1]。过程工业的产品主要是工农业生产所需的原料及人民生活的必需品。过程工业的发展不仅极大的丰富了我国的商品供应，而且使我国一些重要工业产品的产量跃居世界前列[2]。没有过程工业的快速发展，我国不可能由一个农业国变为世界制造业大国和强国，也不可能实现民富国强的民族复兴和现代文明。

改革开放以来，我国的过程工业已有较大的发展，但还不能完全满足市场需求，一些产品还需从国外进口，且进口数量较大。因此，我国过程工业尚有较大的发展空间。

在换热设备中，应用最广泛的是管壳式换热器，它具有选材范围广 ，换热表面清洗较方便，适用性较强，处理能力大 ，能承受高温和高压等特点[3]。管壳式换热器是理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化和规范化历史最悠久以及计算机程序软件开发最早的换热设备、在石油、化工生产中应用十分广泛[4]。

二、 正文

随着世界人口的不断增长和工业的持续发展,能源短缺的问题将成为人类不得不面临的一个严峻挑战。为此,越来越多的研究者将工业节能作为了研究课题[5]。对于管壳式换热器强化传热的研究也在不断的深入进行当中。管壳式换热器易于制造,生产成本较低,选材范围广,清洗方便,适应性强,容量大,工作可靠,并且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热强度和单位传热面积的金属耗量方面无法与板式或板翅式换热器相比,但该类换热器仍然是目前应用最广泛、理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化和规范化历史最悠久以及计算机程序软件开发最早的换热设备[6]。它作为一种标准换热设备在很多工业部门中大量使用。在石油、化工及能源等部门所使用的换热设备中,管壳式换热器仍处于主导地位。换热器向高温、高压以及大容量的发展,给管壳式换热器增添了新的生命力[7-8]。

计算机科学与技术的发展,为换热器的设计带来了革命性变化。计算机在换热器的设计方面主要经历了三个阶段或者说开展了三个方面的工作 : ①开发通用的、考虑换热器标准的工艺和机械设计等程序,建立换热器的计算机辅助设计系统以代替繁琐的手工设计。②除了考虑换热器的工艺和机械设计外,还将工程最优化理论引入设计程序,以年度投资操作和维护费用最低、换热器面积最小以及年净收益最大等为目标函数,建立换热器的优化设计软件包。③以计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics ,简称CFD)为基础,开展换热器的三维流动和传热行为的数值模拟[9],以解决设计和放大问题。其中,前两方面的工作起步较早,进展较快,并且已有许多市售软件[10]。目前比较常用的有HTRI、HTFS、BJAC、THREM、CCTherm和HEATDESIGN等设计软件包。这些计算程序和软件已成为换热器工艺计算的主要手段,在国内也得到了广泛应用。但是,换热器的CFD模拟开始相对较晚,由Patankar于1972年提出,由于物理数学模型的复杂性和受计算机速度和容量的限制而进展缓慢[11]。管壳式换热器内的流动是一个复杂的三维流动,要完全准确模拟出工业规模换热器内部的每一个流动和传递细节,从而确定出流动阻力和传热系数,目前尚难以实现,因此,这方面的工作大多数处于学术研究阶段[12]。如果要模拟一些简单的实际工况,需要借助于假设和模型。

在计算机程序应用中，Excel已经应用于换热器设计，用 Excel进行换热器设计 ，不仅大大节省了设计人员的时间和精力，而且很大程度上避免了由于大量计算而出现计算错误的情况[13-17]。利用 Excel制作成标准化的换热器设计电子表格模板，在往后的换热器设计中可随时调用，方便快捷[18]。

一种新型高效螺旋折流板换热器有望成为管壳式换热器升级换代的主导产品，大型石油、化工企业将能以简捷和低成本的方式实现节能。从杭州华东化工装备实业有限公司了解到，其研制的新型高效螺旋折流板换热器——全封闭流道连续型无中心管螺旋折流板换热器在杭州龙山化工有限公司应用后，换热器传热效率较原先提高77.8%。这种全封闭流道连续型无中心管螺旋折流板换热器，使壳程内介质以理想的螺旋流形式通过壳程流道。其创新点体现在三个方面：一是自主设计了一种无中心管的全封闭螺旋流道，在一个螺旋行程内，由两块折流板连续组成折流组，若干个螺旋组通过螺旋板连接，与壳体内壁和传热管外壁形成密封螺旋流道，使换热器的壳程内形成正真意义上的全封闭螺旋流道，从而大大提高了流体的湍流程度，减少了积垢，提高了换热效率；二是采用了阻流板技术，减少了热量损失；三是采用了整体防震技术，进一步强化了换热器管束的抗震能力，延长了设备的使用寿命。该换热器获得了国家发明专利和国际发明专利[19-20]。

三、结论

随着科学技术的不断发展，现代计算机控制系统正逐步深入传统工业。管壳式换热器的最新研究进展预示着其设计方式的创新，为我国社会主义现代化的建设提供科技支撑，为把我国发展成为世界强国提供科技力量。

四、参考文献

[1]姚培，强化传热在管壳式换热器设计中的应用[J]，常州工程职业技术学院院报，200704，48-53

[2]祝建章，Excel在换热器设计中的应用[J]，广州化工，2011，39（18），38-107

[3]张兴刚，管壳式换热器升级换代[N]，中国化工报，2011 08 15

[4]王福新，王玉，管壳式换热器壳程流体通道设计[J]，石油化工设备，201114，22-24

[5]解小銮，管壳式换热器设计的几个问题[J]，石油化工设备，201114，22-24

[6]宋继伟，许明田，程林，换热器分段设计方法的理论分析[J]，中国科学，2011，56（13） 1060-1064

[7]蒲星星，刘尚明，蒋洪德，应用遗传法优化设计管壳式换热器[J]，安徽化工，2011 12，37（6），54-55

[8]曾宏，叶长啖，管壳式换热器复合形法优化设计[J]，泉州师范学院院报，201111 29（6），39-44

学院：石化学院

专业：化工过程机械

姓名：夏欣

学号：125080706001