高校實踐教學(xué)中換熱器的主要設(shè)計要點及步驟

陳俊英 方書起 劉利平 李攀

［摘 要］畢業(yè)設(shè)計、課程設(shè)計是高等教育實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容之一，換熱器是化工、輕工等過程工業(yè)中重要的工藝設(shè)備，具有一定的代表性及典型性。高校相關(guān)工科專業(yè)大都將換熱器設(shè)計作為鍛煉學(xué)生工程能力的實踐項目。文章主要介紹管殼式換熱器的工藝設(shè)計內(nèi)容以及如何確定換熱器的換熱管數(shù)量、長度、殼體直徑等工藝參數(shù)，以期對學(xué)生的設(shè)計計算過程起到規(guī)范的作用，提高其工程設(shè)計的質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］畢業(yè)設(shè)計；課程設(shè)計；換熱器；工藝計算

［中圖分類號］ G642.3 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）11-0083-03

畢業(yè)設(shè)計和課程設(shè)計作為本科實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容，是培養(yǎng)本科生工程實踐能力的關(guān)鍵步驟，屬于人才培養(yǎng)方案中不可或缺的內(nèi)容?！白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計劃”和工程教育專業(yè)認證分別由教育部和專業(yè)認證機構(gòu)推動實施，目的都是培養(yǎng)學(xué)生的工程意識以及強化與企業(yè)間的合作，都對實踐教學(xué)環(huán)節(jié)非?？粗?，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，希望能培養(yǎng)出更多具有一定工程背景、能夠適應(yīng)工業(yè)發(fā)展需要的各類工程技術(shù)人才。

換熱器作為常見的工藝設(shè)備，在化工、輕工、石化等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，具有典型性和代表性，換熱器設(shè)計是高校工科專業(yè)課程訓(xùn)練的主要內(nèi)容之一。筆者在指導(dǎo)學(xué)生進行換熱器的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計時發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生對換熱器的工藝計算缺乏必要的認識。由于換熱器的種類繁多，不同的結(jié)構(gòu)形式所涉及的設(shè)計計算內(nèi)容也各不相同，因此本文選擇工業(yè)生產(chǎn)中最常見也是最具有代表性的管殼式換熱器的工藝設(shè)計進行介紹，為學(xué)生進行換熱器工藝設(shè)計提供參考，后續(xù)的換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計可參考國家與行業(yè)的相關(guān)標準和資料[1]。

一、弄清換熱器的工作原理

換熱器是一種最常見的工業(yè)設(shè)備，主要用來實現(xiàn)兩種或兩種以上流體（最常見的是兩種流體）間進行熱量交換的設(shè)備[2]。兩種流體熱交換的間壁式換熱器有兩個空間（分別稱為殼程和管程），這兩個空間分別流過溫度高的熱流體和溫度低的冷流體。教師在教學(xué)過程中要介紹清楚換熱器的工作原理，讓學(xué)生明白在熱交換過程中，溫度較高的熱流體利用對流傳熱的方式把熱量傳遞給溫度較低的換熱面（一般也稱壁面）的一側(cè)，使換熱面的一側(cè)溫度升高、熱流體溫度下降；換熱面兩側(cè)面間的傳熱是以導(dǎo)熱的方式，利用壁面介質(zhì)把熱量傳遞到換熱面（壁面）的另一側(cè)，使另一側(cè)溫度也升高；最后又通過對流傳熱的方式，把壁面熱量傳遞給溫度更低的冷流體，使冷流體升溫，從而實現(xiàn)熱流體降溫、冷流體升溫這個完整的熱量傳遞過程。

二、正確選擇換熱器的類型及結(jié)構(gòu)形式

管殼式換熱器按照其結(jié)構(gòu)特點及適用場合可分為固定管板式、U形管式、浮頭式、填料函式和釜式重沸器等不同類型。不同類型的換熱器的優(yōu)缺點及適用場合具體如表1所示。固定管板式換熱器的管程容易清洗，溫差較大時需要設(shè)置膨脹節(jié)，適合殼程為壓力較低的清潔流體；U形管式換熱器殼程容易走短路，經(jīng)常需要設(shè)置隔板，適用于溫差較大或者殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合；浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，制造較為困難，但換熱管束可抽出清洗，與U形管式適用場合相似；填料函式換熱器采用填料密封，容易泄露，不適合易燃、易爆、有毒害、易揮發(fā)的介質(zhì)；釜式重沸器設(shè)置有蒸發(fā)空間，容易清洗，可處理易結(jié)垢的介質(zhì)。在進行設(shè)計時學(xué)生須根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求選擇合適的類型和結(jié)構(gòu)形式。固定管板式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，作為一種基礎(chǔ)性的設(shè)計范例，具有一定的代表性，因此本文主要介紹該類換熱器的設(shè)計過程。

三、收集物料的物性參數(shù)和工藝操作參數(shù)

在設(shè)計換熱器前，學(xué)生必須先收集物料的物性參數(shù)和工藝操作參數(shù)才能進行工藝計算。物料的物性參數(shù)包括冷、熱物料在定性溫度下的密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、汽化潛熱等參數(shù)。工藝操作參數(shù)主要包括換熱器內(nèi)冷、熱流體的體積（或質(zhì)量）流量以及兩側(cè)流體進出口溫度、壓力等。

四、換熱器工藝計算過程

換熱器設(shè)計對于學(xué)生而言屬于工程設(shè)計的類型，需要先完成工藝計算，確定總傳熱量、平均傳熱溫差、總傳熱系數(shù)、換熱面積和換熱器直徑等，后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核可以根據(jù)國家的相關(guān)標準來完成。

（一）確定物料的流程，計算總傳熱量和平均傳熱溫差

學(xué)生要首先根據(jù)工藝要求選擇換熱器的類型，確定哪種物料適合走管程、哪種物料適合走殼程；再根據(jù)各程介質(zhì)的操作參數(shù)和物性參數(shù)計算出換熱器的總傳熱量和平均傳熱溫差，為下一步計算總傳熱系數(shù)和傳熱面積做準備。

確定流程時可遵循的原則主要有以下幾個：①非清潔或易結(jié)垢、易分解的物料宜選擇易清洗的一側(cè)。對于直管束而言，此類物料一般選擇走管內(nèi)。②腐蝕性介質(zhì)最好選擇在管程。③壓力高的物料也宜選擇在管程。④作為熱媒（溫度很高）或冷媒（溫度很低）的介質(zhì)以走管程為佳。⑤蒸汽介質(zhì)一般適合在殼程。蒸汽側(cè)的傳熱系數(shù)大，蒸汽冷凝后產(chǎn)生的冷凝液需要及時排出，走殼程便于排出冷凝液。⑥給熱系數(shù)小的物料（如氣體）宜走殼程，易于加快其速度。⑦被冷卻的介質(zhì)適合在殼程，更有利于散熱。⑧液體物料為了避免走短路一般采用下進上出的方式，而氣體物料一般采用上進下出的方式。

根據(jù)上述的流程選擇原則，學(xué)生要學(xué)會根據(jù)不同介質(zhì)的特點，確定管程和殼程的介質(zhì)以及進出口管的位置，再根據(jù)所列的工藝條件計算出總傳熱量和平均傳熱溫差等。

（二）假定并核算總傳熱系數(shù)K

在換熱器工藝計算過程中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是總傳熱系數(shù)K的計算，這也是學(xué)生需要重點掌握的部分。對管殼式換熱器而言，傳熱面積以換熱管外表面積為準。計算總傳熱系數(shù)K時需要考慮五個方面：殼程表面給熱系數(shù)αo，殼程污垢熱阻Rso，管壁熱阻Rm=b/λ，管程污垢熱阻Rsi，管程表面給熱系數(shù)αi。其具體的計算公式如下：

式中：do—換熱管外徑，dm—換熱管中徑，di—換熱管內(nèi)徑，b—換熱管壁厚，λ—換熱管的導(dǎo)熱系數(shù)。

計算總傳熱系數(shù)K對學(xué)生而言是重點也是難點，一般采用迭代法進行計算。

首先需要選擇一個初始的K值。學(xué)生應(yīng)根據(jù)設(shè)計條件，在經(jīng)驗數(shù)據(jù)范圍內(nèi)進行K初始值的選擇。根據(jù)冷熱流體的流量、進出口溫度及相關(guān)物性參數(shù)，計算出換熱器的總傳熱量和平均傳熱溫差；利用最初選擇的K值計算出換熱器的初始換熱面積A。

根據(jù)介質(zhì)物性等工藝條件選取換熱管材質(zhì)、直徑和壁厚，換熱管的材質(zhì)和介質(zhì)的特性密切相關(guān)，如果介質(zhì)有腐蝕性應(yīng)選擇耐腐蝕的材料。假定管內(nèi)流速，計算出所需要的換熱管根數(shù)和長度；如果發(fā)現(xiàn)計算出的換熱管長度很長，就需要考慮多管程。多管程數(shù)一般為偶數(shù)，程數(shù)越多，阻力越大，根據(jù)設(shè)計條件確定出管程數(shù)目。選擇換熱管的排列方式（一般為正三角形和正方形）、管間距和折流板間距的大小；根據(jù)相關(guān)參數(shù)計算出換熱管內(nèi)、管外的給熱系數(shù)，估算出換熱器的直徑；再根據(jù)管壁熱阻、污垢熱阻等參數(shù)計算出一個新的K值。如果這個新K值和假設(shè)值相差不大即認為滿足要求，停止計算；如果兩者相差較大，再以新計算出的K值重新進行計算，直到兩個K值相差不大為止。其具體計算步驟如圖1所示。

計算出換熱器總傳熱系數(shù)K值后，根據(jù)總傳熱量的大小，利用溫差校正系數(shù)計算出相應(yīng)的換熱面積A，最終確定換熱管數(shù)量和換熱器直徑。如何確定換熱管數(shù)量和殼體直徑，這是學(xué)生設(shè)計工作中的難點。若要確定換熱管數(shù)量，需要選擇換熱管規(guī)格，確定換熱管的直徑、厚度和材質(zhì)。然后根據(jù)管程流體的常見流速范圍，選擇一個合適的管內(nèi)流速u；根據(jù)換熱管內(nèi)徑di的大小，由體積流量VA根據(jù)公式（2）確定單程換熱管的根數(shù)n；再根據(jù)公式（3）和換熱面積A計算出所需的換熱管長度L。換熱管的實際長度并不一定是計算出的數(shù)值，而是需要根據(jù)管長標準規(guī)格選取，換熱管的長度規(guī)格有1m、2m、2.5m、3m、4.5m、6m、7.5m、9m和12m等。如果計算出的單程換熱管太長，可以考慮將管程設(shè)為多管程，多管程的程數(shù)N一般是偶數(shù)2、4、6和8。

在管程數(shù)N和單程換熱管的根數(shù)n確定后，需要先根據(jù)換熱管的直徑和管外流體的清潔程度，選擇換熱管的排列方式為正三角形或正方形，管間距t的大小和管板利用率η，再利用經(jīng)驗公式（4）計算，或根據(jù)換熱管數(shù)量、管間距和管程數(shù)進行實際排列，確定換熱器的殼體直徑D，并圓整到標準直徑。換熱管的長度與換熱器的公稱直徑之比大都選擇在3～10之間，但也有高達25的。

在換熱器結(jié)構(gòu)形式確定后，最關(guān)鍵的部分是如何求取管內(nèi)、管外給熱系數(shù)αi和αo。

根據(jù)管內(nèi)外流體的物性及有無相變的情況，考慮選擇強制對流還是自然對流以及采用垂直管還是水平管等不同的場合來選擇計算公式，計算出管內(nèi)外的給熱系數(shù)，進而確定總傳熱系數(shù)K。

在設(shè)計計算過程中，學(xué)生應(yīng)知道假定的總傳熱系數(shù)K、管程的流速等均應(yīng)在工程經(jīng)驗數(shù)值范圍內(nèi)選取，而換熱管的長度、換熱器的直徑大小也必須根據(jù)標準的規(guī)格選取。如果殼程是蒸汽介質(zhì)，在進行換熱管排列時還要考慮防沖擋板的位置，殼程直徑不能選得太小。

（三）確定換熱面積

上述計算溫差時沒有考慮到多管程的影響，所以對多管程來說，前面估算的溫差并不能代表正確的數(shù)值，還需要乘以溫度校正系數(shù)φ，對換熱面積進行重新核算。而實際換熱面積常取計算值的1.10～1.15倍，主要是為了留有一定的設(shè)計余量。

（四）計算流動阻力損失

做換熱器設(shè)計時，必須分別計算管程、殼程介質(zhì)的流動阻力損失，作為提供動力（泵的揚程或風(fēng)機的風(fēng)壓）選擇的依據(jù)。殼程介質(zhì)的流動阻力包括進出管口阻力、橫過換熱管的阻力以及通過折流板缺口的阻力之和。管程介質(zhì)的總阻力損失則包括進出管口處的局部阻力損失、各程的直管段損失、每程的回彎阻力損失等。

計算流動阻力的損失時，要先確定換熱器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式，而換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計也需要按照相關(guān)標準進行。如果計算出的流動阻力損失過大，不能滿足生產(chǎn)要求，則需要重新對換熱器的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，重新計算，直到滿足要求為止。通過自主完成整個環(huán)節(jié)的設(shè)計工作，學(xué)生會養(yǎng)成按相關(guān)標準規(guī)范進行工程設(shè)計的習(xí)慣。

五、結(jié)語

隨著共建“一帶一路”、建設(shè)“雙一流”高校的深入開展，吸引外國留學(xué)生來華接受教育是目前國內(nèi)高校發(fā)展國際化教育的重要途徑[4]。筆者所教授的留學(xué)生來自不同的國家，有美國、巴基斯坦、印度、蘇丹、喀麥隆等，近年“一帶一路”沿線國家的留學(xué)生數(shù)量大幅增加[5]。這些留學(xué)生學(xué)習(xí)背景大不相同，所學(xué)的專業(yè)知識也參差不齊，對于化工類生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計過程以及所用的標準規(guī)范缺乏了解。通過規(guī)范換熱器設(shè)計的工藝計算，不僅可以進一步加深國內(nèi)外學(xué)生對相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)理論知識的認識和提高其應(yīng)用能力，讓學(xué)生掌握專業(yè)設(shè)備的工程設(shè)計方法，而且能夠提高其學(xué)習(xí)積極性，增強其工程意識和專業(yè)自豪感，優(yōu)化其專業(yè)技能學(xué)習(xí)效果。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 方書起.化工設(shè)備課程設(shè)計指導(dǎo)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2］ 陳敏恒，從德滋，方圖南，等.化工原理[M].3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3］ 陳海峰，石磊.管殼式換熱器的工藝設(shè)計方法[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報，2014（2）：38-41，55.

[4］ 張奕.“雙一流”建設(shè)背景下來華留學(xué)研究生教育反饋研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2020（2）：51-59.

[5］ 張軼，周茜，茍朝莉.“一帶一路”背景下重慶市來華留學(xué)教育發(fā)展政策研究：基于政策比較分析視角[J].重慶高教研究，2021（5）：13-25.

［責任編輯：龐丹丹］