浮头式换热器的选型设计

南华大学化学化工学院化工工艺991班学号：19994540110祝岱燕指导老师：范明舫2003年6月17日浮头式换热器的选型设计摘要本文从原理上较详细地阐述了传热速率和传热系数的计算方法与步骤，针对影响浮头式换热器换热的参数，用FORTRAN语言编写了换热器性能值（面积裕量系数、压降等）的程序。用正交表安排实验，使FORTRAN语言程序按正交表中的实验顺序运行。再用极差、方差分析了数据，甄选出了各影响因素的最佳水平，最终得到浮头式换热器的最佳参数组合。浮头式换热器的选型设计步骤•换热器的概述•换热器设计的基本要求•列管换热器的选用和设计计算步骤•设计任务及要求•设计部分•验证程序•结论•致谢•换热器是在不同温度的流体间传递热能的装置。•换热器从工作原理上分为间壁式、混合式和蓄热式三大类。其中，间壁式换热器应用最广，而且对它的研究也最充分。•其中的管壳式换热器，易于制造，生产成本低，选材范围广，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压。到目前为止，应用最广，处于统治地位。•我们研究的浮头式换热器就是管壳式换热器的一种。•换热器设计的基本要求•冷、热流体流动通道的选择•流体流速的选择•管子的规格和排列•管程和壳程数的确定•外壳直径的确定•流动阻力的计算•计算并初选换热器规格•计算管壳程压强降•核算总传热系数•处理数据•当今计算机技术突飞猛进，应用计算机不仅可以节省人力，提高效率，而且可以进行优化设计和控制，使其技术经济性能达到最佳值。•计算机程序不仅可以缩短计算时间，减少人为的出错，而且能进行最佳设计，求出所要求的结果。•正交实验方法能通过较少的试验次数获得最佳的试验条件和较为明确可靠的结论。在设计中，我们选取了四个基本的参数，达到优化设计。正交实验•正交实验的特点：•1、在各列中各个不同的数字出现的次数是相同的。2、任意两个纵列其横方向形成的不同数对出现的次数也是相同的。•常用到两种实验方法：一种是直观分析法，另一种是极差分析法。•一、浮头式换热器的参数设计如下：•因子水平•管程AA1=2A2=4A3=6•内径B(mm)B1=19×2B2=25×2B3=25×2.5•公称直径C(m)C1=0.6C2=0.7C3=0.8•挡板间距D(m)D1=0.15D2=0.2D3=0.3•管长E(m)E1=3E2=4.5E3=6•根据水平表列出正交表，并从《中华人民共和国行业标准JB/T4714-92浮头式换热器型式与基本参数》找出与之相对应的管子根数与传热面积。如下浮头式外导流换热器的正交表为L18(2×37)依据正交表输入各项参数计算传热量Q，柴油出口温度T2，确定校正系数C、BDO循环，18组数组当RB=0.025时，FS=1.4，T=0.032当RB=0.019时，FS=1.5，T=0.025计算管内径DS，管程流通面积Ai,流速Ui，雷诺系数Rei,管壁粗糙度EE计算直管中的摩擦系数PE，计算管程压降PPI，管程对流传热系数OI计算管间最大截面积S、流速u0、当量直径de、雷诺系数Re0、对空气流而言Pr0壳程对流传热系数αoRe01900，OB=?Re0≥1900，OB=?先算出两流体的平均温度差（Δtm´），AA再算PP、RR来求温度差校正系数（φΔtm´），AT平均温度差（Δtm），AB因为管壁厚度可忽略不计，使d0，di，dm近似相等依据公式K=1/(1/αi+Rsi+b/λ+Rs0+1/α0)求出K计算换热面积SO（S），并与实际规格中的换热面积相比较R=RH/SO因作正方形旋转45°排列，管束中心线的管数nc=1.19×(n)0.5壳程流通面积SO，流速（µOB）µ0，雷诺系数REB，壳程流体摩擦系数FO（fo）,折流档板数BN（NB）壳程压降的结垢校正因数FS，液体取1.15，气体取1.0，串联壳程数NS=1壳程压强降∑ΔP0=(ΔP1´+ΔP2´)FsNs若PPI〈101000且PPO〈101000继续循环下去V（N）=R结果利用极差和方差分析数据•极差分析极差R指各列中对应的K1、K2和K3值当中的极大值与极小值的差值。R值越大，则对应因素对换热器的影响越大。所以从极差分析表可以看出，影响浮头式换热器的各因素的主次顺序为：管长管程内径公称直径挡板间距由此我们得到最佳参数为管程为4，内径为Ф25×2.5mm，公称直径为0.6m，挡板间距为0.3m,管长为4.5m。将此参数组合代入原程序中计算可得到以下数据：管程压降为17215.45Pa,壳程压降为4497.184Pa,面积S计为56.5m2，K/K计为1.15。•方差分析检验显著性的统计量F为两个均方（方差）的比值，方差是指偏差平方和除以它的自由度。在正交试验法的计算中，位于第i列的因素对试验指标影响的显著性程度可用Fi进行检验，它的计算式为：Fi=第i列因素的方差Vi/试验误差的方差Ve而Vi=Si/fiVe=Se/fe其中：Si—第i列上因素的偏差平方和；Se—试验误差的偏差平方和。方差分析可知，管长、管程、内径和公称直径对换热器的影响均为高度显著，挡板间距对换热器的影响不显著。此结论与极差分析结果相同。•为了验证程序的正确与否，我们把选出来的换热器最佳参数组合代入教材上的设计原例中进行计算。•为充分利用柴油热量，柴油走管程，原油走壳程，计算原油的定性温度、热负荷、柴油出口温度、逆流平均温差。•由极差、方差分析得最好的组合为四管程、内径为Ф25×2.5mm、公称直径为0.6m、挡板间距为0.3m、管子长度为4.5m。•查《中华人民共和国行业标准浮头式换热器形式与基本参数》知管子根数为188，计算换热面积为64.8m2。•计算管程流动压力降及对流传热系数αi•计算壳程压降及对流传热系数α0•计算传热面积S=64.8m2•求得K计/K=S/S计=64.8/56.496=1.15•因为K计/K的值在1.15-1.25之间，由此可知，原程序运行结果与手动计算结果相同，证明程序无误。•本设计通过用现代化的科学技术和先进工具来代替传统的设计方法，即用计算机程序运算代替复杂的手算过程，用正交试验来进行优化设计，用极差、方差的分析方法来分析数据筛选出最佳的参数组合，得到了浮头式换热器的最佳参数组合为：管程为4，内径为Ф25×2.5mm，公称直径为0.6m，挡板间距为0.3m，管长为4.5m。将此参数组合代入原程序中计算可得到以下数据：管程压降为17215.45Pa，壳程压降为4497.184Pa，面积S计为56.5m2，K/K计为1.15。致谢•在本论文设计过程当中，得到了范明舫老师的悉心指导和大力支持。在此特表示衷心的感谢。•因本人水平有限，论文中纰漏在所难免，恳请各位老师批评指正。