高校實踐教學中換熱器的主要設計要點及步驟

陳俊英 方書起 劉利平 李攀

［摘 要］畢業設計、課程設計是高等教育實踐教學環節的重要內容之一，換熱器是化工、輕工等過程工業中重要的工藝設備，具有一定的代表性及典型性。高校相關工科專業大都將換熱器設計作為鍛煉學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計內容以及如何確定換熱器的換熱管數量、長度、殼體直徑等工藝參數，以期對學生的設計計算過程起到規范的作用，提高其工程設計的質量。

［關鍵詞］畢業設計；課程設計；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

畢業設計和課程設計作為本科實踐教學環節的重要內容，是培養本科生工程實踐能力的關鍵步驟，屬于人才培養方案中不可或缺的內容?！白吭焦こ處熃逃囵B計劃”和工程教育專業認證分別由教育部和專業認證機構推動實施，目的都是培養學生的工程意識以及強化與企業間的合作，都對實踐教學環節非?？粗?，注重培養學生的工程實踐能力，希望能培養出更多具有一定工程背景、能夠適應工業發展需要的各類工程技術人才。

換熱器作為常見的工藝設備，在化工、輕工、石化等行業得到了廣泛應用，具有典型性和代表性，換熱器設計是高校工科專業課程訓練的主要內容之一。筆者在指導學生進行換熱器的課程設計和畢業設計時發現，不少學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，不同的結構形式所涉及的設計計算內容也各不相同，因此本文選擇工業生產中最常見也是最具有代表性的管殼式換熱器的工藝設計進行介紹，為學生進行換熱器工藝設計提供參考，后續的換熱器結構設計可參考國家與行業的相關標準和資料[1]。

一、弄清換熱器的工作原理

換熱器是一種最常見的工業設備，主要用來實現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。教師在教學過程中要介紹清楚換熱器的工作原理，讓學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，使換熱面的一側溫度升高、熱流體溫度下降；換熱面兩側面間的傳熱是以導熱的方式，利用壁面介質把熱量傳遞到換熱面（壁面）的另一側，使另一側溫度也升高；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構形式

管殼式換熱器按照其結構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，溫差較大時需要設置膨脹節，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，經常需要設置隔板，適用于溫差較大或者殼程介質易結垢的場合；浮頭式換熱器的結構相對復雜，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、易揮發的介質；釜式重沸器設置有蒸發空間，容易清洗，可處理易結垢的介質。在進行設計時學生須根據生產工藝的要求選擇合適的類型和結構形式。固定管板式換熱器在工業生產中應用廣泛，作為一種基礎性的設計范例，具有一定的代表性，因此本文主要介紹該類換熱器的設計過程。

三、收集物料的物性參數和工藝操作參數

在設計換熱器前，學生必須先收集物料的物性參數和工藝操作參數才能進行工藝計算。物料的物性參數包括冷、熱物料在定性溫度下的密度、黏度、導熱系數、比熱容、汽化潛熱等參數。工藝操作參數主要包括換熱器內冷、熱流體的體積（或質量）流量以及兩側流體進出口溫度、壓力等。

四、換熱器工藝計算過程

換熱器設計對于學生而言屬于工程設計的類型，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、換熱面積和換熱器直徑等，后續的結構設計和強度校核可以根據國家的相關標準來完成。

（一）確定物料的流程，計算總傳熱量和平均傳熱溫差

學生要首先根據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；再根據各程介質的操作參數和物性參數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非清潔或易結垢、易分解的物料宜選擇易清洗的一側。對于直管束而言，此類物料一般選擇走管內。②腐蝕性介質最好選擇在管程。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）的介質以走管程為佳。⑤蒸汽介質一般適合在殼程。蒸汽側的傳熱系數大，蒸汽冷凝后產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。

根據上述的流程選擇原則，學生要學會根據不同介質的特點，確定管程和殼程的介質以及進出口管的位置，再根據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K

在換熱器工藝計算過程中，最為關鍵的環節是總傳熱系數K的計算，這也是學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K時需要考慮五個方面：殼程表面給熱系數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—換熱管內徑，b—換熱管壁厚，λ—換熱管的導熱系數。

計算總傳熱系數K對學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。學生應根據設計條件，在經驗數據范圍內進行K初始值的選擇。根據冷熱流體的流量、進出口溫度及相關物性參數，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。

根據介質物性等工藝條件選取換熱管材質、直徑和壁厚，換熱管的材質和介質的特性密切相關，如果介質有腐蝕性應選擇耐腐蝕的材料。假定管內流速，計算出所需要的換熱管根數和長度；如果發現計算出的換熱管長度很長，就需要考慮多管程。多管程數一般為偶數，程數越多，阻力越大，根據設計條件確定出管程數目。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??；根據相關參數計算出換熱管內、管外的給熱系數，估算出換熱器的直徑；再根據管壁熱阻、污垢熱阻等參數計算出一個新的K值。如果這個新K值和假設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K值后，根據總傳熱量的大小，利用溫差校正系數計算出相應的換熱面積A，最終確定換熱管數量和換熱器直徑。如何確定換熱管數量和殼體直徑，這是學生設計工作中的難點。若要確定換熱管數量，需要選擇換熱管規格，確定換熱管的直徑、厚度和材質。然后根據管程流體的常見流速范圍，選擇一個合適的管內流速u；根據換熱管內徑di的大小，由體積流量VA根據公式（2）確定單程換熱管的根數n；再根據公式（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值，而是需要根據管長標準規格選取，換熱管的長度規格有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，可以考慮將管程設為多管程，多管程的程數N一般是偶數2、4、6和8。

在管程數N和單程換熱管的根數n確定后，需要先根據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，再利用經驗公式（4）計算，或根據換熱管數量、管間距和管程數進行實際排列，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。

在換熱器結構形式確定后，最關鍵的部分是如何求取管內、管外給熱系數αi和αo。

根據管內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，計算出管內外的給熱系數，進而確定總傳熱系數K。

在設計計算過程中，學生應知道假定的總傳熱系數K、管程的流速等均應在工程經驗數值范圍內選取，而換熱管的長度、換熱器的直徑大小也必須根據標準的規格選取。如果殼程是蒸汽介質，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值，還需要乘以溫度校正系數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計余量。

（四）計算流動阻力損失

做換熱器設計時，必須分別計算管程、殼程介質的流動阻力損失，作為提供動力（泵的揚程或風機的風壓）選擇的依據。殼程介質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，要先確定換熱器內部的結構形式，而換熱器結構設計也需要按照相關標準進行。如果計算出的流動阻力損失過大，不能滿足生產要求，則需要重新對換熱器的結構進行設計，重新計算，直到滿足要求為止。通過自主完成整個環節的設計工作，學生會養成按相關標準規范進行工程設計的習慣。

五、結語

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

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 方書起.化工設備課程設計指導[M].北京：化學工業出版社，2010.

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

[3］ 陳海峰，石磊.管殼式換熱器的工藝設計方法[J].天津職業院校聯合學報，2014（2）：38-41，55.

[4］ 張奕.“雙一流”建設背景下來華留學研究生教育反饋研究[J].西北工業大學學報（社會科學版），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教育發展政策研究：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］