管翅式换热器优化设计方案方法(较为详细表述)

管翅式换热器性能及结构综合优化的热设计方法

陈维汉周飚

华中科技大学能源与动力工程学院

摘要：本文给出一种由翅片<或肋片）管组成的管翅式换热器的优化设计新方法。该方法的理论依据是给定换热器结构材料而使的换热量最大的两侧换热表面的最佳匹配准则和两侧流体流动换热过程最佳的结构尺寸准则，以及使可用能损失率最小的最佳运行参数准则。利用三个准则间的关系，采用迭代方式完最终成换热器的优化设计。这样的设计方法能使换热器的设计达到材料省、换热效果好与运行费用低的目的，且能在设计阶段实现。

关键词：管翅式换热器、换热表面间的最佳匹配准则、换热过程最佳结构参数准则、换热过程可用能损失率分析、考虑综合性能的优化设计法

图书分类号：TK124

1 引言

管翅式换热器是广泛应用的热交换设备之一。它常常应用在两侧流体的换热性能相差甚大的情况下，通常是以管外侧安装翅化表面来减小换热性能较差流体的换热热阻，而换热性能较好的流体在管内流动仍然保持较小的换热热阻，从而达到整体增强换热器传热效果的目的。对于这样的换热器，如何去设计和运行是摆在工程技术人员面前的首要问题。对于换热表面的设计，传统的做法是力求使两侧的换热热阻相同以获得最大的传热效果，这是等热阻匹配原则[1]。这种认识如果从投资成本上来考虑，就是十分不可取的办法。本文作者曾针对这一问题进行过专门的分析，导出了在给定投资费用<或换热面材料）的前提下两侧换热表面的最佳匹配关系式，即换热面积之比与其换热性能比和投资费用比之间的平方根关系式，这是平方根原则[2]。按这种原则设计换热面就能达到单位传热量的投资成本最低，从而实现结构设计的优化。同时，换热器设计的另一个问题是流动参数的设计。传统的做法是以不超过允许的阻力损失为最后标准来选取流动参数。这种做法人为因素的影响很大。正确的办法是以单位传热量可用能损失率最小为目标来寻求流动参数的最佳值[3]。这样就能实现单位传热量的运行费用最低，从而使流动参数的设计得以优化。最后，当要确定换热器尺寸时，翅片管管长和管排数目可以分别针对各自换热过程以给定材料换热量最大导出最佳结构参数来确定[4，5]。综合结构参数与流动参数的优化设计，就可以完成管翅式换热器的综合性能优化设计的工作。

综合性能优化设计的具体做法是，选定换热器的结构形式、翅片管的结构参数、及流动类型，以可用能损失率最小为目标首先确定管内流体的最佳流动参数，且以此计算出最佳的换热性能参数，同时可以计算出最佳的管长管径比这也就定下了管内流体流动方向上的尺寸；再设定安装翅片的管外侧<即肋化侧）换热性能参数以换热表面最佳匹配关系确定换热器两侧换热表面积的比值，以此计算出安装翅片一侧的结构尺寸，进而

可对其进行可用能分析而得出最佳流动参数并由此计算出换热性能参数；以新得到的换热性能参数取代设定值重复以上的计算，直至前后两次相差甚小而得出收敛的结果；在翅化表面一侧的结构参数以收敛结果确定之后，以最佳的流动参数计算出最佳的管排数，以此就能定下管外流体流动方向上换热器的结构尺寸；还有一个方向上的尺寸由传热量及传热温差来确定。经过这样的设计计算步骤就能达到管翅式换热器的结构参数与流动参数的同时优化，从而做到设计的管翅式换热器具有结构<成本）省、运行费用低而换热性能佳的良好性能。下面将具体对优化方法进行讨论。2 换热器传热过程综合性能分析评价准则

为了介绍管翅式换热器优化设计方法，对其涉及到的传热过程的优化分析理论基础有一个基本了解是必要的。这里将作者导出的传热过程两侧换热表面积的最佳匹配关系式、换热过程的可用能损失率关系式和结构参数优化的关系式作一个简单的介绍。2.1传热过程的换热表面最佳匹配准则[2]

对于如图1所示的充分简化的换热器的传热过程而言，投资费用与换热面的结构特征相关，而结构特征又与传热性能密不可分。因此，我们就能够从换热器传热过程的传热方程和投资费用方程出发导出

换热器换热表面与换热性能之间的最佳匹配关系式。 对于如图所示的换热器传热过程，其传热方程可用热

阻形式表达如下： ，

(1>

而换热表面的投资费用方程，则可表示为：

。

(2>

在以上两式中：R 为传热过程的总热阻；P t 为传热表面的投资费用；

分别为换热器两侧的换热系数、单位表面的费用和换热表面

积。将<2）式代入<1）式可得：。

<3）

对<3）式求A 1的导数并令其为零，有

,

再用<2）式消取上式中的P t ，经整理得出： A A 1 A 2 α1 α2

ρ1u 1 ρ2u 2

图1 换热器传热过程示意图

。

<4）

上式即为换热器两侧换热性能和投资单价不随换热表面而改变情况下的换热表面随换热性能和投资单价变化的关系式，可称之为传热过程的换热表面最佳匹配准则或最佳结构匹配准则。这里令，它们分别表示换热器两侧的换热系数比，投资单价比及换热表面积比。于是换热器传热表面的最佳匹配关系式可以改写为如下简洁的形式：。

<5）

分析一下上面的匹配关系式不难发现，当换热器两侧换热性能不同时，两侧的换热表面也要发生相应改变以获得最佳的换热效果。但是由于考虑了投资成本，这种改变不再是按照线性比例关系，而是要按上式进行计算。如果考虑扩展表面的效率，肋面效率必须乘以换热表面而构成有效换热表面积。这里假定为肋化表面为A 1，肋面效率为η1，于是最佳匹配关系改写为。

<6）

由肋面效率的定义，在这里可以写为

式中ηf 为肋片效率，于是得到如下迭代关系式

<7） 2.2 流动换热过程的可用能损失率方程[3]

对于一般的流动换热过程<如图2所示），总可以视之为一个稳定的流动换热系统，其包含流体沿固体壁面的流动过程和流体与壁面间的换热过程。相应的参数有：流体的比焓h 、比熵s 、质量流

率、流体温度T f 、壁面温度T w ,、流体进出系统的压力

分别为p 1和p 2、流体与壁面间的换热热流密度q 、以及流

体的通流面积和换热面积分别是A f 与A t 。今在流场中取

一包含微元面积dA t 的微元控制体，将其视为一个稳定流

动系统，分析其热平衡和熵平衡情况。由热力学第一定律有

和 , d A t

h h+dh m T f s+ds s T w d Q p 1 p 2 α 图2 一般流动换热过程示意

式中，Q为通过换热面的热流量；α为流体流过壁面的换热系数；为流体质量流率。

由热力学第二定律有

，式中：S为系统的熵产率，单位为W/℃。

利用以上关系式，同时认为热力学关系式<式中ρ为流体的密度）

成立，就可整理得出：

，

式中定义：温度差和平均温度。

在整个换热面上积分上式，且假定换热系数为常数，可以得到：

，

式中，为系统进出口压力之差。此式为流动换热过程的熵产率的表达式，

从中不难看出，过程的熵产率由两个部分构成，即由换热温差引起的熵产率和由流动压差引起的熵产率，它们反映出流动换热过程的不可逆性。

按照可用能<火用）损失率的定义E＝T0S

，

上面方程右边的第一项为温度差引起的可用能损失率而第二项为压力差引起的可用能损失率。为了流动换热过程可用能损失率分析的方便，通常将这个方程无量纲化。

在无量纲化的过程中引入无量纲可用能<火用）损失率数，它

表示单位换热热流量的系统可用能损失率，引用了Q=αA tΔT和<其中A f为流体通流面积，u f为流体的平均流速）这两个关系式，且定义流动阻力系数，结果变为如下两种形式：

对于给定热流密度和换热特征尺寸有

，

<8）

对于给定热流密度和流体流速有

，

<9）

式中，为换热热流密度，为努谢尔特数，为雷诺数，为斯坦登数，L为流场特征尺寸，λ为流体导热系数，ν为流体运动

黏度，c p为流体定压比热，

分别为温度因子，而则为面积因子。我们把这两

个公式称为流动换热过程的可用能损失率方程。从中不难看出，无量纲的可用能损失率N e的大小与流动换热特征参数<准则数）Nu，St，Re及c D是密切相关的。对于一个流动换热过程而言，无量纲的可用能损失率越小过程的流动换热性能就越好。因此，通过这两个关系式就可以找出各种流动换热过程的可用能损失率随着过程特征参数的变化关系，并从中导出使过程可用能损失率最小的最佳过程参数和结构参数。说得具体一点，利用< 8）式，在给定换热热流密度

这里将对具体流动换热过程进行可用能损失率分析而寻求最佳的过程运行参数。从对流换热过程的分析中我们可以设定流动换热过程准则关系式的一般形式：

换热关系式 <10），和流动阻力关系式 <11）。

将它们代入方程<8）得出在给定换热热流密度和换热结构尺寸下无量纲火用损失率Ne 随流动准则Re的变化关系式为

。

<12）

将上式对Re求导数且令其为零，即有，我们就可以得出无量纲火用损

失率最小时对应的最佳雷诺数

。

<13）

将<13）式代入无量纲火用损失率Ne的表达式<12）中就可以得出最小无量纲火用损失率Ne min的计算式，而将其代入<10）式则可得到最佳的努谢尔特数Nu opt，进而计算出过程最佳的对流换热系数αopt。对于一个流动换热过程当给定换热热流和换热特征尺寸之后，就可以利用上述方法而获得最佳的运行状态及相应的换热性能。显然，对于管翅式换热器两侧的流动换热过程也可以利用这一方法而得到相关的优化数据，成为其综合性能评价的一个重要环节。

如管内紊流流动换热时换热准则公式为：，而管内流动阻力计算的准则关系式为：，有。

将上面两式代到公式<13）之中，得出最佳雷诺数的计算式为：

。

<14）

这就是流体在管内紊流流动换热时基于火用损失率最小而导出的最佳运行参数

对于外侧流体流过翅片管束的流动与换热过程，其换热准则关系式不同的文献给出的关系式是各不同的，且在不同的Re范围其表达式也不同。这里以雷诺数在

的范围为例进行分析。

在此范围内正三角叉排翅片管束的换热准则关系式[7]的变形，即

，

式中考虑了原准则关系式中采用而在本文中采用的偏差修正项，且设定。

而在此范围内的流动阻力准则关系式[8]为，

，

式中。又因为以及，式中

。

将以上关系式与前述的标准准则形式，即<10）和<11）两式，进行比较可以得出：

，，；

，。

把上述关系式代入最佳运行参数表达式<13）中得出：

。 <15）

这就是流体流过正三角形叉排翅片管束时基于火用损失率最小而导出的最佳运行参数

图3给出一个管内流动换热的示意图。设管壁温度均匀一致为T W ，流体进口温度为

，经过管长L 后出口温度为，管内、外径分别为d i 和d o ，壁厚为δ，流体截面上的平均流速为u m 。引入过余温度及，，在管子长度为x 处取一个微元长度dx ，利用dx 元体内的能量平衡可以得出管内流动换热方程为： 。

当换热系数

与管长L 无关时，方程的解为： , 对于整个管长可以得到：

,

于是整个管长内的对流换热量为：

。<16）

为了获得经济的管长管径比，应该是在给定管材的体积下实现管内流动换热过程的换热量最大。在管壁较薄的情况下，管材体积为

，于是有，将其代

入<16）式得到：。

当换热系数与管径大小无关时上式可写为：

， 式中，。 T f ″ Q x Q x+dx

Q c u m d i T f ′ T w

x dx

L 图3管内流动换热示意图

对管子换热量Q求管内径d i的导数，并令其为零，即，就可以得到给定管材体积情况下的换热量最大的管子结构尺寸，即值或值。完成以上工作得到：。(17>

从<17）式可见，只有Z=0才能得到最经济的管子结构，也就是换热最大或投资成本最低的情况。但是Z=0，意味着d i→∞或者L→0，但这也是不现实或不可取的。

实际上，在管内流动换热过程中，换热系数和管径d i及管长L相关的，通常我们换热计算中选取的换热系数是相应管长的平均值，可以将视为与L无关，但仍然是管径d i的函数<对于充分发展的管内流动）。

对于充分发展的层流管内流动，换热计算关系式为：Nu=3.66即将其代入< 16）式得到：

式中，,。在上式中对热流量求管径的导数并令其为零，可以得出最经济的Z值关系式：，式中

。经迭代可以求出Z=0.7628，于是有：

。

(18>

对于充分发展的紊流管内流动，换热计算关系式为：，即，式中，将其代入换热方程<16）得到：

式中，为获得最经济管子结构参数令，得到Z值关系式：

，式中。迭代求解上式得出Z=0.1877，

于是有：(19>

从关系式<18）和<19）式可以看出，的值在通常情况下均没有进入管内充分发展区，而处于进口区，此时管内流动换热计算式就不能采用上面的公式。对于管内紊流流动，通常进行相应的管长修正，即将按长管计算的换热系数

换成

：

，于是有：

。

采用文献[4]的做法得出：

。 (20>

上式即为考虑管长修正的管内紊流流动换热的最经济的管长管径比。

2.4 流体流过翅片管束的流动换热的过程的最佳管排数[5]

对于流体绕流翅片管束的流动换热过程，总可以在给定换热面积或体积的条件下力求使其换热性能最佳，从而产生最佳的换热结构尺寸。一个简单的顺排翅片管束的流动结构如图4所示。 图中ρu ∞为进口处的质量流速，T f ′和T f ″分别为进、出翅片管束

的流体温度，S 1和S 2分别为横向与纵向的管间距，d b 为管子的外直径

，d 0为环形翅片的外直径，T w 为管壁温度，M 和N 分别为横向与纵向

的管排数。今在流场方向上一个S 1间距内取一个换热微元面积dA t ,如

图中虚线所示。由于在一个纵向间距S 2内有的换热面积<认为管高H 方向上换热均匀，且有n h 个间距为b s 厚为δ的环形翅片），因而有

，计算中忽略了翅片厚度的影响。于是一个宽S 1流道

内的翅片管微元面积上的热平衡可以表示为： 图4 顺排排列管束的流动换热示意图 S 1

d b S 2 T W N T f ″ u ∞ T f ′ M d A t

d 0

，

式中，，为流体定压比热，为流体与管壁间的换热系数。整理上式得到

。

对上式进行全流程L积分得出：

。

从此式可以求得整个翅片管束的换热量为

，

<21）

式中已将代入。

对于叉排也有类似的情况，因为在一个S1和S2构成的框架内不论顺排与叉排均有相同的管周长，也就是有相同的换热面积。虽然如此，对于给定相同的换热面积采用不同的S1和S2可以构成不同的管排数结构,如S1>S2管排结构是宽度大而纵向排数少，S1

佳的结构尺寸就是最经济的结构尺寸。由于一个S2对应着一个的换热面积，那么为常数与为常数是等效的。因此，令为相当体积，从而使公式<21）变为

。

从上式可见，在给定体积的前提下如果管长H给定，横向管排数M与横向节距S1间存在依变关系，当设定排数M后节距S1成为寻优的目标。为此可进一步将上式改写为

，

式中，，。

因此，要在给定换热管束的体积<即）下使传热量最大，可以求Q对S1的导数并令其为零，得出，即=。求解此超越方程得到，将C2及V d的表达式代入得出：

，可改写成

或

，

<22）

式中，，称为斯坦登数，其中的、

、

分别是努谢尔特数、雷诺数和普朗特数，式子中的为流体导热系数、为流体运动黏度而为流体的热扩散系数。

这就是在给定结构体积条件下使换热量最大的最佳结构尺寸与换热性能之间的关系式。注意到<22）式与文献[6]的结果只相差一个翅片的修正项，可称为

翅片管束的有效翅化比。

由于反映换热性能的斯坦登数St又是与换热过程的流动特征密切相关，那么此式亦能反映出结构特征与流动参数之间的关系。换热性能与流动特征间的关系反映在换热准则关系式中,因而可以将准则关系式代入上述最佳结构参数式中，从而导出最佳结构参数随流动参数变化的关系式，也就是换热参数与运行参数间的关系式。

如对于流体流过正三角形叉排翅片管束时[7]：

，

式中也考虑了原准则关系式中采用因而在本文中采用的偏差修正项

，且设定。将上式代入经济管排数关系式<22）中，可以得出

：

。<23）

3 管翅式换热器的结构特征及性能优化

3.1 结构特征及导致的流动特征

管翅式换热器的一般的结构特征如图3所示。在由翅片管平行排列组成的换热结构中一侧流体在管内流动，而另一侧流体在垂直于翅片管的管间流动。因此，任意一根

翅片管就构成一个管翅式换热器的基本单元。这也是本文分析讨论的对象。这里设定

为翅片管的内直径，为翅片管的外直径<即管基直径d b），为环翅片的外直径，那么翅片高度就为，翅片厚度设为

δ，翅片间距设为b s。为了研究问题的便利这里仅仅分析讨论换热器的一个最小单元，即一个翅片间距b s所对应的两侧几何结构与流动传热性能。分析该单元不难看出，两侧单位

深度的换热面积分别为和A2=πd2b s，管内流体的换热面积A2传

递的热流量会再通过管外翅片侧换热面积A1传给翅片侧流体，在这里热量的传递是经过

翅片面积和肋基面积与流体换热而实现的<计算中忽略翅片厚度δ的

影

响）。由于管翅式换热器单元的结构，有换热面积比

，从中也可以得出

。

翅片管束采用正三角形排列，如图5c所示，结构尺寸如前面所述。

3.2 综合性能优化设计的方法与步骤

优化设计计算从无翅片侧的管内流动换热计算开始，设定翅片管内直径d 2的数值，利用公式<14）计算管内流动换热过程可用能损失率最小时的最佳运行参数值，即。

式中下标“2”表示管内侧的几何量和流体物理量，进而应用换热准则关系式计算出流体与管壁间最佳的换热系数值α2opt 。同时利用关系式<20）在此处的表达式而得出经济管长数值。

当设定翅片侧流体与翅片管间的换热系数α1值之后就可以利用换热器结构参数与换热性能间的最佳匹配关系式<6）得出两侧换热面积比<此处没

有考虑成本费用的差异），式中

为翅片管翅化效率，通过迭代得到

并以此来确定翅片侧的结构尺寸。由设定的换热系数α1值可以计算翅片的无因次特征尺寸mh 1=[2α1/<λs δ）]1/2h 1，式中λs 为翅片材料的导热系数。按照环形翅片结构的特征mh 1的最佳数值约为0.75左右，其对应翅片效率ηf =0.70，于是得出翅片高度h 1=

ρ1u ∞

ρ2u m

W

L

H

H

d 0

d 2 d 1 ρ1u ∞ ρ2u m

δ b s

S 1

S 2

a 换热器整体结构示意图

图5管翅式换热器结构示意图

b 单根翅片管结构示意图

c 翅片管束排列示意图

和纵向间距比及纵向尺寸S2。同时翅片间距也可有关系式

而求得。

于是在翅片管侧的结构特征确定之后，其最佳运行参数值就可由<15）式计算，即

。

式中下标“1”表示翅片管侧的几何量和物理量。以

就可从换热准则关系式

中计算出。

用新计算出的代替设定值重新计算出换热面积比ε′=-1/2，重复上述计算直至重新得出。上述重复计算工作直到前后两次计算结果仅相差一个设定的小量时就结束。在以上计算中应注意，热流密度设定以管内侧为准，以及两

侧之间的换算，即。此时再利用关系式

<23）求得经济管排数值，即

。

最后整化上面计算所得的数据，最后完成管翅式换热器综合性能的优化设计工作。3.3 管翅式换热器优化设计的一个典型算例

为了更加说明管翅式换热器综合性能优化的全过程，这里以水和空气间的流动传热过程为例设计一个简化的管翅式换热器。

按照上面所述的计算步骤，设定水在管内流动而空气在有翅片管外横向流动，水的物性参数为ρ2=995.7 kg/m3，c p2=4174 J/(kg℃>，λ2=0.618W/(m℃>，ν2=0.805×10-6 m2/s，Pr2=5.42；空气的物性参数为ρ1=1.165 kg/m3，c p1=1005 J/(kg℃>，λ1=0.0267 W/(m℃>，ν1=16.00×10-6 m2/s，Pr1=0.701。为了计算上的便利忽略温度因子的影响，且设定平均温度T m=303 K。

设水侧管内直径为d2=22mm，对于紊流管槽内的流动换热过程，其准则关系式分别为：

换热关系式和流动阻力关系式，因而得出a2=0.023、n2=0.8、k2=0.4、b2=0.046、m2=0.2。利用 (13> 式在设定下可

以计算出管内水流动的最佳雷诺数值

。进而从得到，和换热系数。同时可以算出经济管长管

径比

，也就是经济管长。

基于上述计算，设翅片管束与空气间的换热系数α1=50W/-1/2=14.11，以此可以计算

，经过迭代。此时可以选择

空气侧的翅片参数了。对于环形翅片，在给定ηf=0.7时有结构特征参数值mh1=0.75，由mh1=[2α1/(λsδ>]1/2(d0-d1>/2，如果假设翅片材料为合金铝，其导热系数λs=174W/(m℃>，取厚度δ=0.2mm，就可以计算出环形翅片外直径与翅片管外直径的差值d0-

d1=1.5/[2α1/(λsδ>]1/2=0.02798，如设定翅片管的外直径=0.025m，那么环形翅片外直径

d0=0.05298m。

此时可以布置翅片管排列，如上述设定横向间距S1=d0=0.05298m，在管束按正三角形排列下就可计算出横向间距比=2.1193和纵向间距比=1.8354及纵向尺寸S2=0.04588m。

由可以算出

于是在翅片管侧的结构特征及换热热流密度确定之后，其最佳运行参数值就可由<15）式计算，即

。以就可从换热准则关系式中计算出新的换热系数值

。

用新计算出的换热系数值代替假设值可重新求出ε= 13.657,d0-d1=0.0275m，和d0=0.0525m。同样布置下有S1=d0=0.0525m，横向间距比=2.1003和纵向间距比

=1.8189及纵向尺寸S2=0.04547m。由可以算出

，进而算出和。计算结果基本上收敛。

为了检验计算过程的收敛情况，这里重新假定空气与翅片管间的换热系数值

，有ε= 11. 127,d0-d1=0.02365m，和d0=0.04865m。同样布置下有S1=d0=0.04865m，横向间距比=1.946和纵向间距比

=1.6853及纵向尺寸S2=0.04213m。由此可以算出

，进而计算得出和。以新换旧重复计算得出：ε= 13.6526,η1= 0.7219, d0-d1=0.0275m，d0=0.0525m，S1=d0=0.0525m，=2.0999，=1. 8186，S2=0.0455m，，，

从上面的结果可以看出，不论是从大换热系数还是从小换热系数假设都能得出收敛的优化结果。利用上面的设计计算数据进行整化工作，并最后计算最佳翅片间距值

和最佳纵向管排数值

。

最后将整理的数据列在表1中。至此就完成了整个管翅式换热器综合结构、流动与传热参数优化的热设计工作。这种设计方法在进行的过程中仅仅采用了两种人为设定参数，即热流密度和翅片管的几何尺寸，且这类数据极易于改变而得出更多种的选择；而获得的重要设计参数却是有其理论根据。因此，这种方法要远远优于常规的优化设计方法。

表1管翅式换热器综合性能优化设计数据列表

翅片管内直径d2水侧热流密度q2水侧雷诺数Re2水侧换热系数α2翅片管长度H

0.022m 10000W/m2 472032×104 6967.4W/(m2℃> 1.05m

翅片管基直径d1翅片厚度δ翅片效率ηf翅化效率η1换热面积比ε=A1/A2

0.025m 2×10-4m 0.70 0.722 13.66

翅片高度d0-d1环形翅片外直径d0翅片管翅片间距b s管束横向间距比S1/d1管束纵向间距比S2/d1

0.0275m 0.0525m 3.87×10-3m 2.10 1.82

气侧热流密度q2气侧雷诺数Re1气侧换热系数α1翅片管束纵向管排数换热器宽度

参考文献

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（2）陈维汉：换热器两侧表面最佳匹配的一般化推导，华中理工大学学报；1999年，27

（3）陈维汉、孙毅：传热过程火用损失率方程及参数优化，华中理大学学报；1996年.24

（4）陈维汉：管内流动换热过程的性能综合分析，华中理大学学报；2001年.29

（5）陈维汉、周飚：流过管束的流动换热与结构的综合性能评价，华中科技大学学报；2004年，32< 2）

（6）陈维汉、周飚：一种流体流过管束传热的综合性能评价方法，化工装备技术；2003年，24<2）

D. E. Briggs, and E. H. yong: “Convective heat transfer and pressure drop of air flowing across

triangular pitch banks of finned tubes”Chem. Eng. Symp. Series, V ol. 59, No. 41, 1963

K. K. Robinson, D. E. Briggs:“Pressure drop of air flowing across triangular pitch banks of finned tubes” Chem. Eng. Symp. Series, V ol. 62, No. 64, 1966

An Optimal design Method in consideration of structure-size and Performances for a

finned tube heat exchanger

Chen WeihanZhou Biao

College of Energyresource & Power Engineering, HUST, Wuhan, China

Abstract:An Optimal design Method of finned tube heat exchanger has been given, in which the structure characteristic and performancesof the fluid flow and the heat transfer have been considered comprehensively. In order to achieve the design work the optimal match relationship between the ratio of heat-transfer surfaces and the ratio of convective heat-transfer coefficients has been derived under the condition of the maximum heat transfer rate for given heat exchange area, and the optimal flow parameters relative to structure size, heat flux and physical properties, have been obtained by the analyzing the usable energy loss rate of the fluid-flow and heat-transfer processes of the exchanger,as well as the optimal structure size relationwiththe heat transfer performance has been introduced for obtaining the maximum heat flow subject to a given heat transfer structure Then the optimal design can be executed by the linkage of above three relationshipsand by the utilization of iterative data. Therefore the Synthetic performance optimization for considering the structure size, fluid flow and heat transfer can be completed in the design stage of the heat exchanger by the new design method. Keywords: finned tubes heatexchanger, optimal match between heat-transfer surfaces, usable energy loss rate analysis of process,optimal structure size relationwiththe heat transfer performance, comprehensive optimization of heat exchanger performances.

管翅式换热器优化设计方案方法(较为详细表述)

管翅式换热器性能及结构综合优化的热设计方法 陈维汉周飚 华中科技大学能源与动力工程学院 摘要：本文给出一种由翅片<或肋片）管组成的管翅式换热器的优化设计新方法。该方法的理论依据是给定换热器结构材料而使的换热量最大的两侧换热表面的最佳匹配准则和两侧流体流动换热过程最佳的结构尺寸准则，以及使可用能损失率最小的最佳运行参数准则。利用三个准则间的关系，采用迭代方式完最终成换热器的优化设计。这样的设计方法能使换热器的设计达到材料省、换热效果好与运行费用低的目的，且能在设计阶段实现。 关键词：管翅式换热器、换热表面间的最佳匹配准则、换热过程最佳结构参数准则、换热过程可用能损失率分析、考虑综合性能的优化设计法 图书分类号：TK124 1 引言 管翅式换热器是广泛应用的热交换设备之一。它常常应用在两侧流体的换热性能相差甚大的情况下，通常是以管外侧安装翅化表面来减小换热性能较差流体的换热热阻，而换热性能较好的流体在管内流动仍然保持较小的换热热阻，从而达到整体增强换热器传热效果的目的。对于这样的换热器，如何去设计和运行是摆在工程技术人员面前的首要问题。对于换热表面的设计，传统的做法是力求使两侧的换热热阻相同以获得最大的传热效果，这是等热阻匹配原则[1]。这种认识如果从投资成本上来考虑，就是十分不可取的办法。本文作者曾针对这一问题进行过专门的分析，导出了在给定投资费用<或换热面材料）的前提下两侧换热表面的最佳匹配关系式，即换热面积之比与其换热性能比和投资费用比之间的平方根关系式，这是平方根原则[2]。按这种原则设计换热面就能达到单位传热量的投资成本最低，从而实现结构设计的优化。同时，换热器设计的另一个问题是流动参数的设计。传统的做法是以不超过允许的阻力损失为最后标准来选取流动参数。这种做法人为因素的影响很大。正确的办法是以单位传热量可用能损失率最小为目标来寻求流动参数的最佳值[3]。这样就能实现单位传热量的运行费用最低，从而使流动参数的设计得以优化。最后，当要确定换热器尺寸时，翅片管管长和管排数目可以分别针对各自换热过程以给定材料换热量最大导出最佳结构参数来确定[4，5]。综合结构参数与流动参数的优化设计，就可以完成管翅式换热器的综合性能优化设计的工作。 综合性能优化设计的具体做法是，选定换热器的结构形式、翅片管的结构参数、及流动类型，以可用能损失率最小为目标首先确定管内流体的最佳流动参数，且以此计算出最佳的换热性能参数，同时可以计算出最佳的管长管径比这也就定下了管内流体流动方向上的尺寸；再设定安装翅片的管外侧<即肋化侧）换热性能参数以换热表面最佳匹配关系确定换热器两侧换热表面积的比值，以此计算出安装翅片一侧的结构尺寸，进而

管壳式换热器毕业设计简介

管壳式换热器（过热蒸汽0.65MPa,295℃;水0.8MPa,50℃） 摘要 本设计说明书是关于固定管板是换热器的设计，设计依照GB151-1999《钢制管壳式换热器》进行，设计中对换热器进行化工计算、结构设计、强度计算。 设计第一步是对换热器进行化工计算，主要根据给定的设计条件估算换热面积，初定换热器尺寸，然后核算传热系数，计算实际换热面积，最后进行阻力损失计算。设计第二步是对换热器进行结构设计，主要是根据第一步计算的结果对换热器的各零部件进行设计，包括管箱、定距管、折流板等。设计第三步是对换热器进行强度计算，并用软件SW6进行校核。最后，设计结果通过图表现出来。 关键词：换热器，固定管板，化工计算，结构设计，强度计算。 Abtract The design statement is about the fixed tube sheet heat exchanger .In the design of the heat exchanger ,the chemical calculation,the structure design and the strength calculation must according to GB151-1999“Steel System Type Heat exchanger ”. The first step of the design is the chemical calculation .Mainly according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area and select heat exchanger size.Then check the heat transfer coefficient, calculate the actual heat transfer area,and finally calculate the resistance loss.The second step of the design of heat exchanger is the structural design of the heat exchanger. The design of heat exchanger parts mainly according to the first step of calculation.such as tube boxes , the distance control tube, baffled plates .The third step of the design of heat exchanger is the strength calculation and using SW6 software to check. Finally, the design results are shown in figures. Key words: heat changer, fixed tude plate, chemical calculation,structure design, strength calculation. 一、前言 管壳式换热器是目前应用最广的换热设备，它具有结构坚固、可靠性高、适用性强、选材广泛等优点。在石化领域的换热设备中占主导地位。随着工艺过程的深化和发展，换热器设备正朝着高温、高压、大型化的方向发展，而管壳式换热器的结构能够很好的完成这一工艺过程。 本次毕业设计题目为管壳式换热器设计，设计的主要内容是固定管板式换热器的工艺计算、结构设计和强度校核。在设计过程中我尽量采用较新的国家标准，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提高经济效益为主，力争使产品符合实际生产需要。 由于水平有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和错误，恳请各位老师批评指正，特此致谢！ 二、管壳式换热器基本理论 （一）工作原理 管壳式换热器是以封闭在壳体内管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器由壳体传热管束管板折流板和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种管在外流动，称为壳程流体。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。 （二）主要特性 一般，管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性：

管壳式换热器设计-课程设计

一、课程设计题目 管壳式换热器的设计 二、课程设计内容 1．管壳式换热器的结构设计 包括：管子数n，管子排列方式，管间距的确定，壳体尺寸计算，换热器封头选择，容器法兰的选择，管板尺寸确定塔盘结构，人孔数量及位置，仪表 接管选择、工艺接管管径计算等等。 2. 壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核 （1）根据设计压力初定壁厚； （2）确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力； （3）计算是否安装膨胀节； （4）确定壳体的壁厚、封头的选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。 3. 筒体和支座水压试验应力校核 4. 支座结构设计及强度校核 包括：裙座体（采用裙座）、基础环、地脚螺栓 5. 换热器各主要组成部分选材，参数确定。 6. 编写设计说明书一份 7. 绘制2号装配图一张，Auto CAD绘3号图一张（塔设备的）。 三、设计条件 气体工作压力 管程：半水煤气0.75MPa 壳程：变换气 0.68 MPa 壳、管壁温差55℃，t t ＞t s 壳程介质温度为220-400℃，管程介质温度为180-370℃。 由工艺计算求得换热面积为140m2，每组增加10 m2。 四、基本要求 1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计； 2.设计说明书一律采用电子版，2号图纸一律采用徒手绘制； 3.各班长负责组织借用绘图仪器、图板、丁字尺；学生自备图纸、橡皮与铅笔； 4.画图结束后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书统一在答辩那一天早上8：30前，由班长负责统一交到HF508。 5.根据设计说明书、图纸、平时表现及答辩综合评分。 五、设计安排

内容化工设备设 计的基本知 识管壳式换热 器的设计计 算 管壳式换热 器结构设计 管壳式换热器 设计制图 设计说明书的 撰写 设计人李海鹏 吴彦晨 王宜高 六、说明书的内容 1.符号说明 2.前言 （1）设计条件； （2）设计依据； （3）设备结构形式概述。 3.材料选择 （1）选择材料的原则； （2）确定各零、部件的材质； （3）确定焊接材料。 4.绘制结构草图 （1）换热器装配图 （2）确定支座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示； （3）标注形位尺寸。 （4）写出图纸上的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细表等 5.壳体、封头壁厚设计 （1）筒体、封头及支座壁厚设计； （2）焊接接头设计； （3）压力试验验算； 6.标准化零、部件选择及补强计算： （1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包括：代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算。 （2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。补强计算。 （3）其它标准件选择。 7.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。 8.主要参考资料。 【格式要求】： 1.计算单位一律采用国际单位； 2.计算过程及说明应清楚； 3.所有标准件均要写明标记或代号； 4.设计说明书目录要有序号、内容、页码；

管板式换热器详细设计

换热器设计 1.换热器选型说明 1.1 换热器类型 换热器类型很多，按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器。按其结构分，有列管式、板式等。不同类型换热器，其性能各异。 管型换热器又可以分为蛇管式换热器、套管式换热器、管壳式换热器。板型换热器可分为螺旋板式换热器、板式换热器、板翘式换热器。 换热器的结构分类见下表： 表1-1 换热器的结构分类

1.2 换热器类型选择 换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有： ①流体的性质； ②热负荷及流量大小； ③温度、压力及允许压降的范围；

④设备结构、材料、尺寸、重量； ⑤价格、使用安全性和寿命。 在换热器选型中，除考虑上述因素外，还应对结构强度、材料来源、制造条件密封性、安全性等方面加以考虑。 1.3 管壳式换热器的分类与特点 在众多类型的换热器结构中，管壳式换热器是用得最广泛的一种换热设备类型。 它的突出优点是：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，而且可以选用的结构材料范围也比较宽广，清洗方便，处理量大，工作可靠，故适应性较强，操作弹性较大。它的设计资料和数据比较完善，目前在许多国家已有系列化标准，因而在各种换热器的竞争发展中占有绝对优势。 综合考虑该类型换热器的优点和本次设计工艺的特点，大部分都采用的是管壳式换热器。 管壳式换热器是把管子与管板连接，再用壳体固定。它的型式大致分为固定管板式、釜式、浮头式、U型管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种。 表1-2管壳式换热器的性能对比表 种类优点缺点应用范围 相对 费用 耗用 金属 固定结构简单、紧凑，能 承压力高，造价低， 当管束与壳体的壁温或 材料的线膨胀系数相差 不易结垢并能清洗， 管、壳程两侧温差不 1.0 30

管壳式换热器的设计及计算

第一章换热器简介及发展趋势 概述 在化工生产中，为了工艺流程的需要，常常把低温流体加热或把高温流体冷却，把液态汽化或把蒸汽冷凝程液体，这些工艺过程都是通过热量传递来实现的。进行热量传递的设备称为换热设备或换热器。换热器是通用的一种工艺设备，他不仅可以单独使用，同时又是很多化工装置的组成部分。 在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%——20%，质量约为设备总质量的40%左右，检修工作量可达总检修工作量的60%以上。由此可见，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。在其他方面如动力、原子能、冶金、轻工、制造、食品、交通、家电等行业也有着广泛的应用。 70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[1]。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题，最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[3]。 当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。 总之，为了适应工艺发展的需要，今后在强化传热过程和换热设备方面，还将继续探索新的途径。 强化传热技术 所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系指提高流体和传热面

铝制板翅式换热器设计要点分析

铝制板翅式换热器设计要点分析 摘要：铝制板翅式换热器是一种换热设备，具有高效性的特点，该散热器结 构紧凑，可以快速传导热量，而且其重量较小，在当前的工业等领域得到了广泛 应用。为了进一步突出铝制板翅式换热器的优势作用，在对其进行设计的过程中，需要合理进行结构选型，并且注重细节优化，保证铝制板翅式换热器的散热效果。本文铝制板翅式换热器设计要点进行分析研究，并且提出了几点浅见。 关键词：铝制板；翅式换热器；材料选择；设计要点 一、铝制板翅式换热器的特点 铝制板翅式换热器是一种高效的散热设备，具有非常明显的应用优势。铝制 板翅式换热器出现于美国，早在1942年，美国科学家Norris就提出了传热系数 与Raylow数的关系，研究了平板、钉、波纹等翅片的传热性能。随着这一技术 的积极应用，美国将深化对板翅式换热器与舰船、海军、航空等环节的研究。近 年来，随着我国制造技术的发展，铝板翅片已经取代了传统的金属管壳结构。其 总质量比仅为1/10，传热效果显著，是传统金属的5~10倍。因此，铝板翅片换 热器在化工和天然气液化中得到了广泛应用。 二、板翅式换热器存在问题 从结构上来看，板翅式换热器主要由进口管、进口封头、换热器芯、出口封 头和出口管组成。其结构尺寸为：进水管直径200mm，长度176mm，进水封头直 径308mm，长度905mm；流体通道的宽度为19 mm，长度为308 mm；出口管的直 径为200 mm，长度为246 mm。由于进入各层中的板翅式换热器的通道的流体的 不同流动模式，三个通道中的流动是不同的。径向通道流是最大的，其次是环形 通道流、涡流通道流是最小的。进气管附近通道内的流速通常比头部末端涡流槽 通道内的流速大一个数量级，各通道内的流速随进气管速度的增大而增大。因此，板翅式换热器横向流动存在严重的不均匀分布，影响了换热器的传热效率。考虑 到锥形分配器可以实现均匀的分配和收集，不影响板翅式换热器的流量分布不均

管壳式换热器设计毕业设计

管壳式换热器设计毕业设计 目录 1 引言 (1) 1.1 管壳式换热器的研究 (1) 1.2 管壳式换热器的研究趋势 (1) 1.3 螺旋板式换热器的研究 (2) 1.3.1 螺旋板式换热器国内研究进展 (2) 1.3.2 螺旋板式换热器国外研究进展 (2) 1.4 本课题的目的和意义 (2) 2管壳式换热器的工艺计算 (3) 2.2 确定管程软水的物性参数 (3) 2.2.1 定性温度 (3) 2.2.2 热容 (4) 2.2.3 黏度 (4) 2.2.4 导热系数 (4) 2.2.5 密度 (4) 2.3 确定壳程气氨的物性参数 (4) 2.3.1 定性温度 (4) 2.3.2 热容 (4) 2.3.3 黏度 (4) 2.3.4 导热系数 (4) 2.3.5 密度 (4) 2.4 估算传热面积 (4) 2.4.1 热负荷Q按大的传热量 (4) ： (5) 2.4.2 平均有效温差 tm 2.4.3 传热面积 (5) 2.5 工艺结构尺寸 (5) 2.5.1 决定通入空间，确定管径 (5) 2.5.3 确定管程(数)、传热管数n、管长L及壳体内径 (5) 2.5.4 拉杆 (5) 2.5.5 折流板 (5)

2.5.6 画布管图 (6)

2.5.7 接管 (6) 2.6 换热器核算 (7) 2.6.1 传热能力的核算 (7) 2.6.2 换热器内流体阻力计算 (9) 3 管壳式换热器的结构设计及强度计算 (12) 3.1 换热器筒体及封头的设计 (12) 3.1.1 筒体设计 (12) 3.1.2 封头与管箱设计 (12) 3.2 换热器水压试验及其壳体应力校核 (13) 3.2.1 压力试验的目的 (13) 3.2.2 试验压力及应力校核 (13) 3.3 开孔补强 (13) φ管程接管的补强计算 (13) 3.3.1 对mm 9 219⨯ φ壳程接管的补强计算 (15) 3.3.2对mm 480⨯ 10 3.4 法兰的选用 (17) 3.4.1 筒体法兰的选用 (17) 3.4.2 管法兰的选用 (17) 3.5 折流板设计 (17) 3.6 管板设计 (17) 3.6.1换热气的设计条件 (17) 3.6.2结构尺寸参数 (17) 3.6.3各元件材料及其设计数据 (19) 3.6.4设计计算 (19) 3.7 支座形式的确定 (30) 3.7.1 已知条件 (30) 3.7.2 校核 (31) 3.7.3 计算支座承受的实际载荷Q (31) M (31) 3.7.4 计算支座处圆筒所受的支座弯矩 L 4 螺旋板式换热器的设计 (31) 4.1 传热工艺计算 (31) 4.1.1 传热量计算 (32) 4.1 .2 冷却水的出口温度 (32) 4.1.3 螺旋通道截面积与当量直径de的计算 (32) 4.1.4 雷诺数Re和普朗特数 P (32) r

翅片式换热器优化设计的探讨

翅片式换热器优化设计的探讨 翅片式换热器（Finned heat exchanger）是一种常见的热交换设备，被广泛应用于各个领域，如汽车发动机、空调系统等。它通过增加翅片的 表面积，提高了传热效率。本文将探讨翅片式换热器的优化设计，包括翅 片结构的优化、流体流动的优化以及材料的选择优化等方面。 首先，翅片结构的优化是提高热交换效率的关键。传统的翅片结构是 直翅片，但随着科技的进步，新型的翅片结构被提出，如波纹翅片、凹凸 翅片等。这些新型翅片结构可以增加翅片与流体之间的传热面积，提高传 热效率。因此，在设计翅片式换热器时，可以根据具体的传热需求选择合 适的翅片结构，以实现更高的传热效率。 其次，流体流动的优化也是提高热交换效率的重要因素。流体在翅片 间的流动方式对传热效率有着直接的影响。通过优化流体流动的路径、速 度和分布等参数，可以改善流体在翅片间的流动状态，减小流体的阻力， 提高传热效率。例如，可以在翅片之间设置适当的腔体，引导流体流动， 并通过数值模拟和实验验证确定最优设计方案。 另外，材料的选择优化也是翅片式换热器设计的关键。传统的翅片材 料多为铝合金，它具有良好的热导性和轻质化特点。但在一些特殊工况下，铝合金可能不能满足要求，此时可以选择合适的材料替代。例如，对于高温、高压的工况，可以选择耐高温合金或陶瓷材料作为翅片材料，以提高 耐温性能和耐腐蚀性能。 此外，辅助设备的优化也是翅片式换热器设计中需要考虑的因素。例如，在冷却系统中，增加风扇的数量和风速可以提高换热器的冷却效果； 对于一些特殊工况，还可以考虑使用辅助冷却设备如水喷淋装置或降低冷

却剂的温度等。这些技术措施可以在满足热交换要求的前提下，进一步提高热交换效率。 总之，翅片式换热器的优化设计从翅片结构、流体流动、材料选择以及辅助设备等多个方面入手，以实现更高的传热效率和更好的工作性能。优化设计的研究不仅需要理论模拟和实验验证，还需要综合考虑具体的应用场景和经济效益。随着科技的不断进步，翅片式换热器的优化设计将会得到进一步的完善和发展。

翅片式风冷换热器设计

翅片式风冷换热器设计 一、翅片式风冷换热器的设计原理 翅片的设计要求较高，首先是要有足够的散热面积，以增加热量的传 导面积。其次，翅片要有较高的导热性能，以便迅速将热量传导到整个翅 片表面。此外，翅片的间距和形状也对流体流动和传热有着重要的影响。二、翅片式风冷换热器的结构 管道是用于传递热介质的通道，通常是通过焊接或套管连接到翅片上。管道的材料选用应根据热介质的特性和工作环境来确定。 支撑结构是用于支撑翅片和管道的框架，通常由钢材制成。其设计通 常考虑到整个结构的强度和稳定性。 风扇是通过产生强风使翅片散热的关键组件。风扇的功率和风速需要 根据换热器的散热要求和风道设计来确定。 三、翅片式风冷换热器的性能指标 1.散热面积：散热面积是决定换热器换热效果的关键因素，它与翅片 的面积有关。通常情况下，散热面积越大，换热效果越好。 2.热传导系数：热传导系数是指翅片材料导热的性能，高热导率的材 料可以提高热量的传导速度和效率。 3.风压损失：风压损失是指在风扇吹风的过程中由于风扇本身的设计 或管道布局引起的压力损失。风压损失越小，换热器的风量越大，换热效 果越好。

4.温度差：温度差是指热介质进入和离开换热器之间的温度差。温度 差越大，换热器的效果越好。 四、翅片式风冷换热器的应用 1.电子设备散热：翅片式风冷换热器被广泛用于电子设备和计算机中，以帮助散热，防止过热导致设备损坏。 2.汽车冷却系统：翅片式风冷换热器被用于汽车发动机的冷却系统中，以将发动机产生的热量散发。 3.空调系统：翅片式风冷换热器被应用于空调系统中，将室内的热量 传递到室外。 4.工业生产过程中的热交换：翅片式风冷换热器被广泛应用于工业生 产过程中，如化工、石油和能源行业等，以完成热交换的任务。 综上所述，翅片式风冷换热器作为一种常见的换热设备，在工业领域 中有着广泛的应用。通过合理设计翅片和风扇结构，以及选择合适的材料 和管道布局，能够获得较好的换热效果。因此，在设计翅片式风冷换热器时，需要充分考虑其原理、结构和性能指标，以满足不同领域中的实际应 用需求。

翅片管换热器热阻

翅片管换热器热阻 热交换是许多工业系统中必不可少的过程。热交换器是实现这一过 程的关键元素。其中，翅片管换热器是最常见的一种换热器，在许多 应用领域得到了广泛应用。然而，翅片管换热器的热阻是一个重要而 又复杂的概念，需要认真理解才能更好地设计和优化翅片管换热器。 以下是关于翅片管换热器热阻的详细介绍和分析。 一、翅片管换热器的结构和原理： 翅片管换热器由许多翅片管排列组成，翅片管外面可以套上一层管壳，并且在管内外两侧各设置流体。热量从流体一侧通过翅片管传递到流 体二侧。这一过程的效率取决于各种因素，比如热传递表面积、传热 介质的传热能力等等。 二、热阻的定义和计算方法： 热阻是指传热过程中热量在单位时间内通过传热器的能力与传热区域 的温度差的比值。它的计算公式为：R=ΔT/Q，其中ΔT为传热器两侧 的温度差，Q为传热速率（即单位时间内的传热量）。热阻的单位是 K/W。 三、热阻的影响因素： 1. 翅片管的数量

2. 翅片管的形状和大小 3. 翅片管之间的间距 4. 翅片的厚度和材料 5. 流体的流速和流量 6. 流体的传热能力 以上因素都会影响翅片管换热器的热阻，使传热器的效率发生变化。 四、解决热阻影响的方法： 1. 优化翅片管的数量和排列方式，增加热传递面积，提高传热效率。 2. 选择合适的翅片管形状和大小，避免过于密集或者疏散排列。 3. 在翅片之间设置支撑，防止变形和变形后的流量不均。 4. 选择合适的翅片材料和厚度，使其具有较好的导热性。 5. 控制流体的流速和流量，避免流动过快或者过慢，影响传热效果。 6. 选择传热能力强的传热媒介，如水或者油。 综上所述，翅片管换热器的热阻是影响其传热效率的重要因素。正确理解和优化热阻的影响因素，能够提高翅片管换热器的传热效率，降低操作成本，并且延长设备的使用寿命。

翅片管换热方案

翅片管换热方案 引言 换热是热工学中的一个重要概念，它涉及到热量传递的过程。在很多工业领域中，翅片管换热是一种常见的换热方式，它具有体积小、热传输效率高等优点。本文将介绍翅片管换热的基本原理以及常用的换热方案。 基本原理 翅片管换热是通过在管道外表面上安装翅片来增加换热面积，从而提高换热效率。翅片管换热的基本原理可以简单概括为以下几点： 1.翅片的存在增加了换热面积。由于翅片的形状多为翅片片 或片柱，可以有效地增加管道外表面积。通过增大换热面积，可以提高热量的传递速度，从而加快换热过程。

2.翅片的存在增加了对流换热的效果。翅片具有不同形状和 结构，可以有效地改变流体流动的方式和速度。通过增加流体的流动路径和速度，可以增加对流换热的效果，进一步提高换热效率。 3.翅片的存在改变了流体内部的温度分布。翅片管交换热时， 翅片和流体之间会形成温度梯度，从而改变了流体内部的温度分布。 通过调整翅片的形状和尺寸，可以改变温度场的分布，使得热量更加均匀地传递到流体中。 常用的换热方案 在实际工程中，翅片管换热的方案可以根据实际需求进行选择。以 下是一些常用的翅片管换热方案：

1. 螺旋翅片管换热器 螺旋翅片管换热器是一种常见的用于气液换热的设备。它的主要特点是管束内的管子呈螺旋形，并且外表面增加了翅片。这种设计可以增大换热面积，增加对流换热效果，从而提高热传输效率。 2. 悬浮式翅片管换热器 悬浮式翅片管换热器是一种通过悬浮在管道内部的翅片来实现换热的装置。翅片通常由螺旋形或环形翅片构成，通过在管道内部布置悬挂或固定的方式，实现了翅片与流体之间的热量传递。悬浮式翅片管换热器具有结构紧凑、热传导性能好等特点。 3. 平面翅片管换热器 平面翅片管换热器是一种将翅片平铺在管道外表面上的换热器。它通常由管道和翅片两部分组成，翅片以平面方式固定在管道外部。这

管壳式换热器换热性能优化研究

管壳式换热器换热性能优化研究 摘要：本文首先分析了管壳式换热器的特点，进一步研究了如何解决流体诱 导振动的问题，并从流传热机理的分析、场协同理论介绍、流致振动的机理等方 面逐一阐述，最后解析了管壳式管热气防振动设计方法，主要从换热管振动分析 以及防止与利用其振动两大方面逐一论述，以期能够通过解决管壳式换热器换热 性能的振动问题，来不断优化其换热性能，仅供参考。 关键词：管壳式；换热器；换热性能；性能优化 前言：换热器是一种将热流体部分热量传递给冷流体的装置，其在我国的化工、石油以及食品加工等工业领域发挥了重要的作用，近年来随着国际海上LNG 贸易的蓬勃发展，大量的LNG运输船订单生效，作为船用LNG系统中核心设备的LNG换热器的需求也在迅速增长，市场前景客观。换热器依照其传热原理的不同，当前可以分为间壁式、混合式、蓄热式等几种类型，其中本文所要研究的对象为 间壁式管壳换热器，主要由壳体、管板、管束等部分组成，在实际应用的过程中 极易出现换热效率低下、高频振动以及管束结垢等问题，因此要加以优化。 1管壳式换热器特点的分析 管壳式换热器是我国工业生产中的一种传统换热装置，当前已经有了相对成 熟的生产技术，并且由于结构较为简单，也方便工作人员的操作，在运行的过程 中可靠性也较高，被广泛应用于能源与化工行业。虽然，其具备了以上几点优势，但在实际运行过程中也存在着一些显性问题，例如：常规的管壳式换热器换热基 础元件为光滑圆管，管束需要依靠弓形折流板来支撑，并对壳程流体起到导流的 作用，壳程流体在运行时，会以“Z”型进行运动（如图1所示）。而拐弯处很 容易导致折流板的前后产生涡流停止区即传热死区，流动阻力较大，导致其中的 流体引发换热器振动现象的出现。通过高频率的振动，会导致换热器的换热管管 束出现故障，因此换热器的换热性能也会下降，极易造成设备的停运或者诱发大

基于响应面法板翅式换热器结构优化

基于响应面法板翅式换热器结构优化 摘要本文以板翅式换热器锯齿形翅片为研究对象，研究不同结构参数对板翅式换热器流动换热特性的影响。基于多级响应面法，采用Box-Behnke试验，以翅片高度、翅片厚度以及翅片间距作为试验因素，板翅式换热器的换热系数以及压降为响应值，分析交互作用下的影响，此方法可以迅速得到板翅式换热器结构参数的优化方案,并分析出主要的影响因素,对板翅式换热器的应用提供一些借鉴。并得出最优参数组合方案：翅片高度为3.8mm时，翅片厚度为0.2mm，翅片间距为2.58mm时，换热系数最大，压降最小。 。 关键词: 板翅式换热器；优化；响应面法 Abstract In this paper, the influence of different structure parameters on the flow heat transfer characteristics of plate-fin heat exchanger is studied. Based on multi-stage response surface method, the Box - Behnke test, fin height, fin thickness and fin spacing as test factors, the plate-fin heat exchanger heat transfer coefficient and pressure drop as the response value, under the analysis of the interaction, the effect of this method can quickly get the plate-fin heat exchanger structure parameter optimization, and analysis the main influence factors, provide some reference for the application of plate-fin heat exchanger. And the optimal parameter combination scheme is obtained: when the fin height is 3.8mm, the fin thickness is 0.2mm, and the fin spacing is 2.58mm, the heat transfer coefficient is the maximum and the pressure drop is the minimum. Keywords: Plate-fin heat exchanger; optimization; the response surface method 0引言 当前空分设备朝着大型化、超大型化发展[1]，板翅式换热器是大型空分设备的关键设备，优化板翅式换热器性能，加大板翅式换热器高效传热，对降低空分设备能耗尤其重要。 近年来，对换热器结构优化问题有很多学者进行了研究，陈宗毅等[2]对板式换热器的换热性能进行了分析，通过结合正交试验和数值模拟的方法研究了波纹深度、波距以及波纹倾角影响能力大小，并以最佳传热系数进行优化。同样张蒙蒙等[3]也采用结合正交试验和数值模拟的方法，对微通道气冷器内流体流动特性进行了研究，研究了流量分配均匀和压降最小时最佳的结构参数。刘景成等[4]结合BP神经网络以及遗传算法进行多目标优化，主要对象是板翅式换热器导流结构,提高了流体在流道中的流动均匀性。张丽娜[5]等人利用遗传算法，同时根据不同要求对板翅式换热器进行优化设计，提高了板翅式换热器优化设计的产业化应用。 本文以传统的翅片为锯齿形的板翅式换热器为基础,使用Design Expert软件基于多级响应面法，采用Box-Behnken试验对板翅式换热器结构进行优化,分析不同结构在交互作用下板翅式换热器换热系数以及压降的影响，并得到最佳结构参数，优化换热器性能。 1 板翅式换热器模型 板翅式换热器一般用的翅片类型有平直翅片、锯齿型翅片、波纹翅片以及多孔翅片[6]。锯齿形翅片是一种高效能翅片，这是由于流道凹凸不平，有利用强化传热。本文以锯齿形翅片为计算模型，参考蔡宇宏等人[7]所计算的结果来对板翅式换热器的结构参数对流动换热特性进行分析，下图1是锯齿型翅片的结构图。 图1 锯齿形翅片 Fig.1 Serrated fin

管壳式换热器工艺设计

管壳式换热器工艺设计 摘要：管壳式换热器是广泛应用于各个领域的工业设备,在国民经济中具有非常重要的作用,管壳式换热器的效率问题是设计工作的核心。本文利用优化设计原理,建立了以管壳式换热器优化设计模型。分析了影响年总费用的因素,编制了管壳式换热器优化设计计算机程序。最后给出了一个计算实例说明优化设计程序的使用。 关键词：换热器;管壳式换热器;优化;优化设计 热交换器是进行热交换操作的通用工艺设备,被广泛应用于各个工业部门,尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。换热器分类方式多样,按照其工作原理可分为:直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类,其中间壁式换热器用量最大,据统计,这类换热器占总用量的99%。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全,在许多国家都有了系列化标准。近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。 对于完成某一任务的换热器,往往有多个选择,如何确定最佳的换热器,是换热器优化的问题,即采用优化方法使设计的换热器满足最优的目

标函数和约束条件。在换热器设计中,最优目标函数是指包括设备费用和操作费用在内的总费用最小。本文主要针对管壳式水冷却器冷却水出口温度的优化问题,利用一般优化设计的原理和方法,以操作费用最小为优化目标,给出相应的目标函数,并用MATLAB语言编写了计算程序,最后给出了一个计算实例。 1目标函数 对于以水为冷却介质的管壳式冷却器,进口水温一定时,由传热学的基本原理分析可知,冷却水的出口费用将影响传热温差,从而影响换热器的传热面积和投资费用。若冷却水出口温度较低,所需的传热面积可以较小,即换热器的投资费用减少;但此时的冷却水的用量则较大,所需的操作费用增加,所以存在使设备费用和操作费用之和为最小的最优冷却水出口温度。 设换热器的年固定费用 FA = KF.CA.A (1) 式中FA ———换热器的年固定费用,元; KF ———换热器的年折旧率, 1 /y; CA ———换热器单位传热面积的投资费用,元/m2 ; A ———换热器的传热面积,m2。 换热器的年操作费用 FB =Cu •WuHy/1000 (2)

换热器优化改造方案

换热器优化改造方案 背景 换热器是工业生产和人类生活中普遍存在的设备，它的作用是将两种或多种介质之间的热量传递。随着工业的不断发展，传统的换热器逐渐满足不了生产需要。为了提高换热器的效率和稳定性，需要对其进行优化改造。 优化改造方案 1. 增加传热面积 换热器的传热面积是影响换热效率的重要因素。通过增加传热面积，可以增加热量传递的速率，提高换热器的传热效率。具体的优化改造方案包括： •增加管道长度：可以在传统的管道中增加多个弯头，增大管道长度，从而增加传热面积。 •增加管道直径：可以增加管道的直径，增大管道的横截面积，从而增加传热面积。 •增加板式换热器板数：可以在板式换热器中增加板数，从而增加传热面积。

2. 改善流体流动性 流体流动性是换热器传热效率的另一个重要因素。通过改善流体流动性，可以在不增加传热面积的情况下提高换热效率。具体的优化改造方案包括： •改变流体流动形态：可以通过改变流体的流动形态，如将湍流改变为层流，降低流体的阻力，提高流速，从而提高传热效率。 •正确设置进出口：可以通过正确设置进出口，使得流体在进入换热器时流畅无阻，有利于传热效率的提高。 •设计流体分配器：可以在管道中设置分配器，让流体分流，使得流体的流动均匀，从而提高传热效率。 3. 优化材料性能 材料性能是换热器能否长期稳定运行的关键因素。通过优化材料性能，可以提高换热器的耐腐蚀性、抗磨损性、耐高温性等性能，从而延长换热器的使用寿命。具体的优化改造方案包括： •选用合适的材料：可以根据介质的性质和使用环境的要求，选用合适的材料，如钢材、铜材、不锈钢等，提高换热器的耐腐蚀性、抗磨损性等性能。 •使用表面处理技术：可以对材料表面进行处理，如喷涂涂料、镀层等，提高材料的耐腐蚀性、耐高温性等性能。

板翅式换热器锯齿型翅片参数的遗传算法优化研究

板翅式换热器锯齿型翅片参数的遗传算法优化研究 杨辉著;文键;童欣;李科;厉彦忠;王斯民 【摘要】针对目前锯齿型板翅式换热器未能同时优化多参数,或者大多优化研究存在对经验关联式依赖的问题,提出了利用Kriging响应面来近似目标函数与设计变量之间的关系、应用遗传算法对锯齿型板翅式换热器翅片结构参数的优化方法.在维持翅片通道雷诺数为800时,把换热器的最大j因子、最小f因子和最大F TEF 因子作为3个单目标函数,对翅片的翅片高度h、翅片间距s、翅片厚度t和翅片节距l进行了优化研究.研究结果表明:翅片高度h与翅片间距s对换热器综合性能FTEF因子呈正增长,而翅片厚度t和翅片节距l呈负增长;在翅片高度为9.5 mm、翅片间距为2.2 mm、翅片厚度为0.1 mm和翅片节距为3 mm时,换热器性能最佳;结合Kriging响应面的遗传算法克服了传统优化方法对经验关联式的依赖.该研究结果可以指导锯齿型板翅式换热器的优化设计. 【期刊名称】《西安交通大学学报》 【年(卷),期】2015(049)012 【总页数】7页(P90-96) 【关键词】板翅式换热器;遗传算法;Kriging响应面;优化设计 【作者】杨辉著;文键;童欣;李科;厉彦忠;王斯民 【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学化学工程与技术学院,710049,西安

【正文语种】中文 【中图分类】TK124 板翅式换热器的基本结构是,在相邻两隔板之间放置的二次传热面构成狭窄的矩形流体通道,其传热与流动阻力性能主要决定于具有二次传热的翅片表面特性。作为紧凑式换热器的基本传热元件,此二次传热面可以扩大传热面积,提高传热效率,增强结构紧凑性,提升换热器强度及承压能力。根据不同的工艺,翅片的型式主要有平直翅片、多孔翅片、锯齿翅片、波纹翅片和百叶窗翅片[1]。其中,锯齿型翅片以其紧凑、高的可靠性及传热效率高等优点得到了广泛的应用,不过也存在流动阻力大的缺点。因此,对锯齿型板翅式换热器进行优化研究,对于提高其传热量和降低运行费用具有重大的意义。 目前,板翅式换热器的设计主要依据经验选择、多次验算和前人所得结果,通过简单的流动与传热理论计算,在满足设定的换热性能和阻力要求时,即可作为所参考的换热器形式和翅片类型,然而这样得到的换热器形式并不能保证是最佳的方案。遗传算法[2]的基本理论依据是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局搜索算法,在板翅式换热器优化研究中得到广泛的应用。文献[3-5]以板翅式换热器重量和效率为目标函数,文献[6]以板翅式换热器火积耗散最小为目标函数,文献[7]以板翅式换热器熵产数为目标,对换热器进行了单目标遗传算法的优化研究。此外,文献[8]以能量消耗与材料花费为目标函数,文献[9]以换热量与压力损失为目标函数,文献[10]以总换热量与系统全年运行总成本为目标函数,对板翅式换热器进行了多目标遗传算法的优化研究。然而,上述的优化方法基本上都需要依靠经典关联式计算翅片的传热与阻力性能。文献[11-19]通过实验或数值研究的方法,提出了锯齿型翅片表面特性的关联式,但是这些关联式的工质都是空气,将其应用于大Pr 为工质的情况,存在很大误差。目前,锯齿型板翅式换热器还严重缺乏以大Pr为工质

基于响应面法板翅式换热器结构优化

基于响应面法板翅式换热器结构优化 2江苏科技大学215636 摘要 本文以板翅式换热器锯齿形翅片为研究对象，研究不同结构参数对板翅式换 热器流动换热特性的影响。基于多级响应面法，采用Box-Behnke试验，以翅片 高度、翅片厚度以及翅片间距作为试验因素，板翅式换热器的换热系数以及压降 为响应值，分析交互作用下的影响，此方法可以迅速得到板翅式换热器结构参数 的优化方案,并分析出主要的影响因素,对板翅式换热器的应用提供一些借鉴。并 得出最优参数组合方案：翅片高度为3.8mm时，翅片厚度为0.2mm，翅片间距为2.58mm时，换热系数最大，压降最小。 。 关键词:板翅式换热器；优化；响应面法 Abstract In this paper, the influence of different structure parameters on the flow heat transfer characteristics of plate-fin heat exchanger is studied. Based on multi-stage response surface method, the Box - Behnke test, fin height, fin thickness and fin spacing as test factors, the plate-fin heat exchanger heat transfer coefficient and pressure drop as the response value, under the analysis of the interaction, the effect of this method can quickly get the plate-fin heat exchanger structure parameter optimization, and analysis the main influence factors, provide some reference for the application of plate-fin heat exchanger. And the optimal parameter combination scheme is obtained: when the fin height is 3.8mm, the fin thickness is 0.2mm, and the fin