高校实践教学中换热器的主要设计要点及步骤_陈俊英.pdf
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1、University Education收稿时间 2021-04-21基金项目 郑州大学研究生教改与质量提升工程及优质课程建设项目(YJSQYKC201906);郑州大学教育教学改革研究与实践项目(2019ZZUJGLX139)。作者简介 陈俊英(1972),女,河南人,博士,教授,研究方向:生物质资源化。2022年11月November,2022University Education摘要 毕业设计、课程设计是高等教育实践教学环节的重要内容之一,换热器是化工、轻工等过程工业中重要的工艺设备,具有一定的代表性及典型性。高校相关工科专业大都将换热器设计作为锻炼学生工程能力的实践项目。文章主要介绍
2、管壳式换热器的工艺设计内容以及如何确定换热器的换热管数量、长度、壳体直径等工艺参数,以期对学生的设计计算过程起到规范的作用,提高其工程设计的质量。关键词 毕业设计;课程设计;换热器;工艺计算中图分类号 G642.3 文献标识码 A 文章编号 2095-3437(2022)11-0083-03毕业设计和课程设计作为本科实践教学环节的重要内容,是培养本科生工程实践能力的关键步骤,属于人才培养方案中不可或缺的内容。“卓越工程师教育培养计划”和工程教育专业认证分别由教育部和专业认证机构推动实施,目的都是培养学生的工程意识以及强化与企业间的合作,都对实践教学环节非常看重,注重培养学生的工程实践能力,希望
3、能培养出更多具有一定工程背景、能够适应工业发展需要的各类工程技术人才。换热器作为常见的工艺设备,在化工、轻工、石化等行业得到了广泛应用,具有典型性和代表性,换热器设计是高校工科专业课程训练的主要内容之一。笔者在指导学生进行换热器的课程设计和毕业设计时发现,不少学生对换热器的工艺计算缺乏必要的认识。由于换热器的种类繁多,不同的结构形式所涉及的设计计算内容也各不相同,因此本文选择工业生产中最常见也是最具有代表性的管壳式换热器的工艺设计进行介绍,为学生进行换热器工艺设计提供参考,后续的换热器结构设计可参考国家与行业的相关标准和资料1。一、弄清换热器的工作原理换热器是一种最常见的工业设备,主要用来实现
4、两种或两种以上流体(最常见的是两种流体)间进行热量交换的设备2。两种流体热交换的间壁式换热器有两个空间(分别称为壳程和管程),这两个空间分别流过温度高的热流体和温度低的冷流体。教师在教学过程中要介绍清楚换热器的工作原理,让学生明白在热交换过程中,温度较高的热流体利用对流传热的方式把热量传递给温度较低的换热面(一般也称壁面)的一侧,使换热面的一侧温度升高、热流体温度下降;换热面两侧面间的传热是以导热的方式,利用壁面介质把热量传递到换热面(壁面)的另一侧,使另一侧温度也升高;最后又通过对流传热的方式,把壁面热量传递给温度更低的冷流体,使冷流体升温,从而实现热流体降温、冷流体升温这个完整的热量传递过
5、程。二、正确选择换热器的类型及结构形式管壳式换热器按照其结构特点及适用场合可分为固定管板式、U形管式、浮头式、填料函式和釜式重沸器等不同类型。不同类型的换热器的优缺点及适用场合具体如表1所示。固定管板式换热器的管程容易清洗,温差较大时需要设置膨胀节,适合壳程为压力较低的清洁流体;U形管式换热器壳程容易走短路,经常需要设置隔板,适用于温差较大或者壳程介质易结垢的场合;浮头式换热器的结构相对复杂,制造较为困难,但换热管束可抽出清洗,与U形管式适用场合相似;填料函式换热器采用填料密封,容易泄露,不适合易燃、易爆、有毒害、易挥发的介质;釜式重沸器设置有蒸发空间,容易清洗,可处理易结垢的介质。在进行设计
6、时学生须根据生产工艺的要求选择合适的类型和结构形式。固定管板式换热器在工业生产中应用广泛,作为一种基础性的设计范例,具有一定的代表性,因此本文主要介绍该类换热器的设计过程。三、收集物料的物性参数和工艺操作参数在设计换热器前,学生必须先收集物料的物性参数和工艺操作参数才能进行工艺计算。物料的物性参数包括冷、热物料在定性温度下的密度、黏度、导热系数、比热容、汽化潜热等参数。工艺操作参数主要包括换热器内冷、热流体的体积(或质量)流量以及两侧流体进出口温度、压力等。高校实践教学中换热器的主要设计要点及步骤陈俊英1方书起2刘利平2李攀21.郑州大学化工学院,河南郑州4500012.郑州大学机械与动力工程
7、学院,河南郑州45000183四、换热器工艺计算过程换热器设计对于学生而言属于工程设计的类型,需要先完成工艺计算,确定总传热量、平均传热温差、总传热系数、换热面积和换热器直径等,后续的结构设计和强度校核可以根据国家的相关标准来完成。(一一)确定物料的流程确定物料的流程,计算总传热量和平均传热温差计算总传热量和平均传热温差学生要首先根据工艺要求选择换热器的类型,确定哪种物料适合走管程、哪种物料适合走壳程;再根据各程介质的操作参数和物性参数计算出换热器的总传热量和平均传热温差,为下一步计算总传热系数和传热面积做准备。确定流程时可遵循的原则主要有以下几个:非清洁或易结垢、易分解的物料宜选择易清洗的一
8、侧。对于直管束而言,此类物料一般选择走管内。腐蚀性介质最好选择在管程。压力高的物料也宜选择在管程。作为热媒(温度很高)或冷媒(温度很低)的介质以走管程为佳。蒸汽介质一般适合在壳程。蒸汽侧的传热系数大,蒸汽冷凝后产生的冷凝液需要及时排出,走壳程便于排出冷凝液。给热系数小的物料(如气体)宜走壳程,易于加快其速度。被冷却的介质适合在壳程,更有利于散热。液体物料为了避免走短路一般采用下进上出的方式,而气体物料一般采用上进下出的方式。根据上述的流程选择原则,学生要学会根据不同介质的特点,确定管程和壳程的介质以及进出口管的位置,再根据所列的工艺条件计算出总传热量和平均传热温差等。(二二)假定并核算总传热系
9、数假定并核算总传热系数K K在换热器工艺计算过程中,最为关键的环节是总传热系数K的计算,这也是学生需要重点掌握的部分。对管壳式换热器而言,传热面积以换热管外表面积为准。计算总传热系数 K 时需要考虑五个方面:壳程表面给热系数 o,壳程污垢热阻 Rso,管壁热阻 Rm=b/,管程污垢热阻Rsi,管程表面给热系数i。其具体的计算公式如下:1K=1O+RSO+bdOdm+RSidOdi+1idOdi(1)式中:do换热管外径,dm换热管中径,di换热管内径,b换热管壁厚,换热管的导热系数。计算总传热系数K对学生而言是重点也是难点,一般采用迭代法进行计算。首先需要选择一个初始的K值。学生应根据设计条件
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