换热器课程设计

软件简介

概述

  换热器是化工及石油化工装置中用于物料热量传递的关键设备，对于实现能量的有效利用和降低产品成本具有重要意义。管壳式换热器，又称列管式换热器是应用最广泛的换热设备类型，管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间：管内的通道及相连通的管箱，称为管程空间（简称管程）；换热管束外的通道及其相贯通的部分，称为壳程空间（简称壳程）。固定管板式、U型管、浮头式和填料函式换热器是管壳式换热器的主要结构类型。

软件特色

  本软件的特色主要有以下几个方面：

1. 知识点来源

  仿真软件中涉及到的知识点全部来源于教材和相关标准。

2. 运行模式

  换热器课程设计软件有两种运行模式：整体运行和分步运行。
  教师应用整体运行模式，根据每位学生的题目，输入工艺数据及查表数据，得到一个电算的参考答案，可以减轻教师的工作强度。
  分步运行包含换热器课程计算流程图，软件按照换热器设计的逻辑顺序，分步骤引导学生学习，确保学生能够清晰理解并准确执行每个设计环节。

3. 三维可视化界面

  换热器的三维模型能够根据用户选择的换热器类型、管程数、管程布局、折流板的类型、数量以及切割方向等因素进行动态调整。该模型提供直观的视觉效果和交互式的操作体验，帮助工程师更好地理解、分析和优化换热器的结构和工作性能。

操作说明

一、任务要求

  要求将温度为 $80{}^{\circ }\mathrm{C}$ 的某有机物冷却至 $60{}^{\circ }\mathrm{C}$ ，此有机物的流量为 $18{\mathrm{k}\mathrm{g}/\mathrm{s}}_{\circ }$ 。现拟用温度为 $18^{\circ }\mathrm{C}$ 的冷水进行冷却。要求换热器管壳两侧的压降皆不超过 0.05MPa。已知该有机物在 $60\sim 80^{\circ }\mathrm{C}$ 范围内的物性数据为： $\mathrm{c}\mathrm{p}=3.91\mathrm{k}\mathrm{J}/(\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot$ ${}^{\circ }\mathsf{C}$ )，μ=0.428X10-3 Pa・s, λ=0.623 W/(m・℃),ρ=982 kg/m3。选用一台合适的换热器。

二、操作说明

1.登录

  打开网址 https://cslab.oberyun.com/login ，输入用户名和密码，点击登录即可进入软件。

图 登录界面

进入系统后，点击"换热器课程设计"模块，即可开始设计任务。

图 进入换热器课程设计

2.新建工程项目

  进入 "基础设置-项目信息"，点击 "新建工程"，填写工程名称和描述后保存，即可创建换热器设计工程。

图 新建工程

3.组分设置

  根据设计任务要求中涉及的冷热物流，添加所需组分。如本题中添加水。

图 添加组分

4.设备选型

  当前支持管壳式换热器设计，用户可随时查看其三维结构模型。

图 管壳式换热器三维结构模型

5.结构设计

  换热器课程设计软件有两种运行模式：整体运行和分步运行。分步运行包含换热器课程计算流程图，分步骤引导学生学习，确保学生能够清晰理解并准确执行每个设计环节。
  下面以 分步运行模式 为例，演示操作过程。
  点击‘分步运行’显示换热器设计流程图；最小化按钮可隐藏图片，右侧分步运行按钮可重新显示。

图 结构设计

(1) 输入工艺数据，并确定冷物流位置
为充分冷却有机物，取有机物走管程，水走壳程。

图 输入工艺数据

(2) 计算定性温度：点击下一步，完成定性温度的计算

图 计算定性温度

(3) 物性数据：用户可以自己输入物性数据，也可以用系统计算物性
  使用系统计算物性数据时，用户需要输入组分组成，点击加载物性参数，既可以获得物性参数。本题中，冷物流为水，其物性可由系统自动计算，有机物物性采用题目给定数据。

图 得到物性数据

(4) 热负荷：点击下一步，计算热负荷及另一流体流量

图 计算热负荷

(5) 计算平均温差，分为两步运行，计算逆流平均温差、温差校正
  初定单壳程，四管程的管壳式换热器。流动方式选择折流。
  点击下一步计算逆流平均温差，冷热温差比，温差效率、温差校正系数。若用户输入温差校正系数，则用输入的温差校正系数计算校正温差。
  点击下一步，计算校正温差。

图 计算平均温差

(6) 查表初步估计总传热系数 K 值，用户可自定义裕度系数。点击下一步，估算传热面积。

图 估算传热面积

(7) 初选换热器型号
  用户根据换热器面积选择换热器型号，既可以选择标准换热器，也可以选择非标准换热器。

图 初选换热器型号

  标准换热器和非标准换热器，管束布局界面不同。
  本设计壳程和管程的最大温差小于 $50^{\circ }\mathsf{C},$ 可选用固定管板式换热器。由固定板式换热器的系列标准，初选换热器型号为 BEM600-1. 0-50.5-3/25-4I。
  选择标准换热器时，点击“国家标准”，选择合适的传热编辑，即可导入标准换热器参数。

图 标准换热器参数

图 换热器管束布局

因为选择的标准换热器，所以无需计算单程管长，换热管数，壳体直径等，下一步即为计算折流板数。

(8) 计算折流板数：用户输入折流板间距 $0.45\mathrm{m}$ ，点击下一步，即可计算折流板数。

图 计算折流板数

(9) 计算管口管径：用户可以输入管程及壳程接管流速，计算管口管径。若缺省，则系统根据GB151给定管口管径。

图 计算管口管径

6.传热校核

(1) 核算压降

① 流体流速：点击“下一步”，计算管程流体流速，壳程流体流速、雷诺数等

图 计算流体流速

② 用户输入管壁粗糙度，并根据相对粗糙度及雷诺数，查图输入摩擦系数（系统也可计算摩擦系数），点击 “下一步” ，计算压降，并且与允许压降对比。

图 计算压降

计算结果表明，管程和壳程的压降均能满足设计条件。
(2) 核算总传热系数
① 根据雷诺数等选择合适的对流传热系数公式，计算管程及壳程对流传热系数。

图 计算对流传热系数

② 输入污垢热阻
③ 点击 “下一步” ，计算管壁热阻
④ 点击 “下一步” ，计算总传热系数，继续点击下一步计算所需传热面积，判断传热面积是否满足设计要求。

图 判断传热面积

面积裕度为 $19.32\mathrm{\%}$ ，满足换热要求。

7.设计概要

点击 “导出” ，即可以导出《换热器主要工艺结构参数与计算一览表》。

图 设计概要

图 装配图

8.设计报告

  用户输入课程名称等信息，点击 “导出报告” ，即可导出换热器课程报告。

图 设计报告