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摘 要作为一种应用宽广、普及面大的压力容器，以及作为工业换热设备里面的一个最为基础的构建，管壳式换热器在工业中极为常见。谈及管壳式换热器结构优化，其涉及问题较多，而其最基本的问题是多参数的耦合。本文在以上认识基础上，对管壳式换热器的传热和压降模型进行分析，进一步分析出管壳式换热器设计的最优化结果，以此找到管壳式换热器的结构设计上最优化的方案，这个方案对管壳式换热器的体积、换热过程、降压损失等都进行了全面的考虑。
关键词管壳式换热器；优化；换热；设计；模型
中图分类号TK172文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)081-0170-01
1管壳式换热器结构及原理
管壳式换热器，其英文为shell and tube heat exchanger，也称为列管式换热器。其工作原理是在一个封闭的、管壳形状的空间里面传热，其设计结构较为简洁，并且操作简单方便，一般使用金属材料进行制造，能够在高温、高压的环境下使用，并且应用面广泛，普及面较大。
管壳式换热器的组成主要是壳体、传热管束、管板、挡板、管箱等部件。一般而言，壳体即外形主要是圆筒形，在圆筒形内部设计有固定在管板上面的管束，而冷热两种流体就分别在管束内和管束外流动，在管内流动的按照惯例称为管程流体，在管束外流动的按照惯例称为壳外流体，其意思是在管壳一面流动。一般而言，管壳式换热器的壳外流体传热分系数要想提高，就会增加管壳里面的挡板数量，数量家多的挡板能够有效加速壳层流体的速度，相应增加了流体的湍流程度。在管壳式换热器内部，管束每经过一次流体惯例称为一个管程，外壳每经过一次流体惯例称为一个壳程，而在管箱内增加隔板，会让流体在管束里面进行多次往返，惯例成为称为多管程；在壳体内设计增加挡板，也会让流体在壳体空间中进行多次往返，惯例称为多壳程。根据需要，可以对多管程和多壳程搭配使用，提高使用效率，达到需要的效果。
2管壳式换热器结构优化设计原理与方法研究
2.1Colburn Donohue 法
管壳式换热器较为复杂的部分主要集中在其壳侧部分，在壳侧部分的传热、流动，其原理、过程都相对复杂，因此对管壳式换热器的壳侧的传热、降压计算尤其需要投入更大的关注。一般而言，确定管壳式换热器壳侧传热、降压的方法是采用Colburn Donohue 法。
Colburn Donohue 法是Colburn在1933年首先提出来的，其指出壳侧传热、降压计算主要是建立在理想管排数据的基础上。但是如果管壳式换热器带有折流板，那么Colburn Donohue 法相较于Sieder2Tate 关联式，对漏流和旁流的计算就显出一定的滞后。不过在管壳式换热器里面，一般流体的传热和流动阻力都是同时发生，二者相辅相成，因此在对管壳式换热器进行设计中，往往联合使用Colburn Donohue 法和Sieder2Tate 关联式。在1949年，Donohue提出完整的管壳式换热器的设计方法，这是历史上的第一次，它的计算方式是对Colburn关联式的改进，是历史的进步，因此为了纪念Colburn和Donohue，其提出的设计方法又称为Colburn Donohue 法。
2.2Kern 法
Kern 法是Colburn Donohue 法的又一次改进，在Colburn Donohue 法基础上，提出管壳式换热器的设计应该是一个整体，其综合考虑了传热、温度分布、污垢等问题，并且对其提出综合的设计意见。对管壳式换热器的设计是一大进步，并且已经成为现在设计管壳式换热器的重要参考文献，具有非常重要的价值。
2.3Bell Delaware 法
随着社会的发展和科学的进步，在1963年，Bell对Colburn等的研究成果进行再研发，提出Bell2Delaware 法，Bell2Delaware 法是对管壳式换热器的设计的又一次改进，其主要建立在大量的实验数据的基础上，对各种流路的系数进行校正，提高了管壳式换热器的精确度，Bell2Delaware 法也是关于管壳式换热器的理论上的一次提高。但是其也显示出一定的不足，比如关于管壳式换热器的传热系数和指数主要是通过多次试验的数据分析得出，其的适用性受到一定局限。
2.4流路分析法
在Bell2Delaware 法诞生之后，针对其不足问题，美国热传研究公司进行了相应的设计，并且取得了一定的研究成果。美国热传研究公司主要是同时利用了Tinker 的流动模型和Delaware大学的研究试验数据，创造性地提出流路分析法。
在1979年，我国天津大学也提出流路分析法，主要计算管壳式换热器的壳侧压降，使用计算机进行计算。
在1984年，Wills 和Johnson简化了流路分析法，让流路分析法的计算更加方便，并且能够人工操作。对管壳式换热器的发展起了很好的推动。
2.5基于计算流体动力学的设计法
随着科学进步和计算机的大量使用，管壳式换热器的设计也得到越来越高的进步，相较于过去，管壳式换热器的设计计算逐渐简化，设计上更为单纯，其经济效益也得到提高，降低了设计制造成本。其主要分为三个主要阶段：
第一阶段，主要是开发出相关计算机程序，用于对管壳式换热器的计算，代替了人工计算的繁琐，将人工从繁琐重复的计算中解脱出来。
第二阶段，对开发的管壳式换热器的计算机辅助设计系统进行优化，降低了对相关系统的维护，增大了经济收入，降低了系统成本。
第三阶段，根据计算流体动力学和数值传热学，对管壳式换热器的三维流动和传热行为进行数值模拟，是对管壳式换热器的设计的重大改进。
基于计算流体动力学的设计，相较于之前管壳式换热器的设计，其更加符合管壳式换热器的生产实际需要，更加具有代表性，并且适用性也得到很大提高。而基于单级模型建立的多级换热器系统模型，更加适合管壳式换熱器的复合形优化算法，并且模型更为简洁，适用性更高，也打破了单级模型对管壳式换热器的设计各种限制。但是，现在管壳式换热器的优化设计模型仍然还有改进探索的空间，相关的系统软件仍然有发展空间，还需要同行的不懈努力。
3结束语
本文浅要分析了管壳式换热器的设计结构优化，作为一种应用宽广、普及面大的压力容器，管壳式换热器的发展改进还需要我们投入更多的精力和实践，让其变得更为完美，为工业需要服务。
参考文献
[1]杨明,孟晓风,张卫军.管壳式换热器的一种优化设计[J].北京航空航天大学学报,2009,05.
[2]祝用华,张奕,杨节标,等.管壳式换热器优化设计及其LINGO实现[J].广东化工,2009,04.
[3]李绍军,姚平经.最小年度化费用换热网络综合的匹配规则研究[J].高校化学工程学报,2000,01.
关键词管壳式换热器；优化；换热；设计；模型
中图分类号TK172文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)081-0170-01
1管壳式换热器结构及原理
管壳式换热器，其英文为shell and tube heat exchanger，也称为列管式换热器。其工作原理是在一个封闭的、管壳形状的空间里面传热，其设计结构较为简洁，并且操作简单方便，一般使用金属材料进行制造，能够在高温、高压的环境下使用，并且应用面广泛，普及面较大。
管壳式换热器的组成主要是壳体、传热管束、管板、挡板、管箱等部件。一般而言，壳体即外形主要是圆筒形，在圆筒形内部设计有固定在管板上面的管束，而冷热两种流体就分别在管束内和管束外流动，在管内流动的按照惯例称为管程流体，在管束外流动的按照惯例称为壳外流体，其意思是在管壳一面流动。一般而言，管壳式换热器的壳外流体传热分系数要想提高，就会增加管壳里面的挡板数量，数量家多的挡板能够有效加速壳层流体的速度，相应增加了流体的湍流程度。在管壳式换热器内部，管束每经过一次流体惯例称为一个管程，外壳每经过一次流体惯例称为一个壳程，而在管箱内增加隔板，会让流体在管束里面进行多次往返，惯例成为称为多管程；在壳体内设计增加挡板，也会让流体在壳体空间中进行多次往返，惯例称为多壳程。根据需要，可以对多管程和多壳程搭配使用，提高使用效率，达到需要的效果。
2管壳式换热器结构优化设计原理与方法研究
2.1Colburn Donohue 法
管壳式换热器较为复杂的部分主要集中在其壳侧部分，在壳侧部分的传热、流动，其原理、过程都相对复杂，因此对管壳式换热器的壳侧的传热、降压计算尤其需要投入更大的关注。一般而言，确定管壳式换热器壳侧传热、降压的方法是采用Colburn Donohue 法。
Colburn Donohue 法是Colburn在1933年首先提出来的，其指出壳侧传热、降压计算主要是建立在理想管排数据的基础上。但是如果管壳式换热器带有折流板，那么Colburn Donohue 法相较于Sieder2Tate 关联式，对漏流和旁流的计算就显出一定的滞后。不过在管壳式换热器里面，一般流体的传热和流动阻力都是同时发生，二者相辅相成，因此在对管壳式换热器进行设计中，往往联合使用Colburn Donohue 法和Sieder2Tate 关联式。在1949年，Donohue提出完整的管壳式换热器的设计方法，这是历史上的第一次，它的计算方式是对Colburn关联式的改进，是历史的进步，因此为了纪念Colburn和Donohue，其提出的设计方法又称为Colburn Donohue 法。
2.2Kern 法
Kern 法是Colburn Donohue 法的又一次改进，在Colburn Donohue 法基础上，提出管壳式换热器的设计应该是一个整体，其综合考虑了传热、温度分布、污垢等问题，并且对其提出综合的设计意见。对管壳式换热器的设计是一大进步，并且已经成为现在设计管壳式换热器的重要参考文献，具有非常重要的价值。
2.3Bell Delaware 法
随着社会的发展和科学的进步，在1963年，Bell对Colburn等的研究成果进行再研发，提出Bell2Delaware 法，Bell2Delaware 法是对管壳式换热器的设计的又一次改进，其主要建立在大量的实验数据的基础上，对各种流路的系数进行校正，提高了管壳式换热器的精确度，Bell2Delaware 法也是关于管壳式换热器的理论上的一次提高。但是其也显示出一定的不足，比如关于管壳式换热器的传热系数和指数主要是通过多次试验的数据分析得出，其的适用性受到一定局限。
2.4流路分析法
在Bell2Delaware 法诞生之后，针对其不足问题，美国热传研究公司进行了相应的设计，并且取得了一定的研究成果。美国热传研究公司主要是同时利用了Tinker 的流动模型和Delaware大学的研究试验数据，创造性地提出流路分析法。
在1979年，我国天津大学也提出流路分析法，主要计算管壳式换热器的壳侧压降，使用计算机进行计算。
在1984年，Wills 和Johnson简化了流路分析法，让流路分析法的计算更加方便，并且能够人工操作。对管壳式换热器的发展起了很好的推动。
2.5基于计算流体动力学的设计法
随着科学进步和计算机的大量使用，管壳式换热器的设计也得到越来越高的进步，相较于过去，管壳式换热器的设计计算逐渐简化，设计上更为单纯，其经济效益也得到提高，降低了设计制造成本。其主要分为三个主要阶段：
第一阶段，主要是开发出相关计算机程序，用于对管壳式换热器的计算，代替了人工计算的繁琐，将人工从繁琐重复的计算中解脱出来。
第二阶段，对开发的管壳式换热器的计算机辅助设计系统进行优化，降低了对相关系统的维护，增大了经济收入，降低了系统成本。
第三阶段，根据计算流体动力学和数值传热学，对管壳式换热器的三维流动和传热行为进行数值模拟，是对管壳式换热器的设计的重大改进。
基于计算流体动力学的设计，相较于之前管壳式换热器的设计，其更加符合管壳式换热器的生产实际需要，更加具有代表性，并且适用性也得到很大提高。而基于单级模型建立的多级换热器系统模型，更加适合管壳式换熱器的复合形优化算法，并且模型更为简洁，适用性更高，也打破了单级模型对管壳式换热器的设计各种限制。但是，现在管壳式换热器的优化设计模型仍然还有改进探索的空间，相关的系统软件仍然有发展空间，还需要同行的不懈努力。
3结束语
本文浅要分析了管壳式换热器的设计结构优化，作为一种应用宽广、普及面大的压力容器，管壳式换热器的发展改进还需要我们投入更多的精力和实践，让其变得更为完美，为工业需要服务。
参考文献
[1]杨明,孟晓风,张卫军.管壳式换热器的一种优化设计[J].北京航空航天大学学报,2009,05.
[2]祝用华,张奕,杨节标,等.管壳式换热器优化设计及其LINGO实现[J].广东化工,2009,04.
[3]李绍军,姚平经.最小年度化费用换热网络综合的匹配规则研究[J].高校化学工程学报,2000,01.