換熱器設計的案例
換熱器設計軟件中的扛把子：ExDesigner
為整合換熱器設計知識與方法，降低對設計人員的專業要求，開發針對核電換熱器的專用設計軟件，通過集成核電行業換熱器常用材料數據、熱工計算方法與強度校核標準、參數化結構模型等內容，整合用戶長期的設計經驗，形成針對核電行業U型換熱器的專用設計工具，支持設計師快速完成在設計
工況下的熱工參數與結構強度校核分析，為用戶提供了設計依據，指導用戶以更快速度完成更高質量的換熱器設計產品，滿足核電換熱器的特定設計需求。
展開 優化設計，提升性能 | 《ANSYS換熱器設計與開發仿真解決方案》現已開放領取
定義和應用
換熱器的種類
使用換熱器面臨的巨大挑戰
換熱器的分析與設計過程
分析方法
仿真對換熱器設計和開發的影響
換熱器設計難點與方案
預測換熱器結垢
換熱器設計和開發的最佳實踐
1 擴散器形狀優化
· 工程挑戰
· 仿真復雜性
· Ansys應對挑戰的關鍵功能
· 入口擴散器的形狀優化研究案例
2 導管螺紋形狀優化
· 工程挑戰
· 仿真復雜性
· Ansys應對挑戰的關鍵功能
· 波紋管
· 嚙合波紋管
3 共軛傳熱（CHT）
· 工程挑戰
· 仿真復雜性
· Ansys應對挑戰的關鍵功能
· Ansys Workbench Meshing 針對CHT繪制網格
4 冷熱循環熱機疲勞
· 工程挑戰
· 仿真復雜性
· Ansys應對挑戰的關鍵功能
5 蒸發和冷凝
· 工程挑戰
· Ansys應對挑戰的關鍵功能
· Semi-Mechanistic沸騰模型
· 蒸發和冷凝案例研究
6 系統耦合能力（0D，1D，3D耦合）
· 工程挑戰
· Ansys應對挑戰的關鍵
· 換熱器庫
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展開 換熱器設計與開發仿真解決方案
系統耦合能力（0D，1D，3D耦合）
6.1 工程挑戰
6.2 Ansys應對挑戰的關鍵功能
6.3 換熱器庫
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使用換熱器面臨的巨大挑戰
－ 優化熱交換
－ 提升性能
－ 減少損害
－ 做出更好的材料選擇
－ 承受異常/惡劣的條件
換熱器的分析與設計過程：流體的熱分析
（1）分析和設計：
－ 計算/設計 熱/冷 出口的溫度
－ 計算/設計 熱/冷 質量流速
－ 計算/設計 熱/冷 傳熱面積
（2）優化：
－ 傳熱速率最大
－ 壓降最小
－ 減少溫度的分層（增加均勻性）
－ 形狀優化改善流動的均勻性
－ 成本效率
分析方法
（1）降階的換熱器模型
－ 更關注于換熱器對系統影響而不是本身換熱器的設計
－ 換熱器尺度變化差異大，完全對換熱器進行高精度的模擬不符合實際
－ 需要根據實驗或者經驗關聯式定義一些輸入參數
－ 只能用于某些經典的換熱器
（2）詳細的CFD分析
－ 能應用于任何一種換熱器（不同幾何、構型）
－ 能夠從模擬中獲得更多細節信息
－ 能應用于換熱器本身的設計于優化
－ 能采用較大的網格（因為換熱器本身的特性能夠被網格解析）
－ 更加高級的物理模型
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展開 換熱面積在板式換熱器設計中的重要性是什么？
在現代工業系統中，能源效率與設備性能的平衡始終是工程師關注的核心，而在眾多熱交換設備中，板式換熱器因緊湊的結構、高效的傳熱能力和靈活的配置，廣泛應用于暖通空調、食品加工、化工、電力等多個領域，然而在設計和選型過程中，一個看似基礎卻相當重要的參數——換熱面積，往往決定了整個系統的成敗，它不僅僅是圖紙上的一個數字，更是決定換熱效率、運行成本乃至設備壽命的關鍵因素。
艾克森板式換熱器：https://www.accessen.cn/
那么換熱面積到底意味著什么？簡單來說，它是所有換熱板片有效傳熱表面的總和，想象一下，熱量就像水流，需要通過一塊塊“橋梁”從一種介質傳遞到另一種介質，這些“橋梁”的總面積越大，熱量傳遞的通道就越寬，換熱過程也就越順暢，因此換熱面積直接決定了設備的熱負荷能力，面積不足，系統可能無法達到預期的溫度變化，導致生產效率下降；面積過大，則可能造成材料浪費、設備體積臃腫，增加初期投資和運行阻力。
在實際設計中，換熱面積的選擇并非孤立進行，而是與流體特性、溫差、流量、板片材質和波紋結構等參數緊密關聯，例如在溫差較小的工況下，為了達到相同的換熱量，就必須增大換熱面積來補償傳熱推動力的不足，同樣，對于高粘度或低導熱系數的流體，也需要更大的面積來保證足夠的熱交換效率，這就要求設計人員在計算時，不僅要依據標準公式，更要結合實際運行條件進行精細優化。
值得一提的是，板式換熱器的模塊化設計為換熱面積的調整提供了極大便利，通過增減板片數量，可以在一定范圍內靈活調節總面積，以適應不同的工況需求，這種靈活性不僅提升了設備的適應性，也降低了用戶在不同項目中的選型難度，然而這也帶來了一個難題：如何在滿足性能要求的同時避免過度設計？這就需要制造商具備深厚的工程經驗和精準的模擬分析能力。
展開 
殼管式換熱器快速設計系統項目案例分享
殼管式換熱器快速設計系統項目案例分享
隨著現代工業的迅速發展，以能源為中心的環境、生態等問題日益加劇。世界各國在尋找新能源的同時，也更加注重了節能新途徑的研發。強化傳熱技術的應用不但能節約能源、保護環境，而且能大大節約投資成本。換熱器由于其在化工、石油、動力和原子能等工業部門的廣泛應用，使得換熱器的強化傳熱技術一直以來受到研究人員的重視，各種研究成果不斷涌現。隨著經濟的發展，各種不同結構和種類的換熱器發展很快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現。換熱器既可是一種單獨的設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設備的組成部分，如石化、煤炭工業中的余熱回收裝置等。
殼管式(或管殼式)換熱器作為應用最廣泛的傳統換熱器。憑借其堅固的結構，且能選用多種材料制造，適應性極強，而廣泛應用于各個行業。殼管式換熱器是一種換熱傳導裝置，由殼體、管板、管束、擋板及箱體組成。其最基本的構造是在圓形的殼體內加許多熱交換用的小管，當加熱的熱媒為蒸汽時稱為殼管汽一水換熱器；加熱的熱媒為高溫水時稱為殼管水一水換熱器，水一水換熱器由于熱交換小管內外都是水，因為小管兩側水流速接近，圓形外殼直徑不能太大，當加熱面積要求較大時，常幾段連起來，故又稱分段式水一水換熱器。該類換熱器常用于熱水供暖系統，低溫水空調系統及某些連續性用熱水的生產工藝用水。作為生活熱水供應，則需配備貯水罐。近年來，制冷市場呈現迸發趨勢，市場上的換熱設備也多種多樣。其發展與未來創新也一直是市場導向與制造廠商關注的重點。
從企業的設計角度出發，三維、信息、智能是提高設計效率，確保設計質量的必然選擇，三維設計、工藝和制造一體化是現代制造技術的發展趨勢。在如此發展形勢下，如何提高企業的設計規范以及設計效率成為企業必須要認真考慮的一個重大課題。
展開 螺紋鎖緊環換熱器的結構介紹
在石油化工生產裝置中約有40%左右的設備屬于換熱設備，換熱設備是所有工藝流程中不可或缺的重要設備，它在降低能耗、降低生產成本起到了重要的作用。但是，隨著裝置的大型化、節能減排的嚴苛要求和工藝設計條件的越加苛刻，傳統意義上的換熱器已經不能滿足工藝生產要求。小編有幸在工程實際中接觸到了螺紋鎖緊環換熱器，該換熱器具有結構緊湊、泄漏點少、密封可靠、節省材料、可以在線修理等優勢。其特殊之處還在于管箱部分，基本原理是管程內壓引起的軸向力通過管箱壓蓋和螺紋鎖緊環而由管箱本體承受，管箱通過螺紋鎖緊環上的外圈壓緊螺栓來壓緊外密封墊圈來實現密封[1]，對于操作條件苛刻、介質成份復雜的工況來說，選用螺紋鎖緊環換熱器是合適的。
1、 換熱器的設計參數（見表1）
表1 換熱器設計參數
2、 設備選材
根據換熱器的設計參數，依據Nelson曲線，設備本體受壓材質選擇12Cr2Mo1V鍛鋼，內部有不銹鋼堆焊層，堆焊材料為E309L+E347，堆焊層厚度為3+3.5mm，堆焊層能耐硫化氫腐蝕。
3、 設備結構
螺紋鎖緊環換熱器結構示意圖(見圖1)
圖1 螺紋鎖緊環換熱器結構示意圖
螺紋鎖緊環換熱器密封結構示意圖（見圖2）：
圖2 螺紋鎖緊環換熱器密封結構圖
1-管板墊片；2-管板；3-內套筒墊片；4-內套筒；5-頂壓螺栓墊環；6-頂壓螺栓；7-承壓環；8-套筒；9-上分合環；10-大壓環；11-外密封墊圈；12-密封盤；13-外壓圈；14-內壓圈；15-外壓桿；16-內壓桿；17-螺紋鎖緊環；18-外圈壓緊螺栓；19-內圈壓緊螺栓；20-管箱壓蓋。
展開 雙管板換熱器與單管板換熱器的區別
在如下情形時，換熱器管程和殼程介質嚴格禁止混合，則常常采用雙管板結構：
①當管程和殼程二介質相混合后會引起嚴重腐蝕；
②一側為極度或高度危害介質滲入到另一側會引起嚴重后果；
③當管程和殼程介質相混合后兩種介質會引起燃燒或爆炸；
④當一種介質混入另一種介質時，引起催化劑中毒；
⑤管程和殼程介質相混合后會引起聚合或生成樹脂狀物質；
⑥管程和殼程介質相混合后會引起化學反應終止或限制；
⑦管程和殼程介質相混合后，引起產品污染或產品質量下降。
02
雙管板與單管板換熱器結構比較
雙管板換熱器采用固定管板結構，管束不能抽出清洗，單管板換熱器可采用多種結構型式，管束可以抽出清洗。對于溫差較大的雙管板換熱器，簡體上可加裝波紋膨脹節；而單管板換熱器除可考慮簡體上加裝波紋膨脹節外，常采用浮頭或U型管型式來補償。
對于雙管板換熱器，存在二種設計理念的認識：一種認為雙管板換熱器用于絕對防止管殼程間介質混串的場合，設計在內外管板之間空腔上加裝排液倒淋閥，供日常觀察和內管板發生泄漏時排放，使得管殼程介質切實被內外二層管板隔離。這是采用雙管板結構型式的主要目的。
另一種認為雙管板換熱器可用于管殼程間介質壓差很大的場合，設計在內外管板之間的空腔中加入一種介質，來減小管殼程間介質的壓差。這和一般單管板換熱器一樣，不能絕對保證外管板上管口不發生泄漏。
03
雙管板與單管板換熱器使用上比較
單管板換熱器最常見。
展開 CFD專欄丨基于Inspire Fluid的隱式建模換熱器設計和熱仿真
<p><strong>基于增材制造的換熱器</strong></p><p><br></p><p>增材制造，即 3D 打印技術，是一種通過逐層堆疊材料的方式構建物體的制造方法。熱交換器的設計通常是最大化表面積和最小化壓降之間的平衡。晶格結構的使用被證明是增強傳熱從而提高熱交換器效率的一種可能方法。由于體積相對較小、重量輕且熱效率高，這些基于增材制造的換熱器已在航空航天、電子設備等領域得到廣泛應用。</p><p><br></p><p><strong>? 增材制造換熱器優勢：</strong></p><p><br></p><ul><li>高比表面積換熱：如基于極小曲面的隱式建模換熱器，能增加冷熱流體的接觸面積，從而提高換熱效率，傳統換熱器在有限的空間內難以達到同等的換熱面積。</li><li>流場均勻性好：隱式建模的一些復雜結構能使流體在換熱器內的流動更加均勻，減少流動死區和渦流現象，讓熱量傳遞更充分、高效，傳統換熱器可能存在流場不均勻，導致局部換熱效率低的問題。</li><li>低熱阻特性：其結構的光滑性和連通性等特點，使得熱量傳遞過程中的熱阻相對較小，能更快速地實現熱量的傳遞和交換。</li></ul><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/x0yLiaf5fF6yoVibTeSqBpqMYyDTicj6spCp9e8ns0aFDn9IRuTzx6qJ3n46ss95KOdXDaCIxv30S3YkqqicjheicGw/640?
展開 板式換熱器優化設計方法
01
板式換熱器優化設計方向
近年來，板式換熱器技術日益成熟，其傳熱效率高，體積小，重量輕，污垢系數低，拆卸方便，板片品種多，適用范圍廣，在供熱行業得到了廣泛應用。板式換熱器按組裝方式分為可拆式、焊接式、釬焊式、板殼式等。由于可拆式板式換熱器便于拆卸清洗，增減換熱器面積靈活，在供熱工程中使用較多。可拆式板式換熱器受橡膠密封墊耐熱溫度的限制，適用于水一水傳熱。本文對提高可拆式板式換熱器效能的優化設計進行研究。
提高板式換熱器的效能是一個綜合經濟效益問題，應通過技術經濟比較后確定。提高換熱器的傳熱效率和降低換熱器的阻力應同時考慮，而且應合理選用板片材質和橡膠密封墊材質及安裝方法，保證設備安全運行，延長設備使用壽命。
展開 板式換熱器優化設計方法
01
板式換熱器優化設計方向
近年來，板式換熱器技術日益成熟，其傳熱效率高，體積小，重量輕，污垢系數低，拆卸方便，板片品種多，適用范圍廣，在供熱行業得到了廣泛應用。板式換熱器按組裝方式分為可拆式、焊接式、釬焊式、板殼式等。由于可拆式板式換熱器便于拆卸清洗，增減換熱器面積靈活，在供熱工程中使用較多。可拆式板式換熱器受橡膠密封墊耐熱溫度的限制，適用于水一水傳熱。本文對提高可拆式板式換熱器效能的優化設計進行研究。
提高板式換熱器的效能是一個綜合經濟效益問題，應通過技術經濟比較后確定。提高換熱器的傳熱效率和降低換熱器的阻力應同時考慮，而且應合理選用板片材質和橡膠密封墊材質及安裝方法，保證設備安全運行，延長設備使用壽命。
展開 特殊換熱器種類之雙管板換熱器
3、雙管板換熱器與單管板換熱器制造的比較
①制造費用不同：雙管板換熱器與單管板換熱器相比，增加部分為兩個外管板,兩個內外管板之間的腔體和腔體中的換熱管。
② 脹接不同：通常換熱管和管板的連接大致有四種形式,即強度焊(常見氬弧焊),強度脹,強度焊+貼脹,強度脹+密封焊, 其差異主要反映在管孔是否開槽和焊接坡口及管子伸出長度等方面. 脹接可分為非均勻脹接(機械滾珠脹接), 均勻脹 接(液壓脹接,液袋脹接,橡膠脹接,爆炸脹接等)。
雙管板換熱器設計要求采取強度焊+強度脹,采用液壓脹管法。
單管板換熱器一般設計要求采用強度焊+ 貼脹,采用機械脹管或手工脹管即可。
總結：
雙管板換熱器作為主要用于高溫、高壓、易燃、易爆、有毒或較強腐蝕介質的換熱器的工況下，若要更好地推廣應用，必須掌握好設計、制造、運行、維護各個環節，其中很重要就是雙管板換器制造質量要好，要求較高的制造精度，同時換熱管質量要好，保證在使用中不出現換熱管壁破裂的情況。
展開 
多物理場仿真驗證創新模型，助力提升換熱器效率
緊湊式換熱器具有尺寸小、效率高的特點，在暖通空調、核電和電子設備等眾多領域得到廣泛應用。為了不斷提高其傳熱效率，并減少裝置中的壓降，人們通過大量研究探索了諸如在設計中增加變形壁等創新概念。借助 COMSOL Multiphysics? 軟件，您可以在設計進程中對各式動態壁換熱器進行評估。
利用動態壁改進緊湊式換熱器
與其他換熱器相比，緊湊式換熱器單位體積的傳熱面積要大得多，這通常歸功于密集的板片或換熱管陣列。這一特點使得它比傳統的換熱器重量更輕、結構更緊湊。不過，體型較小的換熱器存在一個缺陷——即壓降較高，這一缺點會限制流體的流動速度與換熱器的傳熱量。
板框式換熱器的示意圖，這是一種常見的緊湊式換熱器。
研究人員探究了一個問題：是否可以使用動態壁來改善緊湊式換熱器的性能？在動態壁變形時，所產生的振動有利于流體混合并減小熱邊界層的厚度，從而使換熱器能夠傳遞更多熱量。此外，振蕩可產生類似于蠕動泵的泵送效果。這就減少了換熱器的壓力損失，提高了換熱器的效率。
振蕩也許是提高緊湊式換熱器性能的有效方法。為了測試這一想法，我們可以使用 COMSOL Multiphysics 輕松地創建與檢驗動態壁換熱器的模型……
COMSOL Multiphysics? 中的換熱器流-固耦合（FSI）建模
首先，我們模擬了沒有動態壁的靜態換熱器，便于比較換熱器的兩種不同設計。
靜態換熱器的模型幾何包括頂壁、底壁和通道。流體（此例中為水）流經通道，由于底壁被施加了熱通量，因此流體溫度平穩升高。我們將壁的傳熱速率設定為 125 W。出口處的探頭決定了水離開換熱器時的溫度和質量流率。
靜態換熱器的幾何結構。
展開 管殼式換熱器中換熱管與管板連接的工藝
1.焊接
換熱管與管板采用焊接連接時，由于對管板加工要求較低，制造工藝簡單，有較好的密封性，并且焊接、外觀檢查、維修都很方便，是目前管殼式換熱器中換熱管與管板連接應用最為廣泛的一種連接方法。
在采用焊接連接時，有保證焊接接頭密封性及抗拉脫強度的強度焊和僅保證換熱管和管板連接密封性的密封焊。對于強度焊其使用性能有所限制，僅適用于振動較小和無間隙腐蝕的場合。
采用焊接連接時，換熱管間距離不能太近，否則受熱影響，焊縫質量不易得到保證，同時管端應留有一定的距離，以利于減少相互之間的焊接應力。換熱管伸出管板的長度要滿足規定的要求，以保證其有效的承載能力。
在焊接方法上，根據換熱管和管板的材質可以采用焊條電弧焊、TIG焊、CO2焊等方法進行焊接。對于換熱管與管板間連接要求高的換熱器，如設計壓力大、設計溫度高、溫度變化大，以及承受交變載荷的換熱器、薄管板換熱器等宜采用TIG焊。
常規的焊接連接方法，由于管子與管板孔之間存在間隙，易產生間隙腐蝕和過熱，并且焊接接頭處產生的熱應力也可能造成應力腐蝕和破壞，這些都會使換熱器失效。
目前在國內核工業、電力工業等行業使用的換熱器中，換熱管與管板的連接已開始使用內孔焊接技術，這種連接方法將換熱管與管板的端部焊接改為管束內孔焊接，采用全熔透形式，消除了端部焊的縫隙，提高了抗間隙腐蝕和抗應力腐蝕的能力，
其抗振動疲勞強度高，能承受高溫、高壓，焊接接頭的力學性能較好；對接頭可進行內部無損探傷，焊縫內部質量可得到控制，提高了焊縫的可靠性。
但內孔焊接技術裝配較難，對焊接技術要求高，制造和檢驗復雜，并且制造成本相對較高。隨著換熱器向高溫、高壓和大型化發展，對其制造質量要求越來越高，內孔焊接技術將會得到更加廣泛的應用。
展開 固定管板換熱器的機械場應力分析
固定管板換熱器的機械場應力分析
一、 背景
換熱設備室一種實現物料之間熱量傳遞的節能設備，是在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業普遍應用的一種工藝設備。在煉油、化工裝置中換熱器占設備總數的40%左右，占總投資的30%~45%。目前，在換熱設備中，使用量最大的是管殼式換熱器。我國管殼式換熱器的設計標準采用GB151-1999。但隨著設備的大型化及操作的高參數化，不斷出現超標的換熱設備。目前，對于這些設備可參照JB4372-1995利用有限元法進行分析計算并評定。計算與評定時一般應考慮四種危險工況，即：只考慮殼程壓力、只考慮管程壓力、同時考慮殼程壓力與溫差、同時考慮管程壓力與溫差。
二、 問題描述
某臺臥式固定管板換熱器，殼程金屬設計溫度下的設計應力強度Sm=183MPa，管程金屬設計溫度下的設計應力強度Sm=118MPa，殼程設計壓力為0.58MPa，管程設計壓力為2.0MPa，殼程操作溫度為140.5攝氏度，管程操作溫度為250攝氏度。其他參數如下：
進、出口管板：管板為帶凸肩的整煅件，凸肩高度35㎜，殼程側凸肩計算壁厚17㎜，管程側計算凸肩壁厚18.5㎜，凸肩與管板連接處鍛造圓角半徑15㎜，如圖1所示；管板外直徑為φ840㎜，管板計算厚度100㎜。進出、口端材料為0Cr17Ni12Mo2，彈性模量E=2e5MPa，泊松比μ=0.3。
殼程筒體：內直徑為φ806㎜，計算壁厚等于17mm，材料為16MnR,彈性模量E=2e5MPa, 泊松比μ=0.3。
展開 管殼式換熱器中換熱管與管板連接的工藝
1.焊接
換熱管與管板采用焊接連接時，由于對管板加工要求較低，制造工藝簡單，有較好的密封性，并且焊接、外觀檢查、維修都很方便，是目前管殼式換熱器中換熱管與管板連接應用最為廣泛的一種連接方法。在采用焊接連接時，有保證焊接接頭密封性及抗拉脫強度的強度焊和僅保證換熱管和管板連接密封性的密封焊。對于強度焊其使用性能有所限制，僅適用于振動較小和無間隙腐蝕的場合。
采用焊接連接時，換熱管間距離不能太近，否則受熱影響，焊縫質量不易得到保證，同時管端應留有一定的距離，以利于減少相互之間的焊接應力。換熱管伸出管板的長度要滿足規定的要求，以保證其有效的承載能力。在焊接方法上，根據換熱管和管板的材質可以采用焊條電弧焊、TIG焊、CO2焊等方法進行焊接。對于換熱管與管板間連接要求高的換熱器，如設計壓力大、設計溫度高、溫度變化大，以及承受交變載荷的換熱器、薄管板換熱器等宜采用TIG焊。
常規的焊接連接方法，由于管子與管板孔之間存在間隙，易產生間隙腐蝕和過熱，并且焊接接頭處產生的熱應力也可能造成應力腐蝕和破壞，這些都會使換熱器失效。目前在國內核工業、電力工業等行業使用的換熱器中，換熱管與管板的連接已開始使用內孔焊接技術，這種連接方法將換熱管與管板的端部焊接改為管束內孔焊接，采用全熔透形式，消除了端部焊的縫隙，提高了抗間隙腐蝕和抗應力腐蝕的能力，
其抗振動疲勞強度高，能承受高溫、高壓，焊接接頭的力學性能較好；對接頭可進行內部無損探傷，焊縫內部質量可得到控制，提高了焊縫的可靠性。但內孔焊接技術裝配較難，對焊接技術要求高，制造和檢驗復雜，并且制造成本相對較高。隨著換熱器向高溫、高壓和大型化發展，對其制造質量要求越來越高，內孔焊接技術將會得到更加廣泛的應用。
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