新型板殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與換熱分析

畢業(yè)設(shè)計(jì)論文姓 名： 李新會(huì) 學(xué) 號(hào)： 2013402090318 學(xué) 院： 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 專 業(yè)： 火電廠集控運(yùn)行 題 目： 新型板殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與換熱分析 指導(dǎo)教師： 金光遠(yuǎn) 副教授 摘 要2016 年 6 月摘 要摘 要換熱器是一種在工業(yè)生產(chǎn)中，將冷熱流體進(jìn)行熱量交換的設(shè)備，所以有被稱為熱交換器。新型板殼式換熱器與板式換熱器和管殼式換熱器具有許多相似的特點(diǎn)，因?yàn)榘鍤な綋Q熱器就是想著的結(jié)合而傳造出來的新型換熱設(shè)備。目前我們所使用的換熱器早已經(jīng)跟不上時(shí)代的步伐，滿足聊聊科技幾部所帶來的大范圍的設(shè)備革新。為了滿足現(xiàn)狀的要求，必須解決原有關(guān)鍵換熱設(shè)備占地面積大、單臺(tái)設(shè)備蘑量大、資金投人大以及能耗高的不足。大型板殼式換熱器的出現(xiàn)克服了目前換熱器的這一問題。它不僅適應(yīng)了裝置增加效率節(jié)約能源而且還跟上了化工技術(shù)飛速發(fā)展的需要。是新一代的換熱設(shè)備。如今換熱器經(jīng)歷了多年的發(fā)展，換熱器的種類和樣式日新月異。在無數(shù)人的努力之下，開發(fā)出多種多樣的換熱器設(shè)備。新型板殼式換熱器無疑是其中最杰出的設(shè)計(jì)之一。換熱器的發(fā)展歷程曲折起伏，目前，仍然存在一些列的問題等待解決。在本文中，我們隊(duì)新型板殼式換熱器進(jìn)行了詳細(xì)的的介紹。從他的發(fā)展背景，發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)構(gòu)性能上的特點(diǎn)，換熱的原理及換熱效率等等做了相關(guān)的描述。關(guān)鍵詞：換熱器；換熱效率；管殼摘 要目 錄目 錄第 1 章 緒 論 .11.1 引 言 .11.2 新型板殼式換熱器 .11.2.1 新型板殼式換熱器的基本特征 .21.2.2 新型板殼式換熱器存在的問題 .31.2.3 換熱器的熱工性能分析的研究方法 .41.3 換熱器研究的目的和意義 .41.4 論文的主要工作 .5第 2 章 三種換熱器的性能及換熱分析 .62.1 管殼式換熱器 .62.1.1 管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu) .62.1.2 殼側(cè)換熱及阻力性能研究 .62.2 板式換熱器 .72.2.1 板式換熱器的總體結(jié)構(gòu) .72.2.2 板式換熱器的性能特點(diǎn) .72.3 新型板殼式換熱器 .82.3.1 板殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu) .82.3.2 新型板殼式換熱器的性能特點(diǎn) .10第 3 章 換熱器的換熱性能研究 .10摘 要3.1 換熱器中的場協(xié)同原則及它的應(yīng)用 .103.1.1 對(duì)流換熱的物理機(jī)制 .103.1.2 對(duì)流換熱中的場協(xié)同原則 .103.1.3 換熱器中的場協(xié)同原理及應(yīng)用 .103.2 多管程換熱器網(wǎng)絡(luò)的最小溫差分析與夾點(diǎn)設(shè)計(jì) .103.2.1 多管程換熱器網(wǎng)絡(luò)分析 .113.2.2 多管程換熱器網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)設(shè)計(jì) .113.3 自然循環(huán)換熱器殼側(cè)傳熱及流動(dòng)的數(shù)值模擬 .12第 4 章 板殼式換熱器的相關(guān)研究 .134.1 新型板殼式換熱器的結(jié)構(gòu)以及換熱過程 .134.2 板殼式換熱器的換熱理論與原理 .134.3 熱準(zhǔn)則關(guān)系式及求解方法 .15結(jié) 論 .17致 謝 .18參 考 文 獻(xiàn) .19第 1 章 緒論- 1 -第 1 章 緒 論1.1 引 言換熱器在上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)被發(fā)明出來，直至今天，它的使用范圍越來越廣泛，涉及到的領(lǐng)域千差萬別，尤其廣泛使用于環(huán)工產(chǎn)業(yè)當(dāng)中。隨著科技的不斷發(fā)展，換熱器的研究并沒有被世界遺忘，它忍讓在各行各業(yè)中承擔(dān)著重要的責(zé)任。人們也越來越看到他的價(jià)值所在。當(dāng)工業(yè)的進(jìn)步帶來越來越多的問題，比如能源的浪費(fèi)，人們從中看到巨大的可發(fā)掘的利益，越來越將眼光著重于節(jié)約能源之上。這也就導(dǎo)致?lián)Q熱器的研究越來越被人們重視起來。我國地大物博，但人口稠密，雖然資源總量較多，但人均可利用資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家，所以，對(duì)于節(jié)約資源的問題，在我國就顯得尤為重要。國家重視有光方面的研究與開發(fā)，實(shí)施了一項(xiàng)又一項(xiàng)相關(guān)的措施，以減少資源的浪費(fèi)?？梢哉f，換熱器的研究牽動(dòng)著我國最核心發(fā)展戰(zhàn)略的一部分。過去，換熱器主要分為板式換熱器板殼式換熱器兩種，它們各有各的優(yōu)點(diǎn)，適用于不同的工況，各自在自己擅長的領(lǐng)域發(fā)展壯大，不斷更新?lián)Q代。然而時(shí)代發(fā)展至今，大型工業(yè)所能創(chuàng)造的利益相對(duì)較大，追逐利益的同時(shí)，人們將對(duì)換熱器的研究方向轉(zhuǎn)移到適用于大型化工業(yè)生產(chǎn)。而已有的兩種換熱器明顯不能勝任這一工作，就在這一社會(huì)背景之下，板殼式換熱器應(yīng)運(yùn)而生了。板殼式換熱器根本上來說就是管殼式與板式換熱器的結(jié)合，即將原來的園管式板束換成板管的形式。自從這種形式的換熱器問世以來，人們發(fā)現(xiàn)了其中所蘊(yùn)含的更多的可能性，不斷地致力于對(duì)它的完善與改進(jìn)，漸漸地發(fā)展出越來越多的結(jié)構(gòu)與形式。東北電力大學(xué)?？飘厴I(yè)論文- 2 -目前，國內(nèi)外的各個(gè)化工企業(yè)的新上裝置以及新改造裝置的規(guī)模越來越大。為了實(shí)現(xiàn)裝置的大型化，就必須要解決一些原有得關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的換熱器形式由于結(jié)構(gòu)的限制，造成 裝置笨重，占地廣，難以移動(dòng)，而且造成的能量耗損非常大。在增大其體型的情況下并不能帶來令人滿意的效率，為了滿足現(xiàn)代化工生產(chǎn)的需要，板殼式這一新形式的換熱器就越來越受到人們的關(guān)注，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)恰好可以用來生產(chǎn)大型設(shè)備，這也就解決了工業(yè)生產(chǎn)大型化裝置的需要。它的特點(diǎn)也在進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用中得以體現(xiàn)出來。它不僅效率高，結(jié)構(gòu)輕巧，可大型化的同時(shí)占地面積小，做到了既節(jié)省專職費(fèi)用的同時(shí)還能減少生產(chǎn)損耗。是新一代的偉大發(fā)明。1.2 新型板殼式換熱器板殼式換熱器根本上來說就是管殼式與板式換熱器的結(jié)合，即將原來的園管式板束換成板管的形式。它的繼承了一部分管殼式換熱器和板殼式換熱器的結(jié)構(gòu)的同時(shí)也繼承了他們的一部分優(yōu)點(diǎn)，即高效緊湊、換熱效率高、端部溫差小、壓降低、節(jié)省占地面積、節(jié)約工程及設(shè)備安裝費(fèi)用、節(jié)省裝置操作費(fèi)用 1。這樣多的優(yōu)點(diǎn)讓它足以適應(yīng)絕大多數(shù)的要求，在各種需求換熱器的場合表現(xiàn)優(yōu)異。是以成了當(dāng)今世界最頂級(jí)的換熱設(shè)備的形式。時(shí)代發(fā)展至今，大型工業(yè)所能創(chuàng)造的利益相對(duì)較大，追逐利益的同時(shí)，人們將對(duì)換熱器的研究方向轉(zhuǎn)移到適用于大型化工業(yè)生產(chǎn)，過去的兩種換熱器形式并不能適應(yīng)時(shí)代大潮的發(fā)展，而又它們兩種結(jié)合而產(chǎn)生的新一代的換熱設(shè)備卻能完全滿足現(xiàn)代大型化工裝置高效節(jié)能的要求，可謂相得益彰。新型板殼式換熱器之所以能迅速發(fā)展壯大，完全是優(yōu)勝略汰的結(jié)果。對(duì)比其他兩種換熱器形式，它在方方面面都遠(yuǎn)勝于另兩種換熱器。它結(jié)構(gòu)簡單容易清理，這就使裝置的結(jié)垢性降得很低，還因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單而節(jié)省了空間，使它更容易裝卸。它還可以適應(yīng)高溫高壓的工作環(huán)境，所以，在很多環(huán)境下都能代替另兩種換熱器進(jìn)行工作，而且效率都只高不低，這就使它的應(yīng)用范圍變得越來越廣泛。1.2.1 新型板殼式換熱器的基本特征新型板殼式換熱器高效緊湊，換熱效率高、端部溫差小、壓降低、節(jié)省占第 1 章 緒 論- 3 -地面積、節(jié)約工程及設(shè)備安裝費(fèi)用、節(jié)省裝置操作費(fèi)用，是新一代的話熱氣設(shè)備，適合于各種大型化工生產(chǎn)的換熱系統(tǒng) 2。新型板殼式換熱器有別于其他換熱器的地方在于在結(jié)構(gòu)上使用了波紋板片取代了原本的傳熱元件，采用專用程控自動(dòng)氬弧焊技術(shù)焊接板片，使半片的排列更嚴(yán)謹(jǐn)，更適合工況的運(yùn)行，同時(shí)還把全焊接式的板束固定在壓力殼之中，這使得整個(gè)裝置的密封性能更加良好，安全性能更高。新型板殼式換熱器的板片采用的是新式波紋板片，它在流體流過時(shí)會(huì)形成靜攪拌的效果，在流體流體流經(jīng)波紋板片的時(shí)候形成湍流，提高換熱器的傳熱效率。靜攪拌形成的湍流對(duì)板片的切應(yīng)力增加，能夠有效地減少裝置上的結(jié)垢，達(dá)到自動(dòng)清理的效果，使設(shè)備長時(shí)間不必進(jìn)行清理，變相提高了換熱器的效率。新型板殼式換熱器在換熱工作時(shí)達(dá)到了“純逆流”換熱，這樣使得換熱器的溫差將比一般情況下小得多，這樣就提高了換熱效率。板殼式換熱器由于板片可以拆卸，而且板束是平整的，所以他的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)緊湊，因此，達(dá)到相同的換熱工作和換熱量的同時(shí)，板殼式換熱器的安裝會(huì)比其他換熱器的安裝費(fèi)用更低，而且體積更小，裝卸便捷。新型板殼式換熱器的板束安裝在壓力殼里面，有了壓力殼的保護(hù)，時(shí)換熱器密封效果更好，降低了發(fā)生事故的概率。 正是這些更加合理的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和更加優(yōu)異的性能特點(diǎn)讓新型板殼式換熱器在各行各業(yè)的化工生產(chǎn)過程中占據(jù)了舉足輕重的地位。 1.2.2 新型板殼式換熱器存在的問題大型新型板殼式換熱器研制攻關(guān)的主要難點(diǎn)如下所述：(1) 超大型新型板殼式換熱器波紋板片開發(fā)及制造技術(shù)。如何保證與超大型新型板殼式換熱器相適應(yīng)的超寬板型的傳熱與流體力學(xué)性能，開發(fā)出高精度的模具和成型裝備，而且還要求保證板片殘余應(yīng)力小、承壓能力高、高強(qiáng)度、高成品率等特點(diǎn)，這就必然使研制的難度大大增加。 (2)建立專用焊接生產(chǎn)線，保證板片焊縫的密封性能及焊縫強(qiáng)度，同時(shí)又能滿足大批量工業(yè)化板片焊接需要。東北電力大學(xué)?？飘厴I(yè)論文- 4 -(3)大型板殼式換熱器 板束的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括板束在軸向方向的熱膨脹結(jié)構(gòu)和板寬方向的柔性連接結(jié)構(gòu)、均勻高效的進(jìn)料分布器的結(jié)構(gòu)、基于換熱器性能分析和壓力試驗(yàn)相結(jié)合的板束強(qiáng)度和剛度的研究、板束各部件連接的簡潔性研究。(4)高腐蝕性場合特種材料板片的成形、焊接技術(shù)和腐蝕性能研究。(5)基于可靠性的超大型新型板殼式換熱器的制造、檢測技術(shù)及應(yīng)用指南。目前，我國已經(jīng)可以進(jìn)行大型換熱器的研制，但是，仍然存在這一些技術(shù)性的難題等待我們不斷克服。有些問題的解決治標(biāo)不治本，只能從國外直接引進(jìn)成型的設(shè)備，這無疑大大增加了大型換熱器的研制成本，這與追求利益的根本背道而馳。大型換熱器內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱的原理特征具有明顯的局限性，巨大的內(nèi)部空間造成了流體可能會(huì)發(fā)生局部冷凝和整體冷凝。在大型換熱器內(nèi)實(shí)際混合物的冷凝過程介于整體冷凝和局部冷凝之間。在流體的入口段，目前的工藝條件在保證了較高的流速的同時(shí)，致使剪切力起到了主導(dǎo)的作用，同時(shí)流體截面的氣、液兩相相對(duì)混合較均勻，可以近似看成是整體冷凝。而流體的出口處，重力明顯起主導(dǎo)作用，這時(shí)工藝條件則會(huì)造成兩相分層，可以哦近似看成是局部冷凝。冷凝器設(shè)計(jì)軟件的作用主要是運(yùn)用冷凝側(cè)當(dāng)?shù)氐膫鳠崮は禂?shù)的準(zhǔn)則方程，它可以對(duì)氣相擴(kuò)散阻力進(jìn)行一些比較簡單的矯正。但由于氣液兩相界面附近存在的氣相濃度梯度，在擴(kuò)散阻力得影響下降低了有效傳熱膜系數(shù)。尤其當(dāng)它在比較低的熱通量條件之下，會(huì)使當(dāng)?shù)氐膫鳠崮は禂?shù)的準(zhǔn)則方程的不確定度升高。因此設(shè)計(jì)軟件不能反映混合物冷凝的實(shí)際傳熱過程。同時(shí)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中一般不會(huì)考慮殼程冷凝流體所具備的不均勻特性。換熱器流道內(nèi)的混合物冷凝（例如回流、渦旋、流動(dòng)死區(qū)以及旁路等一些不可避免的現(xiàn)象）可能會(huì)造成實(shí)際流場發(fā)生偏離，原理理想流場