螺旋折流板式換熱器的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、編號：（ ）字 號本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 螺旋折流板換熱器的設(shè)計 題目： 姓名： 學(xué)號： 班級： 二一二年六月中 國 礦 業(yè) 大 學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計學(xué) 院： 化工學(xué)院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 設(shè)計題目： 螺旋折流板換熱器的設(shè)計 專 題： 基于起重機(jī)械虛擬仿真計算 與分析的簡單探索 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和

2、做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個

3、人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評價：一、撰寫（設(shè)計）過程1、學(xué)生在論文

4、（設(shè)計）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識、技能的扎實(shí)程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良

5、中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內(nèi)畫“”）指導(dǎo)教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu)

6、 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內(nèi)畫“”）評閱教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計）的基本要點(diǎn)和見解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、對答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？

7、優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格評定成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內(nèi)畫“”）教研室主任（或答辯小組組長）： （簽名）年 月 日教學(xué)系意見：系主任： （簽名）年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書學(xué)院 化工學(xué)院 專業(yè)年級 過控2008 學(xué)生姓名 桂大強(qiáng) 任務(wù)下達(dá)日期：2011年 12月 20 日畢業(yè)設(shè)計日期：2012 年 2 月 1 日至 2012 年 6 月

8、15 日畢業(yè)設(shè)計題目：螺旋折流板式換熱器的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計專題題目：基于起重機(jī)械虛擬仿真計算與分析的簡單探索畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求： 1 畢業(yè)設(shè)計題目螺旋折流板式換熱器的設(shè)計2 主要設(shè)計參數(shù)設(shè)計一個滿足工藝要求的螺旋折流板式換熱器，具體的參數(shù)如下：介質(zhì)分別為丁二烯和水，工作壓力分別為0.39mpa、0.45mpa，入口溫度分別是39.9、34，出口溫度分別是36.9、38，丁二烯的質(zhì)量流量是17000kg/h。3 畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容1) 設(shè)計依據(jù)分析2) 換熱器工藝計算設(shè)計3) 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計4) 換熱器強(qiáng)度設(shè)計5) 設(shè)計總結(jié)4 英文翻譯與專題翻譯相關(guān)的英文文獻(xiàn)1篇，中文字?jǐn)?shù)應(yīng)不低于3000字。專題名稱

9、：換熱器在制冷機(jī)中的應(yīng)用5 圖紙換熱器的裝配圖、部件圖及零件圖合計不少于3張a0圖。院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字：中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評語（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力；研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；工作態(tài)度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評

10、閱教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計答辯及綜合成績答 辯 情 況提 出 問 題回 答 問 題正 確基本正確有一般性錯誤有原則性錯誤沒有回答答辯委員會評語及建議成績：答辯委員會主任簽字： 年 月 日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績：學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日摘 要折流板是提高換熱器工效的重要部件。傳統(tǒng)換熱器中最普遍應(yīng)用的是弓形折流板，由于存在阻流與壓降大、有流動滯死區(qū)、易結(jié)垢、傳熱的平均溫差小、振動條件下易失效等缺陷，近年來逐漸被螺旋折流板所取代。理想的螺旋折流板應(yīng)具有連續(xù)的螺旋曲面。由于加工困難，目前所采用的折流板，一般由若干個1/4的扇形平面板替代曲面相間連接，形成近似的螺旋面。在折流

11、時，流體處于近似螺旋流動狀態(tài)。相比于弓形折流板，在相同工況下，這樣的折流板（被稱為非連續(xù)型螺旋折流板）可減少壓降45%左右，而總傳熱系數(shù)可提高20%30%，在相同熱負(fù)荷下，可大大減小換熱器尺寸。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備，在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。本換熱器是用于空氣壓縮機(jī)級間冷卻，采用常溫冷卻水將壓縮后的高溫空氣冷卻到一定溫度，本次設(shè)計采用固定管板式換熱器。換熱器的設(shè)計分為工藝設(shè)計和機(jī)械設(shè)計兩個部分。在工藝設(shè)計部分，根據(jù)給定的設(shè)計參數(shù)假設(shè)傳熱系數(shù)，計算換熱器的換熱面積以及初步確定換熱器型號、換熱管、管程和殼程數(shù)、折流板間距和數(shù)目以及內(nèi)徑

12、等工藝尺寸，然后進(jìn)行熱力核算和壓力降核算，確定面積欲度和換熱器壓力降均在合理范圍之內(nèi)，否則，要重新設(shè)定傳熱系數(shù)，重復(fù)上述過程，直至通過核算。機(jī)械設(shè)計部分分為兩步，第一步：根據(jù)第一部分已設(shè)計出的工藝尺寸設(shè)計筒體、管箱、接管、折流板以及各部分之間的連接等結(jié)構(gòu)和尺寸；第二步：依據(jù)gb150、gb151的規(guī)定進(jìn)行強(qiáng)度校核，其中主要包括對管板、殼體與換熱管進(jìn)行的強(qiáng)度校核，校核通過后根據(jù)所設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)繪制圖紙。通過復(fù)算與校核，使所設(shè)計的換熱器能夠滿足生產(chǎn)工藝的要求。關(guān)鍵詞：螺旋折流板； 換熱器； 工藝設(shè)計； 機(jī)械設(shè)計； 強(qiáng)度校核abstract the baffle is to improve the e

13、rgonomics of the heat exchanger components. conventional heat exchanger is the most common application of segmental baffle, defects due to a choke and pressure drop, flow hysteresis dead band, easy to scale, heat transfer, the average temperature difference is small, vibration conditions prone to fa

14、ilure, in recent years to gradually spiral baffle replaced. the ideal helical baffle shall have a continuous helical surfaces. currently used due to processing difficulties, baffle, generally replaced by the number of 1/4 of the fan-shaped flat plate surface and white connection, the formation of th

15、e helical surface approximation. baffle, the fluid in the approximation of the spiral flow of state. compared to the segmental baffle, in the same condition, the baffle (known as non-continuous helical baffles) can reduce the pressure drop of about 45%, while the overall heat transfer coefficient ca

16、n be increased by 20% to 30 % in the same heat load can be greatly reduced heat exchanger size. heat exchanger is an indispensable equipment to transmission of heat exchange in the process of chemical production, which is in a wide range of applications in petroleum, chemical industry, light industr

17、y, pharmaceuticals, energy and other industrial production. this is a heat exchanger used for benzene toluene separation process, heats benzene - toluene mixtures from room temperature to the bubble point temperature by water vapor, shell-and-tube exchanger has being chosen. design is divided into t

18、wo parts, process design part and mechanical design part. in process design, first of all, suppose a heat transfer coefficient according to given design parameters. then, account the heat transfer area and determine variety of technology size, such as models of heat exchanger, heat exchange tube num

19、ber of tube side and shell side, spacing and number of traverse baffles and diameter size, etc. at last, make heat check and pressure check on process data, make sure that area degree and pressure drop are both in reasonable limits. otherwise, it is necessary to re-set the heat transfer coefficient,

20、 repeat the process until the adoption of check. mechanical design part has two steps. step one is structural design, determine structural sizes of the heat exchanger by process parameters such as the main body, channel box, adapter tube, and tubesheet, etc.; in step two, according to the data deter

21、mined by the above-mentioned, make strength check by prescript of gb150 and gb151, which is include tube plate, shell and tubes. after the strength check has passed, blueprint can be drew. by complex operator and check, the heat exchanger design are meeting the requirement of production technology.k

22、eywords: helical baffles; heat exchanger;process design; mechanical design; strength check1 緒論該設(shè)計為螺旋折流板式換熱器的設(shè)計。該換熱器也是屬于列管式換熱器中的一種。我們常見的列管式換熱器的折流板是弓形的，而此設(shè)計的折流板則是螺旋式的，這就是本次設(shè)計的獨(dú)特之處和難點(diǎn)所在。冷換設(shè)備在石油、化工行業(yè)中占有十分關(guān)鍵的地位。燕山石油化工公司煉油廠現(xiàn)在服役的換熱器大多采用的還是國外早期的設(shè)計結(jié)構(gòu)，換熱效率低、阻力降大、容易結(jié)垢、停工檢修頻繁。特別是煉油廠第三套常減壓蒸餾裝置渣油冷卻系統(tǒng)要求冷卻效果高，原渣油冷卻

23、器l209/1、2、3為弓型折流板換熱器，已不能滿足安全生產(chǎn)的需要，因此該裝置對l209/1管束進(jìn)行了技術(shù)改造。原渣油冷卻器采用弓型折流板換熱器，其缺點(diǎn)為：弓型折流板換熱器的能耗大；弓型折流板殼程容易結(jié)垢，降低換熱效率；弓型折流板換熱器的運(yùn)行周期一般為2年，致使檢修、清洗頻繁，裝置操作費(fèi)用增加。渣油冷卻器l209/1技術(shù)改造后采用螺旋折流板列管換熱器, 有如下特點(diǎn)：傳熱系數(shù)高；殼程介質(zhì)不易沉積，不易結(jié)垢，一般可延長50%使用周期，減少相應(yīng)的檢修、清洗費(fèi)用；殼程介質(zhì)呈連續(xù)平穩(wěn)的螺旋型流動，適合所有介質(zhì)；阻力降小，可以有效的降低壓力損失，減少電耗；可節(jié)省大量檢修改造費(fèi)用。螺旋折流板列管換熱器有很好

24、的經(jīng)濟(jì)效益?？傊?，螺旋折流板列管換熱器在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用是成功的，在煉油化工行業(yè)中大多可以采用，有很好的推廣價值。1.1本課題的來源、目的、意義換熱器是石油、化工、制冷、冶金及動力等工業(yè)生產(chǎn)過程的主要工藝設(shè)備之一，有資料表明在我國全部換熱器產(chǎn)量中管殼式換熱器約占80以上，管殼式換熱器問世將近一百多年來，已經(jīng)積累了大量的設(shè)計資料和操作運(yùn)行數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)特性、傳熱特性和流體動力特性的計算已經(jīng)形成了一套比較完善的方法，繼續(xù)依靠傳統(tǒng)的化工工藝計算提高其傳熱效率，包括根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究和生產(chǎn)現(xiàn)場測量標(biāo)定的數(shù)據(jù)反饋，對現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式、設(shè)計模型以及數(shù)據(jù)圖表等所進(jìn)行的局部修正以及綜合考慮各種影響因素在內(nèi)的優(yōu)化，其

25、發(fā)展空間已經(jīng)趨于飽和。因此近年來國內(nèi)外對傳統(tǒng)管殼式換熱技術(shù)的改進(jìn)，集中在開發(fā)研究新一代強(qiáng)化傳熱方法上，以更好地滿足不同使用場合對管殼式換熱器的性能要求。如在殼程采用折流桿、折流環(huán)以及螺旋折流板等支撐結(jié)構(gòu)；在管程開發(fā)各種類型的翅片管、螺紋管等強(qiáng)化傳熱換熱管和增加螺旋鐵等內(nèi)擾流結(jié)構(gòu)。本文主要論述其中最有代表性的螺旋折流板換熱器近年來的發(fā)展及推廣應(yīng)用概況。 眾所周知，在化工領(lǐng)域上，換熱器的重要性不言而喻，其運(yùn)行的成本之高也是有目共睹的，換熱器不僅僅局限在換熱的區(qū)域內(nèi)，它的運(yùn)行在整個化工行業(yè)都是影響巨大的。所以提高換熱器的換熱效率是化工行業(yè)所迫不及待的，這不僅僅會節(jié)約成本，而且會擴(kuò)大產(chǎn)量，大大的提高化

26、工產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。螺旋折流板式換熱器正是在不斷追求進(jìn)步的浪潮中推廣出來的，如今已經(jīng)獲得了很廣泛的應(yīng)用，但是技術(shù)前進(jìn)的腳步始終不會停留，每一天都在變革，如果要想走在技術(shù)的前列就不能忘本，畢竟技術(shù)的發(fā)展都是在原來的基礎(chǔ)上發(fā)展過來的，因此本課題就是在我學(xué)習(xí)的最基本的弓形換熱器的前提下給予更加深入的拓展。以此為基礎(chǔ)，以便于以后可以創(chuàng)新。1.2螺旋折流板式換熱器國內(nèi)外研究綜述渦旋或螺旋流動一直是強(qiáng)化傳熱的有效手段，從殼側(cè)流體由縱向或蛇形橫向流動方向改變?yōu)槁菪隣盍鲃拥慕嵌犬a(chǎn)生了螺旋折流板換熱器的構(gòu)想，但由于連續(xù)螺旋曲面的加工及安裝難度很大，20世紀(jì) 八、九十年代捷克科學(xué)家發(fā)明了非連續(xù)的1/4螺旋形折流板換

27、熱器，采用一系列1/4扇形折流平板來代替螺旋曲面。此項技術(shù)后被美國ab 公司買斷，后又轉(zhuǎn)讓給cb& i公司，據(jù)abb lum musheat transfer公司公布，自19942007年3月 該公司共完成349個項目,共計1350臺(套)螺旋折流板換熱器的設(shè)計和制造。我國大慶石油化工機(jī)械廠等單位也參與了應(yīng)用abb公司技術(shù)的部分制造和應(yīng)用實(shí)踐。其他另有一些單位則選擇自主開發(fā),近幾年也得到了一些發(fā)展。工業(yè)化的螺旋折流板換熱器是上世紀(jì)九十年代初，由前捷克斯洛伐克國家化工設(shè)備研究所科學(xué)家杰.盧卡和杰尼姆肯斯基等人首次提出的，其特點(diǎn)是殼程介質(zhì)的流動呈螺旋線型方式，折流板的基本形狀為扇形，每塊折

28、流板與殼體軸線形成一定的夾角，相鄰的折流板在周邊首尾相接構(gòu)成一個沿外圓周連續(xù)的類似螺旋線，從而起到改變殼程流體的流動狀態(tài)達(dá)到提高傳熱效率的目的，并相對降低了管束因振動而產(chǎn)生的損傷，提高了換熱器的使用壽命。應(yīng)用結(jié)果表明，殼程采用螺旋折流板結(jié)構(gòu)較采用垂直弓形折流板結(jié)構(gòu)確實(shí)具有減少殼程流體壓力降的優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)研究證明，對于以壓縮空氣為工質(zhì)，在相同的re下，光滑管螺旋隔板換熱器的管外膜傳熱系數(shù)是光滑管弓形隔板換熱器的1. 25-1. 8倍，螺旋隔板換熱器的傳熱系數(shù)最大可以為弓形隔板換熱器的1. 39倍，壓降隨著螺旋角的不同大約可降低26% -60%。螺旋隔板支撐結(jié)構(gòu)的換熱器具有良好的防垢特性，適用于易結(jié)

29、垢、高黏度的介質(zhì)如原油、渣油等的強(qiáng)化傳熱。理想的螺旋折流板結(jié)構(gòu)其軸線應(yīng)當(dāng)與換熱器殼體軸線重合，從而形成連續(xù)的螺旋狀回轉(zhuǎn)空間。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：首先，流體在殼程流動時，由于螺旋折流板回轉(zhuǎn)面的約束，最大流動截面只有殼體縱向截面的1/2(一個周期內(nèi))，在相同的流量下，和普通單殼程弓形折流板換熱器相比，其特征流速理論上增大為后者的2倍左右。根據(jù)經(jīng)典的對流換熱無因次經(jīng)驗(yàn)公式，殼程流速的增加將有效提高換熱器殼程對流給熱系數(shù)，從而提高換熱器的整體傳熱效率。其次，由于流體與折流板表面相切接觸，消除了因垂直阻擋而在折流板根部附近形成的回流區(qū)，能有效抑制污垢的積累沉淀，防止殼程結(jié)垢，延長換熱器的有效使用周期。此

30、外，由于折流板對管束起到連續(xù)支撐作用，能削弱由于局部或整體橫流而產(chǎn)生的管束誘發(fā)振動，降低換熱器產(chǎn)生由于機(jī)械破壞而造成失效的可能性。但是這樣的理想螺旋面在實(shí)際加工中卻存在很大困難。一方面，由于螺旋面上每一點(diǎn)的法線方向都是變化的，不存在多個點(diǎn)同時處于具有相同法線方向平面的現(xiàn)象，因而折流板管孔的定位及加工都具有相當(dāng)?shù)碾y度，并且鉆孔過程中折流板工件的空間定位及裝夾對現(xiàn)有加工手段也是一個挑戰(zhàn)；另一方面，在目前情況下實(shí)現(xiàn)具有工業(yè)規(guī)模理想螺旋面的整體成型，并且保證一定的加工精度同樣具有相當(dāng)?shù)碾y度，而整體的連續(xù)螺旋面對換熱器的整體工裝也會造成很大麻煩。所有這些因素的疊加效應(yīng)就是導(dǎo)致螺旋折流板換熱器的加工制造費(fèi)

31、用急劇增加，因而有必要開發(fā)理想螺旋面的替代結(jié)構(gòu)，在不影響螺旋折流板換熱器整體流動與傳熱性能的前提下，盡可能簡化螺旋折流板換熱器的加工制造過程，以最大限度節(jié)省制造費(fèi)用和材料浪費(fèi)。目前國內(nèi)已經(jīng)申報過的螺旋折流板列管式換熱器有關(guān)專利已達(dá)30多項，大體上分成非連續(xù)型螺旋折流板結(jié)構(gòu)和連續(xù)型螺旋折流板結(jié)構(gòu)兩大類。非連續(xù)型螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：由24塊四分之一殼橫截面的扇形截面折流板搭建成一個近似螺旋面，間斷狀地自殼程進(jìn)口處向出口處推進(jìn)，實(shí)驗(yàn)表明這種形式的換熱器螺旋折流板可以使殼側(cè)流體呈近似螺旋流動，單位壓降換熱能力相對弓型折流板有很大提高。但也正是由于 扇形折流板 是按與 殼程軸線 的一定角度首尾

32、相接依次擺放 的， 相鄰兩塊折流板的直邊在頂部交錯對接 后露出了 一 個非常明顯的縫隙，致 使 殼程介質(zhì)在 兩塊折流板 間形成 短路漏流 ，實(shí)測證明如果 換熱 器直徑超過1000mm或者 換熱 面積超過2000平方米，其換熱特性可能還不及采用弓型折流板結(jié)構(gòu)。連續(xù)型螺旋折流板換熱器的 結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)是：折流板類似于常見的 輸送 固相介質(zhì) 的攪龍 ，其形狀可以是自殼體進(jìn)口向出口推進(jìn)的完全螺旋面，使介質(zhì)在殼體內(nèi)做到相對連續(xù)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)流動，但折流板不能覆蓋殼程的殼體中心區(qū)域，需要采取其它輔助結(jié)構(gòu)來彌補(bǔ)換熱損失，此外這類螺旋折流板換熱器加工制造十分復(fù)雜，給產(chǎn)品的進(jìn)一步大型化和推廣應(yīng)用帶來困難。為了搞清螺旋折流

33、板換熱器換熱效率不如弓形折流板結(jié)構(gòu)的原因，專家學(xué)者對不同直徑殼體、不同角度的螺旋折流板換熱器進(jìn)行了多次的模擬試驗(yàn)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大量介質(zhì)從相鄰折流板間形成的三角形空間短路通過，殼體直徑越大短路越嚴(yán)重，因而嚴(yán)重削弱了換熱效率。為了確保殼程換熱效率的提高幅度，近年來國內(nèi)出現(xiàn)一些新型防短路螺旋折流板管殼式換熱器的產(chǎn)品或構(gòu)思，力圖使殼程內(nèi)介質(zhì)以理想的螺旋流形式通過殼體。大連海特?zé)捰图夹g(shù)有限公司宋小平等人針對普通螺旋折流板管殼式換熱器的弱點(diǎn)，分別將原扇形折流板在兩側(cè)直邊處同時加寬一排或二排管距寬度，相鄰兩扇形板的直邊以交叉搭式接續(xù)，加寬部分重迭，由同一排或二排換熱管穿過。模擬結(jié)果表明，扇形折流板在兩側(cè)直

34、邊處同時加寬510mm后,短路現(xiàn)象仍然存在，加寬到一排至二排管距寬度后，殼程內(nèi)介質(zhì)以理想的螺旋流通過殼體,短路現(xiàn)象幾乎沒有。這種交叉重迭搭接方式接續(xù)，可以對流經(jīng)管束的介質(zhì)起到良好的引導(dǎo)作用,減少兩相鄰扇形板直邊交叉形成三角形空間的短路現(xiàn)象，確保換熱效率的提高。由于有同一排或二排換熱管穿過相鄰兩扇形板,強(qiáng)化了管束剛性，避免了象限間分離的趨勢，同時有重疊部分的螺旋折流板結(jié)構(gòu)將起到良好的防振效果。撫順機(jī)械設(shè)備制造有限公司李久生等人提出 雙殼程螺旋折流板換熱器的產(chǎn)品方案，其出發(fā)點(diǎn)是大直徑換熱器上選用單殼程螺旋折流板結(jié)構(gòu)將會受到25°-40°螺旋傾角的限制。由于影響傳熱系數(shù)高低的主要

35、是雷諾數(shù)re，而介質(zhì)的流速對re起到了決定性的作用，大直徑必然形成較大的流通面積，因此在流量一定的情況下，要想得到適宜的流速，就要選擇較小的折流間距來保證一定的re值。采用雙殼程相當(dāng)于減小了殼體直徑，在保證一定流速的情況下使得折流間距變大，從而得到了較大的螺旋傾角，解決大直徑螺旋折流板換熱器螺旋傾角小、傳熱性能下降的弊病。他們認(rèn)為，一般換熱器的雙殼程結(jié)構(gòu)大多應(yīng)用在雙管程換熱器上，就是利用1塊縱向隔板將殼側(cè)分成雙程，管束由管板、分程結(jié)構(gòu)、內(nèi)螺旋折流板和外螺旋折流板所組成，其中分程結(jié)構(gòu)是由1個分程筒體和1塊環(huán)形分隔板組成。管箱分程也是采用了1個與殼側(cè)相同直徑的分程筒體，其一端焊接在管箱的端蓋上，另

36、一端用4個支撐板將筒體固定。管程介質(zhì)首先從管箱接管流入分程筒體內(nèi)，再流經(jīng)筒體內(nèi)所包含的換熱管到另一端管板處，然后返回到筒外的換熱管，再流到管箱的分程筒體外從另一接管流出。殼程介質(zhì)也是先從殼體接管流入，由于分隔板的阻隔，介質(zhì)只能進(jìn)入分程筒體至另一端管板處，再返回到筒外流至前端分隔板處，從另一接管流出,最終完成管殼程介質(zhì)的換熱過程。1.3換熱器的設(shè)計要求隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下基本要求：（1） 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；（2） 結(jié)構(gòu)

37、安全可靠；（3） 便于制造、安裝、操作和維修；（4） 經(jīng)濟(jì)上合理。 1.4本課題的設(shè)計任務(wù)（1） 檢索大量相關(guān)資料，對本課題有一個整體的理解和思路。 （2） 篩選搜集的資料，對本課題的國內(nèi)外研究動態(tài)有一個大致了解，自作一個設(shè)計大綱。書寫開題報告、文獻(xiàn)綜述和外文翻譯。（3） 根據(jù)課題進(jìn)行工藝計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計 （4） 固定管板式換熱器的主要部件強(qiáng)度計算、設(shè)計以及附件結(jié)構(gòu)的選擇。（5） 繪制設(shè)計圖、裝配總圖和部件圖。（6） 書寫畢業(yè)論文。 2 換熱器的簡介2.1換熱器的分類適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結(jié)構(gòu)型式也不同，換熱器的具體分類如下： 換熱器按傳熱原理分類：（1）表面式換

38、熱器：表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進(jìn)行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。 （2）蓄熱式換熱器：蓄熱式換熱器通過固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質(zhì)先通過加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過固體物質(zhì)被加熱，使之達(dá)到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉(zhuǎn)式、閥門切換式等。 （3）流體連接間接式換熱器：流體連接間接式換熱器，是把兩個表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。

39、（4）直接接觸式換熱器：直接接觸式換熱器是兩種流體直接接觸進(jìn)行換熱的設(shè)備，例如，冷水塔、氣體冷凝器等。 換熱器按用途分類：（1）加熱器：加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒有發(fā)生相的變化。 （2）預(yù)熱器：預(yù)熱器預(yù)先加熱流體，為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)。 （3）過熱器：過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。 （4）蒸發(fā)器：蒸發(fā)器用于加熱流體，達(dá)到沸點(diǎn)以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。 按換熱器的結(jié)構(gòu)分類可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、u形管板換熱器、板式換熱器等。表1-1 不同類型的換熱器及其特性類 型 特 點(diǎn) 間 壁 式 管 殼 式 列管式 固定管板式 剛性結(jié)

40、構(gòu) 用于管殼溫差較小的情況（一般50），管間不能清洗 帶膨脹節(jié) 有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力 浮頭式 管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合 u型管式 管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難 填料函式 外填料函 管間容易泄漏，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì) 內(nèi)填料函 密封性能差，只能用于壓差較小的場合 釜式 殼體上部有個蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應(yīng)器中 套管式 能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器 螺旋管式 沉浸式 用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱 噴淋式 只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝 板面式 板式 拆

41、洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱 螺旋板式 可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔的作用，可用作回收低溫?zé)崮?平板式 結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈 板殼式 板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高 混合式 適用于允許換熱流體之間直接接觸 蓄熱式 換熱過程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場合 2.2列管式換熱器的工作原理列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進(jìn)行換熱時，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出

42、，這稱之管程；另一種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器。 列管式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流程度。

43、換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，傳熱分系數(shù)大；流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。圖示為最簡單的單殼程單管程換熱器,簡稱為1-1型換熱器。為提高管內(nèi)流體速度,可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。2.3螺旋折流板式換熱器 折流板是提高換熱器工效的重要部件。傳統(tǒng)換熱器中最普遍應(yīng)用的是弓形折流板，由于存在阻流與壓降大、有流動滯死區(qū)、易結(jié)垢、

44、傳熱的平均溫差小、振動條件下易失效等缺陷，近年來逐漸被螺旋折流板所取代。理想的螺旋折流板應(yīng)具有連續(xù)的螺旋曲面。由于加工困難，目前所采用的折柳板，一般由若干個1/4的扇形平面板替代曲面相間連接，形成近似的螺旋面。在折流時，流體處于近似螺旋流動狀態(tài)。相比于弓形折流板，在相同工況下，這樣的折流板（被稱為非連續(xù)型螺旋折流板）可減少壓降45%左右，而總傳熱系數(shù)可提高20%30%，在相同熱負(fù)荷下，可大大減小換熱器尺寸。雖然非連續(xù)螺旋折流板的加工技術(shù)比較成熟，在石化行業(yè)也已得到推廣應(yīng)用，但仍存在諸多不足之處。例如，扇形板連接處成非光滑的銳角過渡，對軸向運(yùn)動的流體存在反壓，流體通過時的突然轉(zhuǎn)向會造成能量損失，

45、在螺旋角較大時能耗更嚴(yán)重；相鄰兩片扇形板空間對接時，必須附加角接板才能填補(bǔ)縫隙，既費(fèi)工又廢料，又增大了流體的阻力。相比之下，具有理想螺旋曲面的連續(xù)型螺旋折流板有著更好的傳熱與流動特性，但在實(shí)際應(yīng)用時必須首先解決其加工難題。東燕公司經(jīng)過多年潛心研究，終于成功制作出連續(xù)螺旋折流板換熱器。螺旋折流板換熱器基本原理及折流板形式：螺旋折流板換熱器的提出基于這樣一種思想：通過改變殼側(cè)折流板的布置，使殼側(cè)流體呈連續(xù)的螺旋狀流動。因此，理想的折流板布置應(yīng)該為連續(xù)的螺旋曲面。但是螺旋曲面加工困難，而且換熱管與折流板的配合也較難實(shí)現(xiàn).考慮到加工上的方便，采用一系列的扇形平面板(稱之為螺旋折流板)替代曲面相間連接，

46、在殼側(cè)形成近似螺旋面，使殼側(cè)流體產(chǎn)生近似連續(xù)螺旋狀流動。一般來說，出于加工方面的考慮，一個螺距取 24 塊折流板，相鄰折流板之間有連續(xù)搭接和交錯搭接兩方式，按流道又可分為單螺旋和雙螺旋兩種結(jié)構(gòu)。2.4螺旋折流板式與弓形折流板式換熱器螺旋折流板式換熱器較弓形折流板式換熱器有以下幾個特點(diǎn)： （1）介質(zhì)在殼體內(nèi)連續(xù)平穩(wěn)螺旋流動，避免了橫向折流產(chǎn)生的嚴(yán)重壓力損失，因而具有壓降低的特點(diǎn)。 （2）弓形折流板比，在同樣的壓降下，可大幅度提高殼程介質(zhì)的流速，從而提高re，使介質(zhì)傳熱能力增大。 （3）于殼程介質(zhì)螺旋前進(jìn)，因而在徑向截面上產(chǎn)生速度梯度，形成徑向湍流，使換熱管表面滯留底層減薄，有利于提高膜傳熱系數(shù)。

47、 （4）橫向折流方式比，不存在死區(qū)，在提高換熱系數(shù)的同時，減少污垢沉積，熱阻穩(wěn)定，可使換熱器一直處于高效運(yùn)行狀態(tài)。 （5）旋折流板對換熱管的約束要強(qiáng)于弓形折流板，減少了管束振動，延長設(shè)備的運(yùn)行壽命。 （6）程做冷凝換熱時，螺旋折流板可以起到對冷凝后的液體引流作用，減少了冷凝液體對下排管覆蓋，從而提高換熱效果。 （7）種換熱器和普通換熱器的區(qū)別僅在于殼程折流板的結(jié)構(gòu)，管束外觀形狀、管束和殼體的配合尺寸都不變，在檢修當(dāng)中完全可以用螺旋折流板芯子替換弓形折流板式芯子，以提高換熱效果。 （8）在造價上面，前者較后者更大些，當(dāng)選擇時不可避免的需要考慮成本問題。2.5 換熱器在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用 在工業(yè)生產(chǎn)

48、中，為了實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設(shè)備，統(tǒng)稱為換熱器。它是化工、煉油、動力、原子能和其它許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備。對于迅速發(fā)展的化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。通常在化工生產(chǎn)的建設(shè)中，換熱器約占總投資的1020%。 在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等。換熱器就是用來進(jìn)行這些傳遞過程的設(shè)備，通過這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。換熱器隨著使用目的的不同，可以把它分成為：熱交換器、加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。由于使用的條件不同，換熱設(shè)備又有各樣的形式和結(jié)構(gòu)。

49、另外，在化工生產(chǎn)中有時換熱器作為一個單獨(dú)的化工設(shè)備，有時則把它作為某一工藝設(shè)備中的組成部分，如氨合成塔中的下部熱交換器、精餾塔底部的再沸器和頂部的回流冷凝器或分凝器等。其它如回收排放出去的高溫氣體中的廢熱所用的廢熱鍋爐，有時在生產(chǎn)中也是不可缺少的?？傊瑩Q熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用是十分廣泛的，任何化工生產(chǎn)工藝幾乎都離不開它。 在換熱設(shè)備中，應(yīng)用最廣泛的是管殼式換熱器。目前這種換熱器被當(dāng)作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱器，在許多工業(yè)部門中被大量地使用。尤其在化工生產(chǎn)中，無論是國內(nèi)還是國外，它在所有的換熱設(shè)備中，仍占主導(dǎo)地位。同時在近代的許多化工生產(chǎn)中，如裂解、合成及聚合等，大都要求在高溫和高壓下進(jìn)行。如高壓

50、聚乙烯要求操作壓力高達(dá)250mpa左右，新“德士古”制氫法要求操作溫度在7501500范圍。這些條件下，要進(jìn)行熱交換是很不容易的，尤其在有腐蝕存在的情況下，實(shí)現(xiàn)熱交換更是困難。而管殼式結(jié)構(gòu)，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點(diǎn)。因此，能不斷擴(kuò)大它的使用范圍。由于現(xiàn)代化工廠的生產(chǎn)規(guī)模日益增大，換熱設(shè)備也相應(yīng)向大型化方向發(fā)展，以降低動力消耗，減少占地面積和金屬消耗。管殼式結(jié)構(gòu)的換熱器也能滿足這一要求。 近十余年來，另一種高效、緊湊式 的新型換熱設(shè)備之一，即板式換熱器，已發(fā)展成為一種重要的化工設(shè)備。雖然目前它還處于發(fā)展階段，但它在化工和石油化工生產(chǎn)中已推

51、廣應(yīng)用。它適用的介質(zhì)相當(dāng)廣泛，從水到高粘度的非牛頓型液體，從含有小直徑固體顆粒的物料到含有纖維的物料，均可處理。從生產(chǎn)工藝上說，它可以用作液體的加熱、冷卻、冷凝或蒸發(fā)，單體的氣提，溶液的濃縮、聚合、脫氣、混合和乳膠的干燥等。 近年來，由于鋁及鋁合金釬焊技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，促使另一種高效、緊湊式的新型換熱器，即板翅式換熱器得到廣泛的應(yīng)用。雖然首先采用這種形式的換熱器是為了滿足飛機(jī)上中間冷卻器的要求，但由于它具有體積小，質(zhì)量輕，效率高和適應(yīng)的溫度范圍廣等突出的優(yōu)點(diǎn)，從而在化工、石油化工和其它許多工業(yè)部門中，也得到了迅速地推廣應(yīng)用。現(xiàn)在，板翅式換熱器又成功地應(yīng)用于天然氣加工過程中，如進(jìn)料氣冷卻器、部分冷凝器、底部蒸發(fā)器和壓縮機(jī)的中間冷卻器等。其它在航空、車輛和船舶等方面亦已開始推廣應(yīng)用