換熱器設(shè)計開題報告

1、理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目氣-液介質(zhì)專用換熱器設(shè)計學生姓名：石靜 學 號：09L0503216專 業(yè)：過程裝備與控制工程指導教師：郭彥書（教授）2013 年4月8日1 文獻綜述緒論換熱設(shè)備是化工、煉油、動力、能源、冶金、食品、機械、建筑工業(yè)中普遍應用的 典型設(shè)備。一般換熱設(shè)備在化工、煉油裝置中的建設(shè)費用比例達20%50%因此無論從能源利用，還是從工業(yè)的投資來看，合理地選擇和設(shè)計換熱器，都具有重要意義。在各種 換熱器中，由于管殼式換熱器具有單位體積內(nèi)能夠提供較大的傳熱面積、傳熱效果好、 適應性強、操作彈性大、易制造、成本低、易于檢修和清洗等特點，因此應用最廣泛。 管殼式換熱器按結(jié)構(gòu)特點

2、分為固定管板式、 U 型管式、浮頭式、雙重管式、填涵式和雙 管板等幾種形式。不同的結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，適用于不同的場合。本文介紹的是板式換熱1器。管殼式換熱器的特點 管殼式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的的金屬片疊裝而成的一種高效換熱 器。換熱器的各板片之間形成許多小流通斷面的流道，通過板片進行熱量交換，它與常 規(guī)的管殼式換熱器相比，在相同的流動阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數(shù)要高出很 多。板式換熱器的廣泛應用，加速了我國板式換熱器行業(yè)的迅速發(fā)展，但我國板式換熱 器設(shè)計與發(fā)達國家之間仍存在著不小的差距。板式換熱器是以波紋為傳熱面，在流道中 布滿網(wǎng)狀觸電，流體沿著板間狹窄彎曲、猶如迷宮式的通道流

3、動，其速度大小和方向不 斷改變，形成強烈的湍流，從而破壞邊界層，減少界面膜熱阻，并使固體顆粒懸浮，不 易沉積，有效地強化了傳熱， 因此，它比管殼式等其他類型換熱器具有很多獨特的優(yōu)點。 第一，傳熱系數(shù)高，由于換熱器的特殊結(jié)構(gòu)及組裝方式，使介質(zhì)在流經(jīng)相鄰兩板片間的 流道時，流動方向和流速不斷變化，在低流速下，形成急劇湍流，強化換熱；第二，溫 差小，由于板式換熱器具有較高的傳熱系數(shù)及強烈的湍流，可使熱交換器的一、二次流 體溫度十分接近，溫差趨近13C ;第三，熱損失小，由于板片邊緣及密封墊暴露在大 氣中，所以熱損失極小，一般為 1%左右，不需采取保護措施。在相同換熱面積情況下， 板式換熱器的熱損失僅

4、為管殼式換熱器的五分之一， 而重量則不到管殼式的一半; 第四， 結(jié)構(gòu)緊湊，換熱板片由薄的不透鋼板壓制而成，板片間距一般為4mm板片表面的波紋大大增加了有效換熱面積，這樣單位容積中可容納很大的傳熱面積（每立方米體積可布 置250卅的傳熱面積），占地面積僅為管殼式的五分之一到十分之一。因此，體積小， 節(jié)省安裝空間。 第五，適應性強，可根據(jù)產(chǎn)量及工藝要求， 方便地增加或減少傳熱板片， 亦可將板片重新排列， 改變流程組合; 第六，用途廣泛， 目前已廣泛應用于化工、 石油、 機械、冶金、電力、食品、熱水供應、集中供暖等工程領(lǐng)域，完成加熱、冷卻、蒸發(fā)、 冷凝、余熱回收等工藝過程中截止間的熱交換;第七，操作

5、靈活，維修方便，傳熱板片 及活動壓緊板均懸掛在機器的橫梁上，壓緊板上方設(shè)有滾動裝置，可方便地打開設(shè)備， 進行清洗，并能取出一板片，進行檢查或更換墊片 2 。一般來說，人字形波紋板片的傳 熱效率高、流體阻力大、承壓能力好。 人字形波紋片之所以換熱效率高， 流體阻力降大， 其原因是板間流道截面變化十分復雜，易誘發(fā)湍流，同時流體在這種多變得流道中流動 會更多地消耗能量；而水平平直波紋板片的流道變化則類似于正玄曲線，所以傳熱系數(shù) 和流體阻力降都較低 3 。管殼式換熱器的發(fā)展及現(xiàn)狀國內(nèi)情況盡管我國在部分重要換熱器產(chǎn)品領(lǐng)域獲得了突破， 但我國換熱器技術(shù)基礎(chǔ)研究仍然 薄弱。與國外先進水平相比較，我國換熱產(chǎn)業(yè)

6、最大的技術(shù)差距在于換熱器產(chǎn)品的基礎(chǔ)研 究和原理研究，尤其是缺乏介質(zhì)物性數(shù)據(jù)，對于流場、溫度場、流動狀態(tài)等工作原理研 究不足。在換熱器制造上。我國目前還以仿制為主，雖然在整體制造水平上差距不大， 但是在模具加工水平和板片壓制方面與發(fā)達國家還有一定的差距。在設(shè)計標準上，我國 換熱器設(shè)計標準和技術(shù)較為滯后。目前，我國的管殼式換熱器便準的最大產(chǎn)品直徑還僅 停留在米，而隨著石油化工領(lǐng)域的大型化要求，目前對管殼式換熱器直徑已經(jīng)達到米甚 至 5 米，超出了我國換熱器設(shè)計標準范圍，使得我國換熱器設(shè)計企業(yè)不得不按照美國 TEMAS準設(shè)計。板式換熱器的優(yōu)化選型是根據(jù)換熱器的用途和工藝過程中的參數(shù)和傳 熱單元數(shù)NT

7、U溫差比、選擇板片形狀、板式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)。換熱器中常使用換 熱器的“傳熱面積”和“傳熱系數(shù)”術(shù)語，這是一種習慣的有特定含義的名稱。因為換 熱器間壁兩側(cè)的表面積可能不同，所謂“換熱器的傳熱面積”實際上是指約定的某一側(cè) 的表面積，習慣上一般把換熱系數(shù)較小的一側(cè)的流體所接觸的壁面表面積稱為該換熱器 的傳熱面積，相對于該傳熱面積， 單位時間、 單位面積、 在單位溫差下所傳遞的熱流量， 稱為該換熱器的傳熱系數(shù)，因此傳熱系數(shù)也是相對于約定的某一側(cè)的表面積而言的 5。目前板式換熱器生產(chǎn)廠家均未提供凝結(jié)換熱和沸騰換熱的準則式， 在進行板式換熱 器的設(shè)計選型計算時應注意以下一些問題：一般冷凝和沸騰均可在一

8、個流程中完成，因 此，相變一側(cè)經(jīng)常布置成單流程，液體側(cè)可根據(jù)需要布置成單程或多程。在暖通空調(diào)制 冷領(lǐng)域，水側(cè)一般也是單流程為多。對板式冷凝器，設(shè)計時一般不要使冷凝段與過冷段 并存，因為過冷段的換熱效率低，如果需要過冷，原則上應單獨設(shè)過冷器。板式冷凝器 及蒸發(fā)器設(shè)計同樣存在一個允許壓降問題。 冷凝器內(nèi)壓降大，會使蒸汽的冷凝溫度降低， 造成對數(shù)平均溫差??；蒸發(fā)器內(nèi)壓降大，會造成出口蒸汽過熱度加大，兩者都會使換熱 器面積加大， 對換熱是不利的。 因此，在選擇板式蒸發(fā)器時， 應盡量選阻力較小的板片， 且每臺板片數(shù)不宜過多；盡量使供液分配均勻。板式冷凝器應采用中間隔板向兩邊分液 的方法。在選型時，在無合

9、適型號時可選常用的一般板式換熱器。對使用在制冷空調(diào)設(shè) 備上的板式換熱器，由于制冷劑壓力高，滲透能力強，宜采用釬焊板式換熱器。對于可 拆卸板式換熱器，墊片的密封性決定了整個換熱器的性能。墊片經(jīng)多次松開和壓緊容易 破壞，需要更換。板式換熱器屬于壓力容器， 必須定期檢查， 檢查腐蝕狀態(tài)，如有腐蝕， 一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，必須修理；當腐蝕嚴重，不可能修復，必須更換新件。板件拆裝時順序不要 搞錯。此外，板式換熱器應定期清洗 6 。一般情況下，兩側(cè)流體的流量及四個進、出口 溫度中的任意三個已給定，板式換熱器的設(shè)計包括確定板型、板片尺寸、流程與通道的 組合、傳熱面積等。在作設(shè)計計算時，設(shè)計者應具備以下資料 ; 選范圍以

10、內(nèi)的各種板片 的主要幾何參數(shù)，如單板有效換熱面積、當量直徑或板間距、通道橫截面以及通道長度 等；適用介質(zhì)種類與使用溫度，壓力范圍；傳熱及壓降關(guān)聯(lián)式或以圖形式提供的板片性 能資料；所用流體在平均工作溫度下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，主要包括密度、比熱容、導熱系 數(shù)及粘度 7。國外情況 近年來，國外板式換熱器發(fā)展的趨勢是向大型化和多品種方向發(fā)展，如最大單片換 熱面積達卅；單臺最大換熱面積已達 2500卅；最多板數(shù)700片/臺，最大單臺處理能力 為3635m3/h;最高使用壓力為；最高工作溫度為 250C ;最低工作溫度采用合成橡膠為 -25C,采用壓縮石棉纖維墊片為-40C,最高傳熱系數(shù)為7500W加.K。板

11、式換熱器有效 傳熱的關(guān)鍵是板片和通道的設(shè)計。阿法拉伐公司采用GDA/CA和數(shù)學模型，提供了新的板片技術(shù)。導流區(qū)位于板片頂部和底部，新設(shè)計的導流區(qū)保證了流體均勻分布通過板片 整個寬度，沒有死點。對板片結(jié)構(gòu)如通道的深度和形狀、板厚和強度的改進，在板片主 要傳熱區(qū)采用新設(shè)計的波形，使沖壓均勻，且允許采用較薄的板材，同時在要求的壓力 降下產(chǎn)生最大的湍流，從而提高了傳熱效果。由于板面積極利用率高，所需板片數(shù)量減 少，以及板片的減薄，顯然降低了換熱器的成本 。Muley和Manglik通過實驗分析了 多種板式換熱器的數(shù)據(jù)，得到了一系列傳熱及流阻的綜合關(guān)系式 9。 Mir-AkbarHesami 通過兩種板

12、片從層流到紊流區(qū)的實驗，在不改變波紋高度和波紋距離的條件下，比較 60和 45的波紋，指出對于 60波紋人字形板片的努謝爾數(shù)和摩擦系數(shù)是 45的 2 倍左右10 。板式換熱器中流體的分布不均勻是影響板式換熱器性能的一個主要因素。 B Prabhakara Rao等人對板式換熱器中不均勻流動做了分析研究。研究表明，在板式換熱 器流道中流速相等的假設(shè)與實驗情況有很大出入。 他們在實驗基礎(chǔ)上考慮了非均勻流動 分布因素，建立了新的傳熱與流動阻力公式，其結(jié)果與實驗吻合較好 11 。管殼式換熱器的發(fā)展方向 近些年板式換熱器主要研究方向之一是創(chuàng)新板型以及研究板的幾何參數(shù)對流換熱 及流動的影響。板式換熱器的板

13、片結(jié)構(gòu)千差萬別，其設(shè)計的最終目的是要強化板片的換 熱效果、增加板面剛度、提高板式換熱器的承壓能力。理想的板型設(shè)計，不僅具有較大 的傳熱面積、較低的壓力降、較高的傳熱系數(shù)，而且還應具有較好的剛性，以使很薄的 板片在固定壓緊板和活動壓緊板夾緊力的作用下相互支承， 以抵抗通道內(nèi)不平衡壓力對 其產(chǎn)生沖擊。為此，在板型設(shè)計中還要考慮支承點的合理分布以及加強筋的布置等。一 塊管板按功能可以分成導流部分、換熱部分、密封部分、邊緣支承以及懸掛定位等五個 部分，其中換熱部分是板片結(jié)構(gòu)的核心，其結(jié)構(gòu)形式主要取決于換熱介質(zhì)的性質(zhì)，要根 據(jù)傳熱學和流體力學設(shè)計確定 12 。目前，板式換熱器設(shè)計、 運行還是主要依靠實驗

14、研究。 早在 132 年前，德國發(fā)明了板式換熱器，直到 1932 年才開始成批生產(chǎn)鑄銅溝道板片的 板式換熱器。 1930年，研究出不銹鋼波紋板型板式換熱器， 從此為現(xiàn)代板式換熱器奠定 了基礎(chǔ)。通過實驗研究和應用實驗表明，人字形的傳熱性和流阻特性效果優(yōu)良，人字形 的傳熱性和流阻特性效果優(yōu)良，所以近幾十年板式換熱器大都采用人字形板片。板式換 熱器實物實驗投資大，時間長，花費大量的人力，一些大型換熱器及復雜工況條件下的 換熱器難以進行實驗。故近年來，人們越來越熱衷于采用計算流體力學手段對板式換熱 器進行數(shù)值模擬，而將CDF（計算流體力學）與實驗有機結(jié)合在一起研究板式換熱器是 一種高效、經(jīng)濟的研究手段

15、 13 。結(jié)語 作為一種高效緊湊式換熱器，在加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)和熱回收過程中，除了高 溫、高壓和特殊介質(zhì)條件外，板式換熱器均已替代管殼式換熱器。經(jīng)試驗證明在板式換 熱器使用范圍內(nèi)，絕大多數(shù)工況時，用不銹鋼板式換熱器與管殼式換熱器的競爭會更加 激烈。此外，我國板式換熱器在實驗研究和理論研究方面與國外先進水平相比仍然存在 較大差距，所以仍需進一步加強板式換熱器的研究。目前，我國換熱器產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模 大概 360 億人民幣?；谑?、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業(yè)對 換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在未來一段時期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長。另外，航 天飛行器、半導體器件、核電站、風力發(fā)

16、電機組、太陽能光伏發(fā)電及多晶硅生產(chǎn)等高新 技術(shù)領(lǐng)域都需要大量的專業(yè)換熱器。展望板式換熱器的未來，它會在更廣泛的領(lǐng)域大有 作為。2 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段及途徑本課題研究并解決的問題通過分析、確定氣液介質(zhì)換熱器的型式，對所選型式的換熱器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、工 藝計算、強度計算，并對所設(shè)計的換熱器從經(jīng)濟、技術(shù)等方面進行比較評價。根據(jù)給定 設(shè)計條件對氣 - 液介質(zhì)換熱器進行比較選型，確定結(jié)構(gòu)。按給定設(shè)計條件進行氣 - 液介質(zhì) 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝計算、強度計算根據(jù)不同的工藝條件和操作工況。本課題擬采用的研究手段及途根據(jù)生產(chǎn)需求確定設(shè)計方案， 首先確定換熱器的類型， 安排合理的管程，

17、其次確定 物性數(shù)據(jù)，包括殼程和混合氣體的定性溫度，管程流體的定性溫度，根據(jù)定性溫度，分 別査取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。 對混合氣體來說，最可靠的物性數(shù)據(jù)是實測值， 若不具備此條件， 則應分別查取混合無辜組分的有關(guān)物性數(shù)據(jù)， 然后按照相應的加和方 法求出混合氣體的物性數(shù)據(jù)。然后進行傳熱面積的估算，包括計算熱流量、平均傳熱溫 差、傳熱面積和冷卻水用量。 然后進行工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算， 包括計算管徑和管內(nèi)流速， 管程數(shù)和傳熱管數(shù)， 折流擋板的形狀和間距的確定按單程管設(shè)計所需的傳熱管長度， 以 及傳熱管總根數(shù)等。最后進行熱流量的核算，包括當量直徑的計算，殼程流通截面積的 計算，殼程流體流速及其雷諾

18、數(shù)的確定，以及普朗特數(shù)和粘度校正的計算等。參考文獻1 于風葉，史紅剛 . 管殼式換熱器的設(shè)計原則 . 石油化工設(shè)計， 2009（ 4）：19212 邵擁軍，張文林 . 板式換熱器的特點與優(yōu)化設(shè)計 . 廣州化工， 2012（ 3）：403 蔡曉君，王利華 . 板式換熱器的結(jié)構(gòu)及應用 . 化工設(shè)備與管道， 2011（ 4）：14164 黃慶軍，任俊超 . 中國換熱器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 . 石油與化工設(shè)備， 2010（ 1）： 585 程建.板式換熱器的優(yōu)化選型和新型板式換熱器 .技術(shù)交流， 1994（5）：69736 鄒同華，杜建通 . 換熱器設(shè)計選型及使用中應注意的問題 . 建筑熱能通風， 1999 （4）：49547 孫振巍 . 板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計 . 工程技術(shù)， 1994（ 3）：6406418 周海成 . 板式換熱