波紋管汽水換熱器的設(shè)計

1、中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計姓 名： 學(xué) 號： 學(xué) 院： 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 專 業(yè)： 熱能與動力工程 設(shè)計題目： 50mw波紋管汽水換熱器的設(shè)計 專 題： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 2015 年 6 月 徐州中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書專業(yè)年級 學(xué)號 學(xué)生姓名 任務(wù)下達日期：2014 年 12 月 20日畢業(yè)設(shè)計日期： 2015 年 1 月 20 日至 2015 年 6 月 10日畢業(yè)設(shè)計題目：50mw波紋管汽水換熱器的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計專題題目：畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求：內(nèi)容：本課題以50mw波紋管殼式汽-水換熱器的設(shè)計為主要內(nèi)容。從換 熱器的設(shè)計選型、熱力計算、水力計算以及強度校核方面

2、設(shè)計一 臺50mw的波紋管殼式汽水換熱器。要求：1、在本文設(shè)計過程中，搜集、查閱大量的中外文書目、文獻等， 并對這些資料進行分析和綜合，完成一定量外文翻譯； 2、在此基礎(chǔ)上，完成對波紋管換熱器的設(shè)計、計算及校核； 3、繪制所設(shè)計的波紋管換熱器的結(jié)構(gòu)圖及相關(guān)的零件圖； 4、形成一萬字以上的論文。指導(dǎo)教師簽字：鄭 重 聲 明本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究所取得的成果。所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本論文屬于原創(chuàng)。本畢

3、業(yè)設(shè)計的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院畢業(yè)論文指導(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；獨立解決實際問題的能力；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；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)徐海學(xué)院畢業(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；綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力；工作量的大??；取得的主要成果及創(chuàng)新點；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： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學(xué)徐

4、海學(xué)院畢業(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 日摘要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可或缺的設(shè)備。自70年代爆發(fā)了能源危機，對傳統(tǒng)換熱器設(shè)備的強化研究逐漸興起，換熱器作為一種傳熱設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于煉油、化工、輕工、制藥及城市的集中供暖等領(lǐng)域，是工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備。特別是管殼式換熱器約占全部換熱器的70%左

5、右，它比較容易清洗，易損件易于更換，滿足幾乎所有的場合，包括特別低和特別高壓力、溫度、大的溫差，蒸發(fā)與凝結(jié)以及嚴(yán)重污染和具有腐蝕性流體的情況。而近年來出現(xiàn)的波紋管換熱器早在20世紀(jì)70年代，就有人提出將波紋管作為換熱管用于管殼式換熱器上，波紋管換熱器是在傳統(tǒng)管殼式換熱器的基礎(chǔ)上，采用強化傳熱原理研制開發(fā)的一種高效設(shè)備。它不但繼承了管殼式換熱器的優(yōu)點，克服了其缺點，還具有體積小、傳熱系數(shù)高、防垢的特點，具有很強的實用性，有更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用于汽-水、水-水換熱場合。本文以波紋管為元件，對某集中供熱工程中使用的波紋管汽-水換熱器進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、選型，熱力計算，流動計算以及強度校核。關(guān)鍵

6、詞：換熱器； 選型； 熱力計算； 校核abstractit is part of the heat exchanger heat transfer fluid to cold fluid equipment to achieve different temperature heat transfer fluid between, also known as heat exchangers. heat exchanger device is to achieve the chemical production process of heat exchange and transfer essen

7、tial. since the 1970s, the energy crisis broke out, the traditional heat exchanger equipment to strengthen the research gradually on the rise, the heat exchanger as a heat transfer device, is widely used in oil refining, chemical industry, light industry, pharmaceuticals and the city's central h

8、eating and other fields, it is indispensable in industrial production equipment. in particular, shell and tube heat exchanger accounts for about 70% of all heat exchanger, it is relatively easy to clean, easy to replace wearing parts, meet almost all occasions, including the particularly low and ext

9、remely high pressure, temperature, large temperature difference, evaporation and condensation, and severe pollution and have the case of corrosive fluids. and in recent years the corrugated tube heat exchanger as early as the 1970s, it has been proposed to bellow as the heat transfer tubes for shell

10、 and tube heat exchanger, corrugated tube heat exchanger in the traditional shell and tube on the basis of heat, we used to strengthen the principle of a highly efficient heat transfer equipment developed. it not only inherited the shell and tube heat exchanger advantages and overcome its shortcomin

11、gs, but also has a small, heat transfer coefficient, scaling features, very practical, with a wider range of applications, it is widely applied to steam - water, water - water heat exchanger applications. in this paper, corrugated tube element of a corrugated pipe steam for use in district heating p

12、roject - water heat exchanger made structure design, selection, thermodynamic calculation, mobile computing and strength check.keyword: heat exchanger; selection; thermodynamic; calculation checking目 錄1緒論11.1前言11.1.1波紋管換熱器的起源11.1.2波紋管換熱器的現(xiàn)狀21.1.3波紋管換熱器的應(yīng)用前景21.2波紋管換熱器的特點31.2.1波紋管換熱器的結(jié)構(gòu)特點31.2.2波紋管換熱器的

13、傳熱特點41.3波紋管換熱器的適用范圍81.4波紋管的成型及結(jié)構(gòu)81.4.1波紋管成型機制的研究81.4.2波紋換熱管的波形確定81.4.3波紋換熱管的結(jié)構(gòu)及連接形式91.5 波紋換熱管的材料選用及設(shè)計研究進展91.5.1波紋管材料的選用91.5.2設(shè)計研究進展102設(shè)計任務(wù)及設(shè)計方案112.1設(shè)計參數(shù)與任務(wù)112.2設(shè)計方案與操作條件112.2.1選擇設(shè)備的形式112.2.2空間內(nèi)流經(jīng)的流體的要求132.2.3選擇流體流動方向133熱力計算143.1熱量的分配計算143.2計算平均溫差164換熱面積的計算與管程結(jié)構(gòu)的設(shè)計184.1換熱面的估算194.1.1換熱面積的初步估算194.1.2設(shè)計

14、單波距波紋管的結(jié)構(gòu)以及傳熱面積的計算194.2管程布管方式的選取234.3設(shè)計管箱的接管264.3.1設(shè)計接管尺寸264.3.2選取合適的管箱接管位置274.4設(shè)計殼體285設(shè)計殼程的主要結(jié)構(gòu)295.1設(shè)計折流板295.1.1折流板的型式設(shè)計295.1.2殼程內(nèi)流動空間的布置315.2殼程進出口接管的設(shè)計325.2.1計算接管尺寸325.2.2接管最小位置的選取335.3管板設(shè)計345.3.1管板結(jié)構(gòu)的選型345.3.2管板最小厚度的確定355.3.3管箱與管板的密封結(jié)構(gòu)365.3.4管板尺寸的選取375.4管板分別與管子、殼體的連接385.4.1管板與殼體的連接385.4.2管板與管子的連接

15、396換熱系數(shù)的計算以及換熱能力的校核416.1管程對流換熱系數(shù)的計算416.2管間換熱系數(shù)的計算426.3總傳熱系數(shù)的計算：436.4換熱能力的校核446.4.1實際換熱能力的校核446.4.2壁溫的校核447流動阻力的計算448強度校核478.1強度校核的標(biāo)準(zhǔn)478.2波紋換熱管強度校核的參數(shù)498.2.1 設(shè)計的參數(shù)498.2.2材料的性能參數(shù)508.2.3計算的參數(shù)518.3校核四種危險組合壓力下的工況608.3.1計算的工況一608.3.2計算的工況二638.3.3計算的工況三668.3.4計算的工況四709設(shè)計的其他零件749.1管箱封頭設(shè)計749.2拉桿及定距管的設(shè)計759.2.

16、1拉桿的結(jié)構(gòu)與尺寸的設(shè)計759.2.2定距管尺寸的選取77 9.3防沖板的設(shè)計779.4分程隔板的設(shè)計789.5排液和排液口的設(shè)計799.6支座的設(shè)計8010設(shè)計的評價8110.1設(shè)計的流程8210.2設(shè)計的評價8310.2.1設(shè)計的意義8310.2.2設(shè)計過程的評述和說明84參考文獻85翻譯部分87 英文原文88 中文譯文105致謝120中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院2015屆本科生畢業(yè)設(shè)計1緒論1.1前言1.1.1波紋管換熱器的起源管殼式換熱器是目前應(yīng)用最廣的換熱設(shè)備。由于它結(jié)構(gòu)堅固,維修方便, 不易堵、漏,密封周長短,材料的選擇范圍較廣,因此它的適用范圍大,尤其是在高溫、高壓領(lǐng)域,是其它換熱器無法

17、替代的。與其它品種換熱器比較,管殼式換熱器的最大缺點是傳熱效率低。例如,對于水一水換熱,傳統(tǒng)的管殼式換熱器k 值范圍一般為11502230w/ m2 ,板式換熱器k值為15004700w/ m2 ,螺旋板式為20003000w/ m2。自70年代能源危機爆發(fā)以來,對傳統(tǒng)換熱器設(shè)備強化研究逐漸興起,并主要集中在兩大方向上；一是開發(fā)新的換熱器品種,如板式、螺旋板式、振動盤管式、板翅式等等,這些換熱器設(shè)計思想都是盡可能地提高換熱效率；二是對傳統(tǒng)的管殼式換熱器采取強化措施。具體說來,就是用各種異型管取代原來的光管。現(xiàn)在較常用的有螺旋橫紋( 螺紋管)、橫槽紋管、縮放管、內(nèi)翅管及管內(nèi)插入強化物質(zhì)等。以上各

18、種異型管其換熱效率較光管一般提高40% 80% ,而且已在不同場合得到應(yīng)用。其中應(yīng)用最廣泛的螺紋管已有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。早在70 年代,曾有人提出用波紋管作為換熱管用在管式換熱器上并出現(xiàn)在教科書上。按流體力學(xué)觀點分析：在波峰處流體速度降低、靜壓增加、在波谷處流體速度增加、靜壓減少, 這樣流體的流動是在反復(fù)改變軸向壓力梯度下進行,產(chǎn)生的劇烈漩渦沖刷了流體的邊界層,使邊界層減薄。由于波紋管可做成相對流線型,流體阻力不會有太大的增加。因此, 用波管作換熱管從理論上講應(yīng)優(yōu)于其它異型管。數(shù)十年來,先后開發(fā)了各種儀表彈性元件、電沉積波紋管、波紋膨脹節(jié)、滾壓成形波紋管等產(chǎn)品。同時,也包括這些波紋管制造技術(shù)和工

19、藝裝備。1990 年,波紋管式換熱器問世了。沈陽儀器儀表與沈陽遠(yuǎn)達管道技術(shù)研究所合作試制了三臺新型換熱器,一臺安裝在沈陽熱力公司所屬渾河供熱所第一小區(qū)供熱站,另兩臺安裝在和平房屋開發(fā)公司所屬和平大街鍋爐房試運行。1990年12月15日到1990年12月31日期間,由沈陽市技術(shù)監(jiān)督局所屬沈陽市能源標(biāo)準(zhǔn)計量所對該產(chǎn)品進行現(xiàn)場測試,結(jié)果表明,其應(yīng)用效果完全達到了設(shè)計要求。于1991年3月16 日通過了由原機電部三裝司組織的專家鑒定。1.1.2波紋管換熱器的現(xiàn)狀波紋管式換熱器在研制、開發(fā)階段主要針對水一水換熱。水一水換熱器設(shè)計、生產(chǎn)、質(zhì)量已基本穩(wěn)定。近年來,板式換熱器發(fā)展速度很快,技術(shù)上也得到不斷更新

20、, 主要在板型、密封膠帶、安裝形式等方面作了重大改進。因此,只要溫度、壓力不是很高( 低于200 、1.6mpa),用板式換熱器工程造價低,運行成本低(由于它是全逆流的),換熱能力不僅傳統(tǒng)管殼式換熱器無法與之相比, 波紋管式換熱器也相形見拙。然而板式換熱器還存在維修工作量大、易堵、易漏等缺點,因此,用于水一水熱交換時板式換熱器還可與波紋管換熱器爭一席之地,但用于汽一水其它介質(zhì)熱交換, 波紋管換熱器則顯示出強大的生命力。 1990 年，作為試驗產(chǎn)品做了四臺，水一水換熱占100%；1991 1994 年,產(chǎn)量、產(chǎn)值逐年遞增。但水一水換熱器比重越來越小。1991年占60%，1992 年占30%，19

21、93、1994 年均占20%左右。根據(jù)市場需要，已開發(fā)出新品種用于不同行業(yè)中：煤氣站汽化( 汽一油換熱) 、電廠首站( 汽一水換熱)、油田輸油管道加熱( 汽一油換熱) 、貯藏設(shè)備制冷( 液一液換熱) 、賓館、居民樓供生活熱水( 汽一水加熱) 、海水熱交換( 汽一海水換熱及海水一水換熱)等。1.1.3波紋管換熱器的應(yīng)用前景目前,市場上流行的換熱器有管殼式(含固定管板式、浮頭式、u 型管式各種強化型列管換熱器)、板式、振動盤管式、板翅式、螺旋板式等等。從歷史上看,管殼式換熱器一直占有主導(dǎo)地位。板式換熱器剛問世時, 由于其傳熱效率高、造價低曾風(fēng)行一時, 但不久人們發(fā)現(xiàn),由于板式換熱器結(jié)構(gòu)所限,不可能

22、應(yīng)用在高溫、高壓條件下。即使在低溫、低壓時, 許多工廠也不愿采用。原因很簡單,板式換熱器大修周期短,工作量大,易泄漏。如因一臺換熱器維修導(dǎo)致全線停產(chǎn)是得不償失的。同樣, 螺旋板式、振動盤管式、板翅式換熱器也存在各種類似的問題。因此,人們只好將注意力轉(zhuǎn)移到管式換熱器強化傳熱研究上來。據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo), 到80 年代末期,日本、歐、美等發(fā)達國家,強化型管殼式換熱器已占25% 以上,而在我國各種各樣的異型管強化換熱器均處在研究、試制階段,市場占有率3% 都不到。迄今為止,波紋管式換熱器優(yōu)于其它各類強化型換熱器,在管殼類產(chǎn)品中,傳熱效率是最高的,因此可以說該產(chǎn)品應(yīng)用前景是十分廣闊的。為擴大該產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域

23、,在市場上有更強的競爭能力,應(yīng)進行如下幾方面工作:(1) 換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計將cad 技術(shù)引入換熱器設(shè)計上。用戶越來越關(guān)心能用最少的投資提取到最可靠、最能發(fā)揮效能的產(chǎn)品。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)保證各部件布局合理,能耐各種沖擊又不浪費原材料,管內(nèi)管外換熱能力匹配, 與其它輔助設(shè)備(水泵等)渾然一體,最大限度地發(fā)揮出換熱器效能。(2) 建立各種介質(zhì)傳熱數(shù)學(xué)模型目前,只有水一水、汽一水、汽一油(極個別的油介質(zhì))有較完整的數(shù)學(xué)模型。實際上遇到的換熱介質(zhì)有上百種,為此,目前我所已立項研究。(3) 不銹鋼不應(yīng)是波紋換熱管唯一材料,不同場合應(yīng)采用不同材料一例如在無腐蝕介質(zhì)時,完全可以采用碳鋼管,對于海水換熱應(yīng)用

24、鈦、329#不銹鋼、海軍黃銅等。(4) 將各種腐蝕防護技術(shù)引入換熱器生產(chǎn)中,以提高換熱器使用壽命?？傊?波紋管式換熱器是一個全新的產(chǎn)品,需要集體的力量使它得以發(fā)展。只要發(fā)展的路子是健康的,它的生命力將是非常強大的。1.2 波紋管換熱器的特點1.2.1波紋管換熱器的結(jié)構(gòu)特點波紋管換熱器屬于列管式換熱器，它由殼體、管束、管板和封頭等幾部分組成。在殼體內(nèi)安裝有6塊或不等的折流擋板, 不僅可防止流體短路、增加流體速度,而且還可以迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束,使湍流程度增加。波紋管的結(jié)構(gòu)見圖1。波紋管換熱器的列管采用鈦材質(zhì)波紋管,非普通直管,其特點為：(1) 熱效率高。由于換熱管采用波紋形式,管內(nèi)

25、流道截面連續(xù)不斷地突變, 造成流體即使在流速很低的情況下也始終處于高度湍流狀態(tài),難以形成層流, 使對流傳熱的主要熱阻被有效地克服,管內(nèi)外傳熱被同時強化,因而傳熱系數(shù)很高,一般為直管式的23倍。(2) 防垢能力強。由于流道內(nèi)流體的高度湍流,使流體中的微粒難以沉積結(jié)垢,即使有少量垢生成,由于波紋管上存在管殼程溫差應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)變,使具有彈性特征的波紋管曲率發(fā)生微觀變化,從而使波紋管換熱器具有自然防垢和自然除垢的能力。介質(zhì)在管內(nèi)外強烈湍流對管壁沖刷強烈,另外波紋管表面的光滑弧線也能抑制水垢的生成和生長。(3) 波紋管屬柔性元件,在溫差和壓差較大的場合下具有自我補償能力, 可大大降低管板和筒體的應(yīng)力,

26、不易拉脫、泄漏(4) 采用優(yōu)質(zhì)的鈦材料,設(shè)備抗腐蝕能力高,設(shè)備使用壽命長。(5) 體積小,占地面積小,運行維護費用低。(6) 獨特的完全自由成形工藝, 沒有強烈形變,無晶間缺陷,應(yīng)力分布均勻。圖1-1 波紋管結(jié)構(gòu)圖1.2.2波紋管換熱器的傳熱特點1、傳熱原理:化工生產(chǎn)中的物質(zhì)間熱交換常遇到的是溫度不太高的流體間的熱交換, 熱量自熱流體傳到間壁表面的一側(cè),自間壁另一側(cè)表面?zhèn)鹘o冷流體,以對流傳熱為主。對流傳熱是在流體流動的過程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象,所以和介質(zhì)流動的情況密切相關(guān)。在湍流流動的情況下, 流體主流中由于旋渦叢生,流體各部分相互混合,所以熱阻很小,從而在流體流動方向垂直的截面上, 湍流中心

27、區(qū)各點流體之間的溫度趨于一致。但在緊靠壁面處,總有一層流體膜順著壁面作層流流動,稱為層流底層。由于通過這層流體膜的傳熱是以導(dǎo)熱方式進行的, 所以流體膜雖薄,卻是對流傳熱的主要熱阻,溫度降也主要集中在層流底層中。圖1-2 對流傳熱時沿?zé)崃鞣较驕囟确植记闆r圖1-2為對流傳熱時沿?zé)崃鞣较虻臏囟确植记闆r示意圖。圖中f1f1與f2f2 為層流底層的界面,為熱流體中心溫度,即最高溫度,t為冷流體中心溫度, 即最低溫度。在熱流體的湍流主體中,由于流體質(zhì)點充分混合,溫度基本上是一致的,即圖中t。在層流底層和湍流主體之間存在一個溫度逐漸變化的區(qū)域, 稱為過渡區(qū)。溫度由t下降到tb。在層流底層內(nèi),由于熱阻較大,溫

28、度急劇由tb 下降到tw。再往左通過管壁,因其材料通常為金屬,熱阻很小,因此,管壁兩側(cè)的溫度tw 和tw 相差很小。在冷流體內(nèi),又順次通過層流底層、過渡區(qū)而到達湍流主體,溫度由tw 經(jīng)tb下降到t。圖2中曲線tw tb t和曲線ttb tw 的意義相似。2、提高換熱系數(shù)的途徑傳熱學(xué)傳熱速率公式如下：q=ka(t-t)式中: q - 換熱量； k - 換熱系數(shù)； a - 換熱面積； (t-t) - 傳熱溫度差。從公式(1)可以看到,換熱量和換熱系數(shù)k成正比,要提高換熱器的熱交換能力,就必須想辦法提高換熱系數(shù)k值。根據(jù)傳熱學(xué)原理對流傳熱時圓筒型壁熱交換管的總熱阻公式為: 1/k =1/a1+b/(

29、d1/dm)+1/a2(d1/d2)+ rs(d1/d2) (2)式中: k - 總傳熱系數(shù)； b -換熱管壁厚； - 換熱管傳熱系數(shù)； rs - 污垢熱阻； d1 - 換熱管內(nèi)徑； d2 - 換熱管外徑； dm - 換熱管中徑； a1、a2 - 管、殼程對流傳熱系數(shù)。由間壁兩側(cè)流體熱交換過程及公式(2)可以看出,要想提高熱交換器的換熱性能,就要努力降低總熱阻, 即提高總熱交換系數(shù)k值,從中不難看出提高換熱系數(shù)k值有如下途徑：(1) 減少層流層,增加湍流層,從而提高對流傳熱系數(shù)1、2。由傳熱學(xué)得知, k值主要取決于對流傳熱系數(shù),因此,必須設(shè)法同時提高流體兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)1、2。(2) 減少傳

30、熱距離,即減少換熱管壁厚b 。(3) 提高傳熱系數(shù),此問題可以通過選用導(dǎo)熱性能好的換熱管材料實現(xiàn)。(4) 降低污垢熱阻rs,當(dāng)污垢熱阻起很大作用時,必須設(shè)法減慢污垢生成速率或清洗。3、波紋管強化傳熱機理 換熱熱阻的大小主要決定于靠近壁面處流體的流動狀況,因為這里流體速度和溫度變化最顯著,該區(qū)域稱為邊界層。任何流體都有其黏度,任何材料的換熱管都有其粗糙度。當(dāng)具有黏性的流體流過管壁時,就會在壁面上產(chǎn)生摩擦力,它制動了流體的流動,使靠近管壁的流體速度降低下來,而直接貼附于管壁的流體實際上將停滯不前,流體只有經(jīng)過厚度為的薄層,流體的速度才能接近主流速度。在很薄的一層流體內(nèi),速度由0 變化到接近主流速度

31、, 其平均的速度梯度將是很大的,大的速度梯度說明邊界層內(nèi)具有較大的黏滯應(yīng)力。根據(jù)理論分析和試驗觀察,邊界層厚度與換熱管直接相比是極小的。隨著流體雷諾數(shù)re 的提高,邊界層厚度隨之變薄。例如流體在直徑為25 mm的管內(nèi)流動時,re數(shù)由104增加到105時,邊界層厚度由0.49 mm 降為0.065mm,但較高的re 會使換熱器的壓降急劇增加,因此,re 的增加是有一定限度的,不是越高越好,應(yīng)該使換熱器的re 數(shù)處于一個經(jīng)濟數(shù)值。圖1-3、圖1-4是換熱管內(nèi)為冷流體、換熱管外為熱流體時的流體速度場和溫度場示意圖。圖1-4流體溫度場圖1-3 流體速度場薄壁波紋換熱管的波紋深度達到3.5 mm,波峰與

32、波谷的流通面積比值達到1:0.588, 即波峰與波谷的流速差約為1.2；波峰與波距的比值為1.3:1,流體在波紋換熱管內(nèi)流動時,在波谷處,流速增加,動壓減小,靜壓增大；在波峰處,流速降低,動壓增大,靜壓減小,在單位時間內(nèi),這種壓力、速度的轉(zhuǎn)化要發(fā)生幾十次至上百次,流體的邊界層很難形成,并極易被打破；管壁表面的不連續(xù)也使得邊界層無法生成。由于以上因素,邊界層厚度的減薄和邊界層的被打破,使熱量能迅速地被傳遞到流體中去,換熱器的傳熱能力得到極大的提高。即使在較小的流速下,換熱器仍然能達到較高的傳熱系數(shù)。1.3 波紋管換熱器的適用范圍雖然波紋管換熱器是由傳統(tǒng)的管殼式換熱器改進而來,但并不是所有類型的管

33、殼式換熱器都可以采用波紋換熱管。由于固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊, 強化傳熱效果明顯,最適合采用波紋換熱管的是固定管板式換熱器。波紋管又具有一定的熱補償能力,在某些場合可省去常規(guī)所需要的膨脹節(jié)。另外, 在波紋管換熱器的使用過程中對介質(zhì)的特性具有一定的要求, 例如, 對于黏度較高的物料,易結(jié)晶、沉淀的工況, 禁止使用波紋管換熱器。1.4 波紋管的成型及結(jié)構(gòu)1.4.1 波紋管成型機制的研究波紋管一般是由無縫不銹鋼光管加工成型而得。波紋管直徑較小、管子長、波紋外凸,因此其成型加工比較困難。此外,波紋管加工形變大,對材料的力學(xué)性能和材料的均勻性要求很高。在加工波紋管前不但要對原材料管進行逐根檢查,還要對成

34、型后的管子進行消除應(yīng)力熱處理,經(jīng)熱處理后,須再進行外形、軸向直線度、水壓試驗進行再檢驗, 檢查合格后方可用于換熱器的制造。目前,應(yīng)用于工業(yè)換熱器的波紋管主要有軟膠脹型和液壓脹型成型工藝。液壓脹型是采用常規(guī)的液壓技術(shù),即將光管置于成型模具中,然后向光管內(nèi)注入高壓液體,利用液體的壓力使光管屈服并最終獲得模具規(guī)定的幾何形狀。軟膠脹型工藝則是利用對管內(nèi)短圓柱狀的軟膠進行軸向壓縮使其產(chǎn)生徑向壓力以達到成型波紋的目的。1.4.2 波紋換熱管的波形確定波紋換熱管與用作補償目的的波紋管因功能不同,在形狀及尺寸方面有著較大的區(qū)別。普通的補償波紋管波高較大, dmax /dn > 1. 35(dmax為波峰

35、直徑, dn 為公稱直徑),而波紋換熱管作為主要受壓元件首先要保證承壓能力, 波紋的目的是造成二維流動,形成湍流, 增強傳熱效果。此外,過深過密的波紋不但會造成大的壓降,而且容易失穩(wěn)。因此,波紋換熱管應(yīng)波紋較淺、波距較大, 波形的最后確定需考慮熱力學(xué)、材料、成型工藝等因素。1.4.3 波紋換熱管的結(jié)構(gòu)及連接形式波紋管換熱器中的換熱管一般有波紋管和波節(jié)管2種,沿徑向方向的半徑尺寸是變化的。波節(jié)管的波形由直邊段、大小圓弧段等組成(參見圖1-5)；波紋管由大小圓弧段構(gòu)成(參見圖1-6),沒有直邊段,但同樣存在波峰和波谷。影響波紋管力學(xué)性能的參數(shù)較多,波紋管的壁厚、直徑、波高、波距、波數(shù)以及材料的彈性

36、模量與波紋管的剛度有直接關(guān)系。由于波紋換熱管為奧氏體不銹鋼,屬加工硬化傾向大的材料,脹接難度較大；且波紋換熱管的管壁較薄,將換熱管直接焊接在管板上十分困難。為保證焊接質(zhì)量,必須增加過渡接頭,過渡接頭通常用= 3mm的厚壁管制造,且過渡接頭的外徑與波峰一致。其結(jié)構(gòu)如圖1-5所示,由中間薄壁波紋管主體和兩端厚壁接頭組成。圖1-5 波節(jié)管圖1-6 波紋管圖1-7 波紋換熱管的結(jié)構(gòu)型式1.5 波紋換熱管的材料選用及設(shè)計研究進展1.5.1 波紋管材料的選用金屬波紋管一般用薄壁奧氏體不銹鋼制造,壁厚為0. 24.0 mm。因為在軸向力和位移的作用下,應(yīng)力水平相當(dāng)高,波峰和部分波谷的局部基本在塑性范圍工作。

37、如果處于腐蝕環(huán)境,則高應(yīng)力部位是最危險的。一般情況下,波紋管的材料應(yīng)滿足下列條件:具有良好的塑性,便于波紋管的加工成型,且能通過隨后的處理工藝(冷作硬化、熱處理等),獲得足夠的硬度和強度；具有高的彈性極限、抗拉強度和疲勞強度,以保證波紋管正常工作；具有良好的焊接性能,滿足程中的焊接工藝要求；有較好的耐腐蝕性能,以滿足波紋管在不同環(huán)境下工作。1.5.2 設(shè)計研究進展隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,有限元方法已成為能處理幾乎所有連續(xù)介質(zhì)和場問題的一種強有力的數(shù)值計算方法。其在波紋管研究領(lǐng)域中的應(yīng)用也得到了迅速而深入的發(fā)展。自20世紀(jì)80年代以來,國內(nèi)許多研究人員開始將有限元方法應(yīng)用于波紋管應(yīng)力應(yīng)變的分析

38、研究中,取得了成功。主要經(jīng)歷了以下3個階段:第1階段出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初,其特點是利用彈性有限元對波紋管進行應(yīng)力應(yīng)變的分析。彈性有限元分析在小載荷情況下,可以獲得比較好的計算結(jié)果。但是, 隨著位移量的增大,其誤差也越來越大。第2階段始于20世紀(jì)80年代末,在90年代中后期有了較快的發(fā)展,主要特征是非線性有限元技術(shù)在波紋管的研究分析中的應(yīng)用。有限元分析以其在解析幾何非線性、材料非線性和結(jié)構(gòu)非線性問題分析方向的獨特優(yōu)勢而為愈來愈多的研究人員所接受。第3階段是20世紀(jì)90年代末至今,國外許多優(yōu)秀的大型有限元軟件,如: ansys、abaqus、ad ina、algor出現(xiàn)并逐漸在國內(nèi)推廣,波紋管

39、的有限元分析也隨之進入了蓬勃發(fā)展的階段。對于波紋管換熱器中管板的設(shè)計計算,目前還沒有建立起嚴(yán)密而精確的計算方法,國家及行業(yè)部門也沒有制定出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)提出相應(yīng)的計算方法。在波紋管換熱器中對管板進行設(shè)計計算時,設(shè)計人員一般是把波紋管簡化為相應(yīng)規(guī)格的光管,然后根據(jù)gb 1511999管殼式換熱器給出的方法計算,給波紋管換熱器的管板計算帶來相當(dāng)?shù)牟淮_定性。因為在結(jié)構(gòu)上,波紋管不同于光管, 波紋管的柔度比光管的大,而剛度比光管的小,其對管板的支撐與光管有所不同。波紋管的軸向剛度比光管的軸向剛度小得多,因而,管板的計算結(jié)果存在著某種不確定性。這在一定程度上影響了波紋管換熱器的應(yīng)用與發(fā)展。一般可通過試驗研究

40、得出波紋管的剛度。一些科研工作者開始嘗試用有限元方法求得工程上不同尺寸參數(shù)的單波波紋管的剛度。2設(shè)計任務(wù)及設(shè)計方案2.1設(shè)計參數(shù)與任務(wù)本次研究設(shè)計了一臺以某熱網(wǎng)加熱器為背景的熱網(wǎng)換熱器，熱水換熱能力達50mw。熱網(wǎng)換熱器的最重要的功能是將汽輪機做功后的蒸汽來加熱供暖用的循環(huán)水,可以將蒸汽經(jīng)過冷卻后變成水然后再回用。當(dāng)下的熱網(wǎng)換熱器大都使用管殼式的結(jié)構(gòu),換熱管則常用冷拔鋼管。通常循環(huán)水在熱網(wǎng)系統(tǒng)中只經(jīng)過了較為簡單的軟化與過濾處理，因此在換熱器的換熱管內(nèi)壁特別容易結(jié)垢。這樣就造成了傳熱效率的極大降低，設(shè)備也要經(jīng)常清理。此次設(shè)計熱網(wǎng)換熱器將換用波紋換熱管，很大程度上改良了管內(nèi)結(jié)垢的問題，效果不錯在實

41、際運行時。經(jīng)過閱讀資料選取了合理的設(shè)計參數(shù)：換熱器的換熱能力為 冷卻介質(zhì)（循環(huán)水）壓力取，進口的溫度為70，出口的溫度為的循環(huán)水加熱介質(zhì)（蒸汽）加熱蒸汽的壓力為，初始溫度；疏水為換熱器的設(shè)計壓力管程為，殼程為換熱器工作壓力管程為，殼程為 允許壓強降不大于2.2設(shè)計方案與操作條件2.2.1選擇設(shè)備的形式本設(shè)計此次是利用蒸汽的抽氣來加熱循環(huán)水。實際的工程中，通常用蒸汽作為熱源的時候，為了能充分的利用熱能，大都用水-水換熱器和汽-水換熱器的兩級換熱設(shè)備。但是本設(shè)計主要是針對汽水換熱器設(shè)備的設(shè)計，換熱器型式采用管殼式設(shè)備。管殼式的換熱器已經(jīng)是比較典型的換熱器設(shè)備，已經(jīng)擁有了悠久的歷史在工業(yè)應(yīng)用中，不僅

42、具有易制造、處理能力大、成本低、可供選用的結(jié)構(gòu)材料廣闊、換熱表面情況比較方便的優(yōu)點。同時還可用于調(diào)溫調(diào)壓場合，適應(yīng)性特別強，所以占了很大的優(yōu)勢在眾多的換熱器中。對管殼式的換熱器而言，在選其結(jié)構(gòu)材料的時候要依據(jù)換熱流體的腐蝕性特性來決定。再根據(jù)選擇的換熱的溫度差，材料加工性能，流體的壓強和溫度、安裝檢修、換熱器的熱負(fù)荷以及維護清洗的要求和經(jīng)濟合理性等綜合因素來確定換熱器的型式20。設(shè)計的管殼式換熱器選用的是固定管板式的類型。對于固定管板式的列管換熱器而言，其優(yōu)點很多：結(jié)構(gòu)簡單緊湊,殼體與管板為直接焊接，排管數(shù)最多在殼體直徑內(nèi)相同的情況下。因為有管板相互支撐在兩管板之間，所以加強了管板，因此在眾多

43、列管換熱器中固定管板式列管換熱器的管板是最薄的，并且造價是最低的，而且易于清洗。但它也有缺點，在清洗管外的時候較困難，需要設(shè)置膨脹節(jié)在殼體上，當(dāng)管壁與殼壁兩者之間的溫差大于50時，從而依靠膨脹節(jié)的彈性變形來降低溫差壓力。并且僅限在殼程流體壓強不大于600kpa和管壁與殼壁的溫差小于70的場合使用。當(dāng)膨脹節(jié)過厚的時候，導(dǎo)致難以伸縮從而會失去溫差補償?shù)淖饔?。波紋管是柔性元件,當(dāng)壓差和溫差較大的時候擁有自我補償?shù)哪芰? 從而管板以及筒體的應(yīng)力可大幅度的降低，不會輕易出現(xiàn)拉脫、泄漏的情況。所以膨脹節(jié)的設(shè)計部分在波紋管換熱器的設(shè)計中可以免去，制造成本會節(jié)省許多。后端的結(jié)構(gòu)采用固定管板結(jié)構(gòu)和封頭管箱類似，

44、前端管箱則選用的是b型封頭管箱。因為要提高流體的湍流程度和流速，強化殼程流體的傳熱，所以在管外空間經(jīng)常要裝設(shè)縱向的隔板或著是折流板。裝設(shè)折流板的作用除了能使流體橫過管束流動，而且還有防止管束震動與彎曲、支撐管束的作用。其裝設(shè)和縱向隔板相比不是很困難，裝設(shè)后還可以使流體橫向流過管束，從而增強促進傳熱的作用，所以得到了普遍的應(yīng)用。折流板型式有很多種：像弓形、扇形、盤環(huán)形、管孔形等。本設(shè)計中選用的是弓形折流板，因為弓形的折流板，不僅流體流動的死角很小，而且結(jié)構(gòu)也較簡單。2.2.2空間內(nèi)流經(jīng)的流體的要求在設(shè)計管殼式換熱器時，最開始要決定的是：走管程的是哪種流體，走殼程的是哪種流體。這些都需要遵循原則。

45、例如：1、適合在管內(nèi)空間（管程）通入的流體的特征：(1)流體的體積小 (2)不清潔的流體 (3)有壓力的流體 (4)與外界溫差較大的流體 (5)流體的腐蝕性強 21 2、適合在管間空間（殼程）通入的流體的特征：(1)當(dāng)兩種流體的給熱性能相差比較大的時候，值較小的流體適宜走管間 (2)若兩種流體的溫度相差比較大的時時候，值較大的流體適宜走管間 (3)飽和蒸汽 (4)被冷卻的流體 (5)液體的粘度大 (6)泄漏后危險性大的流體21。除此之外，對于容易析出結(jié)晶、淤泥、沉渣以及其它沉淀物的流體，通入一些較易清洗的流動空間，對于管殼式換熱器而言，管內(nèi)空間比較容易清洗。然而對于u形管和浮頭式的換熱器，管外

46、空間比較容易清洗。鑒于以上的原則，因為加熱蒸汽相比之下比較清潔，所以應(yīng)在殼程流過，這樣會利于冷凝液的排出；而循環(huán)水在受熱后比較容易結(jié)垢，放在管內(nèi)方便污垢的清理。并且在管內(nèi)流體維持高速比較容易，懸浮顆粒的沉積就會避免。初步采用以下方法設(shè)計流動空間：在管內(nèi)走循環(huán)水，管間走加熱蒸汽。2.2.3選擇流體流動方向在流體流動方向的選擇上采取以下方法：在換熱器殼程的上方飽和水蒸氣進入，然后從殼程的下方冷凝水排出，因為這樣不僅便于冷凝水的排放，而且對傳熱效率的提高也有利。對于冷卻水一般選擇從換熱器下方入口進入,然后排出從上方出口,這樣冷卻水流動中的死角可以減少,傳熱面積的有效利用從而提高。所以設(shè)計采用先逆后順

47、1-2型的換熱器。流動的方向如下圖所示：圖2-1 流體流動方向工藝簡圖3熱力計算3.1 熱量的分配計算 對于設(shè)計的換熱器的熱力計算方面，最主要地任務(wù)是在換熱器的進出口介質(zhì)和被加熱介質(zhì)以及換熱量都已知的前提下，去確定換熱器絕對符合的換熱面積，接著選取型號必須要合適的波紋管換熱器。此次設(shè)計是采用平均溫差法去完成熱力計算。 在實際工程中，當(dāng)用蒸汽做熱源的時候，通常會用水-水換熱器與汽-水換熱器兩級換熱設(shè)備。因為想充分的利用熱能，所以設(shè)計中循環(huán)水要先經(jīng)過了水-水換熱器加熱，然后再由汽-水換熱器對其進行加熱，故本設(shè)計采用了兩級換熱器串聯(lián)的型式。 本設(shè)計的參數(shù)如下：加熱介質(zhì)（蒸汽）加熱的蒸汽為壓力0.6m

48、pa初始溫度為280疏水的溫度為80冷卻介質(zhì)（循環(huán)水）壓力0.6mpa，開始時進口溫度為70，加熱后的出口溫度為120的循環(huán)水換熱器的設(shè)計壓力管程為1.0mpa，殼程為1.0mpa換熱器的工作壓力管程為0.6mpa，殼程為0.6mpa以下是與換熱計算有關(guān)的參數(shù)和符號：熱效率，取水的平均比熱容，取為 冷卻水進入汽-水換熱器的溫度,汽水換熱器中的冷凝溫度，；下的飽和溫度， 與飽和蒸汽進行熱量交換的冷凝水的溫度, 加熱蒸汽焓，由加熱蒸汽參數(shù)，查蒸汽熱物理性質(zhì)圖表， 汽-水換熱器出口凝結(jié)水焓,設(shè)計規(guī)定汽水換熱器出口凝結(jié)水為下的飽和水，查水蒸汽熱物理性質(zhì)圖表， 疏水焓，根據(jù)疏水參數(shù)查水蒸汽熱物理性質(zhì)圖表

49、， 汽水換熱器中飽和蒸汽焓，下的飽和蒸汽， 汽化潛熱，根據(jù)凝結(jié)壓力查取，汽-水換熱器和水-水換熱器串聯(lián)的加熱系統(tǒng)圖如圖3-1.圖3-1 加熱系統(tǒng)圖由已知參數(shù)計算：（1）流量的計算 進入換熱器的循環(huán)水量 蒸汽流量（2） 在汽水換熱器和水水換熱器串聯(lián)加熱系統(tǒng)中，循環(huán)水由水水熱交換器加熱后繼續(xù)進入汽水熱交換器的溫度 （3） 熱量的分配 汽水換熱器的傳熱量 水水換熱器的傳熱量3.2 計算平均溫差在換熱器中，蒸汽進入設(shè)備時是在比飽和溫度高的狀態(tài)下，然后在設(shè)備中先被冷卻到了飽和溫度的狀態(tài)，再在等溫下冷凝到飽和液的狀態(tài)離開設(shè)備。設(shè)計初步制定換熱器的型式為1-2型管殼式。其流體平行流時的溫度分布情況如圖3-2

50、所示圖3-2 流體平行流時溫度分布情況因為在換熱器中包含有冷卻段和冷凝段，所以將計算分成兩端的計算。在1-2型換熱器中因為存在折流板，所以流動不只是單純的逆流那么簡單，還需要對平均溫度進行修正通過溫度修正系數(shù)。(1)冷卻段與冷凝段的換熱量 冷卻段的換熱量 冷凝段換熱量(2)各段平均溫度的計算 首先冷卻段對數(shù)平均溫度： 選擇臥式換熱器。查取溫度的修正系數(shù)，根據(jù)無量綱參數(shù)p和r去查參考文獻1 查得取為0.95。然后冷凝段的對數(shù)平均溫度： 因為冷凝段存在相變，其中一側(cè)流體溫度沒變化，所以無所謂順流與逆流，因此不用對其進行溫度修正。最后由前面的熱量分配來計算整體的平均溫度： 4換熱面積的計算與管程結(jié)構(gòu)

51、的設(shè)計4.1換熱面的估算4.1.1換熱面積的初步估算波紋管換熱器的傳熱效率比較普通光管換熱器的要大很多，一般傳熱系數(shù)會高出大約23倍。例如在水-水換熱器中，波紋管的傳熱系數(shù)k就可高達20003600w/(m2·k);而在在汽-水換熱器中，傳熱系數(shù)會更高，k可高達30004500w/(m2·k)2。所以設(shè)計中根據(jù)以上數(shù)據(jù)初步去估計換熱面積的時候取k為3500 w/(m2·k)22。 根據(jù)傳熱方程 先初步估算傳熱面積為:因為考慮10%的面積富裕量，所以設(shè)計中估算的實際需要的換熱面積為：4.1.2設(shè)計單波距波紋管的結(jié)構(gòu)以及傳熱面積的計算圖4-1 波節(jié)式波紋管外形結(jié)構(gòu)波紋

52、管換熱器其實是基于管殼式換熱器總體結(jié)構(gòu)不變前提下，然后對換熱元件來進行開發(fā)設(shè)計，設(shè)計用薄壁奧氏體不銹鋼管來加工內(nèi)外均是波狀曲線的波紋管。查資料知波紋管其實分波紋管與波節(jié)管兩種不同型式。此次設(shè)計中采用波節(jié)式波紋管的型式。平時較常見波紋管的規(guī)格有d2(32)/d1(25)和d2(42)/d1(33)兩種規(guī)格，其中d2表示波峰的外徑，d1表示波谷的外徑。本設(shè)計中將采用d2/d1為42/33規(guī)格的波紋管，奧氏體不銹鋼作為其管材24。波紋管結(jié)構(gòu)圖如上圖4-1。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及外表面積的計算：波谷外徑波峰外徑壁厚平均外徑波高h(yuǎn)半波寬優(yōu)化設(shè)計中常取 , 設(shè)計取，即波距f優(yōu)化設(shè)計中常取,設(shè)計取，即波紋圓弧r波紋圓弧圓心角弧度波紋圓弧長圓弧部分面積a1基管部分面積a2一個波距的總面積a當(dāng)量管外徑de過度接頭采用壁厚為3mm的厚壁不銹鋼管，接頭鋼管的外徑為波紋管波峰外徑d2,42mm經(jīng)大量實驗研究，波紋管各尺寸的優(yōu)化關(guān)系3為： ；設(shè)計采用的波紋管中：,符合優(yōu)化設(shè)計要求4.1.3 計算管程的換熱面積 管程走被加熱水（第二章已分析） 管程定性溫度