螺旋折流板式换热器的设计毕业设计(编辑修改稿)

螺旋折流板式换热器的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

热器壳程对流给热系数，从而提高换热器的整体传热效率。 其次，由于流体与折流板表面相切接触，消除了因垂直阻挡而在折流板根部附近形成的回流区，能有效抑制污垢的积累沉淀，防止壳程结垢，延长换热器的有效使用周期。 此外，由于折流板对管束起到连续支撑作用，能削弱由于局部或整体横流而产生的管束诱发振动，降低换热器产生由于机械破坏而造成失效的可能性。 但是这样的理想螺旋面在实际加工中却存在很大困难。 一方面，由于螺旋面上每一点的法线方向都是变化的，不存在多个点同时处于具有相同法线方向平面的现象，因而折流板管孔的定位及加工都具有相当的难度，并且钻孔过程中折流板工件的空间定位及装夹对现有加工手段也是一个挑战；另一方面，在目前情况下实现具有工业规模理想螺旋面的整体成型，并且保证一定的加工精度同样具有相当的难度，而整体的连续螺旋面对换热器的整体工装也会造成很大麻烦。 所有这些因素的叠加效应就是导致螺旋折流板换热器的加工制造费用急剧增加，因而有必要开发理想螺旋面的替代结构，在不影响螺旋折流板换热器整体流动与传热性能的前提下，尽可能简化螺旋折流板换热器的加工制造过 程，以最大限度节省制造费用和材料浪费。 目前国内已经申报过的螺旋折流板列管式换热器有关专利已达 30 多项，大体上分成 非连续型螺旋折流板结构和连续型螺旋折流板结构两大类。 非连续型螺旋折流板换热器的结构特点是：由 2— 4 块四分之一壳横截面的扇形截面折流板搭建成一个近似螺旋面，间断状地自壳程进口处向出口处推进，实验表明这种形式的换热器螺旋折流板可以使壳侧流体呈近似螺旋流动，单位压降换热能力相对弓型折流板有很大提高。 但也正是由于 扇形折流板 是按与 壳程轴线 的一定角度首尾相接依次摆放 的， 相邻两块折流板的直边在顶部 交错对接 后露出了 一 个非常明显的缝隙，致 使 壳程介质在 两块折流板 间形成 短路漏流 ，实测证明如果 换热 器直径超过 1000mm 或者 换热 面积超过 20xx 平方米，其换热特性可能还不及采用弓型折流板结构。 连续型螺旋折流板换热器的 结构 特点是：折流板类似于常见的 输送 固相介质 的搅龙 ，其形状可以是自壳体进口向出口推进的完全螺旋面，使介质在壳体内做到相对连续平稳旋转流动，但折流板不能覆盖壳程的壳体中心区域，需要采取其它辅助结构来弥补换热损失，此外这类螺旋折流板换热器加工制造十分复杂，给产品的进一步 大型化和推广应用带来困难。 为了搞清螺旋折流板换热器换热效率不如弓形折流板结构的原因，专家学者对不同直径壳体、不同角度的螺旋折流板换热器进行了多次的模拟试验。 通过试验发现，大量介质从相邻折流板间形成的三角形空间短路通过，壳体直径越大短路越严重，因而严重削弱了换热效率。 为了确保壳程换热效率的提高幅度，近年来国内出现一些新型防短路螺旋折流板管壳式换热器的产品或构思，力图使壳程内介质以理想的螺旋流形式通过壳体。 大连海特炼油技术有限公司宋小平等人针对普通螺旋折流板管壳式换热器的弱点，分别将原扇形折流板在两侧直边处同 时加宽一排或二排管距宽度，相邻两扇形板的直边以交叉搭式接续，加宽部分重迭，由同一排或二排换热管穿过。 模拟结果表明，扇形折流板在两侧直边处同时加宽 5~10mm 后 ,短路现象仍然存在，加宽到一排至二排管距宽度后，壳程内介质以理想的螺旋流通过壳体 ,短路现象几乎没有。 这种交叉重迭搭接方式接续，可以对流经管束的介质起到良好的引导作用 ,减少两相邻扇形板直边交叉形成三角形空间的短路现象，确保换热效率的提高。 由于有同一排或二排换热管穿过相邻两扇形板 ,强化了管束刚性，避免了象限间分离的趋势，同时有重叠部分的螺旋折流板结构将起到 良好的防振效果。 抚顺机械设备制造有限公司李久生等人提出 双壳程螺旋折流板换热器的产品方案，其出发点是大直径换热器上选用单壳程螺旋折流板结构将会受到 25176。 40176。 螺旋倾角的限制。 由于影响传热系数高低的主要是雷诺数 Re，而介质的流速对 Re 起到了决定性的作用，大直径必然形成较大的流通面积，因此在流量一定的情况下，要想得到适宜的流速，就要选择较小的折流间距来保证一定的 Re 值。 采用双壳程相当于减小了壳体直径，在保证一定流速的情况下使得折流间距变大，从而得到了较大的螺旋倾角，解决大直径螺旋折流板换热器螺旋倾角小、传热 性能下降的弊病。 他们认为，一般换热器的双壳程结构大多应用在双管程换热器上，就是利用 1 块纵向隔板将壳侧分成双程，管束由管板、分程结构、内螺旋折流板和外螺旋折流板所组成，其中分程结构是由 1 个分程筒体和 1 块环形分隔板组成。 管箱分程也是采用了 1 个与壳侧相同直径的分程筒体，其一端焊接在管箱的端盖上，另一端用 4 个支撑板将筒体固定。 管程介质首先从管箱接管流入分程筒体内，再流经筒体内所包含的换热管到另一端管板处，然后返回到筒外的换热管，再流到管箱的分程筒体外从另一接管流出。 壳程介质也是先从壳体接管流入，由于分隔板的阻隔，介 质只能进入分程筒体至另一端管板处，再返回到筒外流至前端分隔板处，从另一接管流出 ,最终完成管 壳程介质的换热过程。 换热器的设计要求 随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。 为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。 完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求： （ 1） 合理地实现所规定的工艺条件； （ 2） 结构安全可靠； （ 3） 便于制造、安装、操作和维修； （ 4） 经济上合理。 本课题的设计任务 （ 1） 检索大量相关资料， 对本课题有一个整体的理解和思路。 （ 2） 筛选搜集的资料，对本课题的国内外研究动态有一个大致了解，自作一个设计大纲。 书写开题报告、文献综述和外文翻译。 （ 3） 根据课题进行工艺计算和结构设计 （ 4） 固定管板式换热器的主要部件强度计算、设计以及附件结构的选择。 （ 5） 绘制设计图、装配总图和部件图。 （ 6） 书写毕业论文。 2 换热器的简介 换热器的分类 适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 换热器按传热原理分类： （ 1）表面式换热器： 表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。 表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。 （ 2）蓄热式换热器：蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。 蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。 （ 3）流体连接间接式换热器：流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体 换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。 （ 4）直接接触式换热器：直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。 换热器按用途分类： （ 1）加热器：加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。 （ 2）预热器：预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。 （ 3）过热器：过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。 （ 4）蒸发器：蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。 按换热器的结构分类可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、 U 形管板换热器、板式换热器 等。 表 11 不同类型的换热器及其特性 类 型 特 点 间 壁 式 管 壳 式 列管式 固定管板式 刚性结构 用于管壳温差较小的情况（一般≤ 50℃），管间不能清洗 带膨胀节 有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 浮头式 管内外均能承受高压，可用 于高温高压场合 U型管式 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难 填料函式 外填料函 管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合 釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮 双套管式 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反 应器中 套管式 能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或 预热器 螺旋管式 沉浸式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液 体间换热 螺旋板式 可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回 收低温热能 平板式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体 干净 板壳式 板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高 混合式 适用于允许换热流体之间直接接触 蓄热式 换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回 收热能的场合 列管式换热器的工作原理 列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广 的一种换热器。 它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。 所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。 在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程列管式换热器。 列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。 这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。 由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管 箱等部件组成。 壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。 进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。 为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。 挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。 换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。 等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。 图示为最简单的单壳程单管程换热器 ,简称为 11 型换热器。 为提高管内流体 速度 ,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。 这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。 同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。 多管程与多壳程可配合应用。 螺旋折流板式换热器 折流板是提高换热器工效的重要部件。 传统换热器中最普遍应用的是弓形折流板，由于存在阻流与压降大、有流动滞死区、易结垢、传热的平均温差小、振动条件下易失效等缺陷，近年来逐渐被螺旋折流板所取代。 理想的螺旋折流板应具有连续的螺旋曲面。 由于加工困难，目前所采用的 折柳板，一般由若干个 1/4的扇形平面板替代曲面相间连接，形成近似的螺旋面。 在折流时，流体处于近似螺旋流动状态。 相比于弓形折流板，在相同工况下，这样的折流板（被称为非连续型螺旋折流板）可减少压降 45%左右，而总传热系数可提高 20%～ 30%，在相同热负荷下，可大大减小换热器尺寸。 虽然非连续螺旋折流板的加工技术比较成熟，在石化行业也已得到推广应用，但仍存在诸多不足之处。 例如，扇形板连接处成非光滑的锐角过渡，对轴向运动的流体存在反压，流体通过时的突然转向会造成能量损失，在螺旋角较大时能耗更严重；相邻两片扇形板 空间对接时，必须附加角接板才能填补缝隙，既费工又废料，又增大了流体的阻力。 相比之下，具有理想螺旋曲面的连续型螺旋折流板有着更好的传热与流动特性，但在实际应用时必须首先解决其加工难题。 东燕公司经过多年潜心研究，终于成功制作出连续螺旋折流板换热器。 螺旋折流板换热器基本原理及折流板形式： 螺旋折流板换热器的提出基于这样一种思想：通过改变壳侧折流板的布置，使壳侧流体呈连续的螺旋状流动。 因此，理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。 但是螺旋曲面加工困难，而且换热管与折流板的配合也较难实现 .考虑到加工上的方便，采用一 系列的扇形平面板 (称之为螺旋折流板 )替代曲面相间连接，在壳侧形成近似螺旋面，使壳侧流体产生近似连续螺旋状流动。 一般来说，出于加工方面的考虑，一个螺距取 2～ 4 块折流板，相邻折流板之间有连续搭接和交错搭接两方式，按流道又可分为单螺旋和双螺旋两种结构。 螺旋折流板式与弓形折流板式换热器 螺旋折流板式换热器较弓形折流板式换热器有以下几个特点： （ 1）介质在壳体内连续平稳螺旋流动，避免了横向折流产生的严重压力损失，因而具有压降低的特点。 （ 2）弓形折流板比，在同样的压降下，可大幅度提高壳程介质 的流速，从而提高 Re，使介质传热能力增大。 （ 3）于壳程介质螺旋前进，因而在径向截面上产生速度梯度，形成径向湍流，使换热管表面滞留底层减薄，有利于提高膜传热系数。 （ 4）横向折流方式比，不存在死区，在提高换热系数的同时，减少污垢沉积，热阻稳定，可使换热器一直处于高效运行状态。 （ 5）旋折流板对换热管的约束要强于弓形折流板，减。