换热器设计开题报告讲解.doc

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1、理工学院毕业设计(论文)开题报告 题 目： 气-液介质专用换热器设计 学生姓名： 石 静 学 号：09L0503216专 业： 过程装备与控制工程 指导教师： 郭彦书（教授） 2013 年 4月 8 日1文献综述1.1 绪论 换热设备是化工、炼油、动力、能源、冶金、食品、机械、建筑工业中普遍应用的典型设备。一般换热设备在化工、炼油装置中的建设费用比例达20%50%因此无论从能源利用，还是从工业的投资来看，合理地选择和设计换热器，都具有重要意义。在各种换热器中，由于管壳式换热器具有单位体积内能够提供较大的传热面积、传热效果好、适应性强、操作弹性大、易制造、成本低、易于检修和清洗等特点，因此应用最

2、广泛。管壳式换热器按结构特点分为固定管板式、U型管式、浮头式、双重管式、填涵式和双管板等几种形式。不同的结构各有优缺点，适用于不同的场合。本文介绍的是板式换热器1。1.2 管壳式换热器的特点管壳式换热器是由一系列具有一定波纹形状的的金属片叠装而成的一种高效换热器。换热器的各板片之间形成许多小流通断面的流道，通过板片进行热量交换，它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多。板式换热器的广泛应用，加速了我国板式换热器行业的迅速发展，但我国板式换热器设计与发达国家之间仍存在着不小的差距。板式换热器是以波纹为传热面，在流道中布满网状触电，流体沿着板间狭窄弯曲、

3、犹如迷宫式的通道流动，其速度大小和方向不断改变，形成强烈的湍流，从而破坏边界层，减少界面膜热阻，并使固体颗粒悬浮，不易沉积，有效地强化了传热，因此，它比管壳式等其他类型换热器具有很多独特的优点。第一，传热系数高，由于换热器的特殊结构及组装方式，使介质在流经相邻两板片间的流道时，流动方向和流速不断变化，在低流速下，形成急剧湍流，强化换热；第二，温差小，由于板式换热器具有较高的传热系数及强烈的湍流，可使热交换器的一、二次流体温度十分接近，温差趋近13；第三，热损失小，由于板片边缘及密封垫暴露在大气中，所以热损失极小，一般为1%左右，不需采取保护措施。在相同换热面积情况下，板式换热器的热损失仅为管壳

4、式换热器的五分之一，而重量则不到管壳式的一半；第四，结构紧凑，换热板片由薄的不透钢板压制而成，板片间距一般为4mm，板片表面的波纹大大增加了有效换热面积，这样单位容积中可容纳很大的传热面积（每立方米体积可布置250的传热面积），占地面积仅为管壳式的五分之一到十分之一。因此，体积小，节省安装空间。第五，适应性强，可根据产量及工艺要求，方便地增加或减少传热板片，亦可将板片重新排列，改变流程组合；第六，用途广泛，目前已广泛应用于化工、石油、机械、冶金、电力、食品、热水供应、集中供暖等工程领域，完成加热、冷却、蒸发、冷凝、余热回收等工艺过程中截止间的热交换；第七，操作灵活，维修方便，传热板片及活动压紧

5、板均悬挂在机器的横梁上，压紧板上方设有滚动装置，可方便地打开设备，进行清洗，并能取出一板片，进行检查或更换垫片2。一般来说，人字形波纹板片的传热效率高、流体阻力大、承压能力好。人字形波纹片之所以换热效率高，流体阻力降大，其原因是板间流道截面变化十分复杂，易诱发湍流，同时流体在这种多变得流道中流动会更多地消耗能量；而水平平直波纹板片的流道变化则类似于正玄曲线，所以传热系数和流体阻力降都较低3。1.3 管壳式换热器的发展及现状1.31国内情况尽管我国在部分重要换热器产品领域获得了突破，但我国换热器技术基础研究仍然薄弱。与国外先进水平相比较，我国换热产业最大的技术差距在于换热器产品的基础研究和原理研

6、究，尤其是缺乏介质物性数据，对于流场、温度场、流动状态等工作原理研究不足。在换热器制造上。我国目前还以仿制为主，虽然在整体制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片压制方面与发达国家还有一定的差距。在设计标准上，我国换热器设计标准和技术较为滞后。目前，我国的管壳式换热器便准的最大产品直径还仅停留在2.5米，而随着石油化工领域的大型化要求，目前对管壳式换热器直径已经达到4.5米甚至5米，超出了我国换热器设计标准范围，使得我国换热器设计企业不得不按照美国TEMA标准设计4。板式换热器的优化选型是根据换热器的用途和工艺过程中的参数和传热单元数NTU、温差比、选择板片形状、板式换热器的类型和结构。换

7、热器中常使用换热器的“传热面积”和“传热系数”术语，这是一种习惯的有特定含义的名称。因为换热器间壁两侧的表面积可能不同，所谓“换热器的传热面积”实际上是指约定的某一侧的表面积，习惯上一般把换热系数较小的一侧的流体所接触的壁面表面积称为该换热器的传热面积，相对于该传热面积，单位时间、单位面积、在单位温差下所传递的热流量，称为该换热器的传热系数，因此传热系数也是相对于约定的某一侧的表面积而言的5。目前板式换热器生产厂家均未提供凝结换热和沸腾换热的准则式，在进行板式换热器的设计选型计算时应注意以下一些问题：一般冷凝和沸腾均可在一个流程中完成，因此，相变一侧经常布置成单流程，液体侧可根据需要布置成单程

8、或多程。在暖通空调制冷领域，水侧一般也是单流程为多。对板式冷凝器，设计时一般不要使冷凝段与过冷段并存，因为过冷段的换热效率低，如果需要过冷，原则上应单独设过冷器。板式冷凝器及蒸发器设计同样存在一个允许压降问题。冷凝器内压降大，会使蒸汽的冷凝温度降低，造成对数平均温差小；蒸发器内压降大，会造成出口蒸汽过热度加大，两者都会使换热器面积加大，对换热是不利的。因此，在选择板式蒸发器时，应尽量选阻力较小的板片，且每台板片数不宜过多；尽量使供液分配均匀。板式冷凝器应采用中间隔板向两边分液的方法。在选型时，在无合适型号时可选常用的一般板式换热器。对使用在制冷空调设备上的板式换热器，由于制冷剂压力高，渗透能力

9、强，宜采用钎焊板式换热器。对于可拆卸板式换热器，垫片的密封性决定了整个换热器的性能。垫片经多次松开和压紧容易破坏，需要更换。板式换热器属于压力容器，必须定期检查，检查腐蚀状态，如有腐蚀，一经发现，必须修理；当腐蚀严重，不可能修复，必须更换新件。板件拆装时顺序不要搞错。此外，板式换热器应定期清洗6。一般情况下，两侧流体的流量及四个进、出口温度中的任意三个已给定，板式换热器的设计包括确定板型、板片尺寸、流程与通道的组合、传热面积等。在作设计计算时，设计者应具备以下资料;选范围以内的各种板片的主要几何参数，如单板有效换热面积、当量直径或板间距、通道横截面以及通道长度等；适用介质种类与使用温度，压力范

10、围；传热及压降关联式或以图形式提供的板片性能资料；所用流体在平均工作温度下的有关物性数据，主要包括密度、比热容、导热系数及粘度7。 1.32国外情况近年来，国外板式换热器发展的趋势是向大型化和多品种方向发展，如最大单片换热面积达4.75；单台最大换热面积已达2500；最多板数700片/台，最大单台处理能力为3635m/h；最高使用压力为2.8Mpa；最高工作温度为250；最低工作温度采用合成橡胶为-25，采用压缩石棉纤维垫片为-40，最高传热系数为7500W/.K。板式换热器有效传热的关键是板片和通道的设计。阿法拉伐公司采用GDA/CAM和数学模型，提供了新的板片技术。导流区位于板片顶部和底部

11、，新设计的导流区保证了流体均匀分布通过板片整个宽度，没有死点。对板片结构如通道的深度和形状、板厚和强度的改进，在板片主要传热区采用新设计的波形，使冲压均匀，且允许采用较薄的板材，同时在要求的压力降下产生最大的湍流，从而提高了传热效果。由于板面积极利用率高，所需板片数量减少，以及板片的减薄，显然降低了换热器的成本8。Muley和Manglik通过实验分析了多种板式换热器的数据，得到了一系列传热及流阻的综合关系式9。Mir-AkbarHesami通过两种板片从层流到紊流区的实验，在不改变波纹高度和波纹距离的条件下，比较60和45的波纹，指出对于60波纹人字形板片的努谢尔数和摩擦系数是45的2倍左右

12、10。板式换热器中流体的分布不均匀是影响板式换热器性能的一个主要因素。B Prabhakara Rao等人对板式换热器中不均匀流动做了分析研究。研究表明，在板式换热器流道中流速相等的假设与实验情况有很大出入。他们在实验基础上考虑了非均匀流动分布因素，建立了新的传热与流动阻力公式，其结果与实验吻合较好11。 1.4 管壳式换热器的发展方向近些年板式换热器主要研究方向之一是创新板型以及研究板的几何参数对流换热及流动的影响。板式换热器的板片结构千差万别，其设计的最终目的是要强化板片的换热效果、增加板面刚度、提高板式换热器的承压能力。理想的板型设计，不仅具有较大的传热面积、较低的压力降、较高的传热系数

13、，而且还应具有较好的刚性，以使很薄的板片在固定压紧板和活动压紧板夹紧力的作用下相互支承，以抵抗通道内不平衡压力对其产生冲击。为此，在板型设计中还要考虑支承点的合理分布以及加强筋的布置等。一块管板按功能可以分成导流部分、换热部分、密封部分、边缘支承以及悬挂定位等五个部分，其中换热部分是板片结构的核心，其结构形式主要取决于换热介质的性质，要根据传热学和流体力学设计确定12。目前，板式换热器设计、运行还是主要依靠实验研究。早在132年前，德国发明了板式换热器，直到1932年才开始成批生产铸铜沟道板片的板式换热器。1930年，研究出不锈钢波纹板型板式换热器，从此为现代板式换热器奠定了基础。通过实验研究

14、和应用实验表明，人字形的传热性和流阻特性效果优良，人字形的传热性和流阻特性效果优良，所以近几十年板式换热器大都采用人字形板片。板式换热器实物实验投资大，时间长，花费大量的人力，一些大型换热器及复杂工况条件下的换热器难以进行实验。故近年来，人们越来越热衷于采用计算流体力学手段对板式换热器进行数值模拟，而将CDF（计算流体力学）与实验有机结合在一起研究板式换热器是一种高效、经济的研究手段13。1.5 结语作为一种高效紧凑式换热器，在加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收过程中，除了高温、高压和特殊介质条件外，板式换热器均已替代管壳式换热器。经试验证明在板式换热器使用范围内，绝大多数工况时，用不锈钢板式换热

15、器与管壳式换热器的竞争会更加激烈。此外，我国板式换热器在实验研究和理论研究方面与国外先进水平相比仍然存在较大差距，所以仍需进一步加强板式换热器的研究。目前，我国换热器产业的市场规模大概360亿人民币。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。另外，航天飞行器、半导体器件、核电站、风力发电机组、太阳能光伏发电及多晶硅生产等高新技术领域都需要大量的专业换热器。展望板式换热器的未来，它会在更广泛的领域大有作为。2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径2.1本课题研究并解决的问题通过分析、确定气液介质换热器的

16、型式，对所选型式的换热器进行结构设计、工艺计算、强度计算，并对所设计的换热器从经济、技术等方面进行比较评价。根据给定设计条件对气-液介质换热器进行比较选型，确定结构。按给定设计条件进行气-液介质换热器的结构设计、工艺计算、强度计算根据不同的工艺条件和操作工况。2.2本课题拟采用的研究手段及途 根据生产需求确定设计方案，首先确定换热器的类型，安排合理的管程，其次确定物性数据，包括壳程和混合气体的定性温度，管程流体的定性温度，根据定性温度，分别査取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说，最可靠的物性数据是实测值，若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求

17、出混合气体的物性数据。然后进行传热面积的估算，包括计算热流量、平均传热温差、传热面积和冷却水用量。然后进行工艺结构尺寸的计算，包括计算管径和管内流速，管程数和传热管数，折流挡板的形状和间距的确定按单程管设计所需的传热管长度，以及传热管总根数等。最后进行热流量的核算，包括当量直径的计算，壳程流通截面积的计算，壳程流体流速及其雷诺数的确定，以及普朗特数和粘度校正的计算等。参考文献 1 于风叶，史红刚.管壳式换热器的设计原则.石油化工设计，2009（4）：1921 2 邵拥军，张文林.板式换热器的特点与优化设计.广州化工，2012（3）：40 3 蔡晓君，王利华.板式换热器的结构及应用.化工设备与管

18、道，2011（4）：1416 4 黄庆军，任俊超.中国换热器产业现状及发展趋势.石油与化工设备，2010（1）：58 5 程建.板式换热器的优化选型和新型板式换热器.技术交流，1994（5）：6973 6 邹同华，杜建通.换热器设计选型及使用中应注意的问题.建筑热能通风，1999（4）：4954 7 孙振巍.板式换热器的优化设计.工程技术，1994（3）：640641 8 周海成.板式换热器的技术进展及其应用.压力容器，1996（2）：8083 9 Muley，A. Manglik P.M.Experin ental Study of Turbulent Flow Transfer and P

19、ressure Drop in a plate Heat Exchanger with Chevro Plates.Joumal of Heat Transfer1999,121(1):110117 10 Mir-AkbarHessam，I .Thermo-hydraulic Performance of Crosscorrugated PlateHeat Exchanges.Departmenf of Mechanical Engineering，1996（6）：116123 11 B. Prabhakara Rao， P. Krishan Kumar Sarit K.Das Effect of flow distribution to the channel on the themal performa ance of a plate heat exchanger Chemical Engineering and Processing2002，41:4958 12 王雨，赵臣.板式换热器的板片结构组合形式及密封结构.现代制造工程，2007（1）：115117 13 赵晓文，苏俊林.板式换热器的研究现状及进展.冶金能源，2011（7）：5254指导教师意见： 指导教师： 年 月 日