新型板壳式换热器结构设计与换热分析-参考模板

毕业设计论文

姓名：李新会学号：2013402090318学院：能源与动力工程学院

专业：火电厂集控运行

题目：新型板壳式换热器结构设计与换热分析指导教师：金光远副教授

2016 年 6 月

摘要

换热器是一种在工业生产中，将冷热流体进行热量交换的设备，所以有被称为热交换器。

新型板壳式换热器与板式换热器和管壳式换热器具有许多相似的特点，因为板壳式换热器就是想着的结合而传造出来的新型换热设备。目前我们所使用的换热器早已经跟不上时代的步伐，满足聊聊科技几部所带来的大范围的设备革新。为了满足现状的要求，必须解决原有关键换热设备占地面积大、单台设备蘑量大、资金投人大以及能耗高的不足。大型板壳式换热器的出现克服了目前换热器的这一问题。它不仅适应了装置增加效率节约能源而且还跟上了化工技术飞速发展的需要。是新一代的换热设备。如今换热器经历了多年的发展，换热器的种类和样式日新月异。在无数人的努力之下，开发出多种多样的换热器设备。新型板壳式换热器无疑是其中最杰出的设计之一。换热器的发展历程曲折起伏，目前，仍然存在一些列的问题等待解决。

在本文中，我们队新型板壳式换热器进行了详细的的介绍。从他的发展背景，发展现状，结构性能上的特点，换热的原理及换热效率等等做了相关的描述。

关键词：换热器；换热效率；管壳

目录

第1章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2新型板壳式换热器 (1)

1.2.1 新型板壳式换热器的基本特征 (2)

1.2.2 新型板壳式换热器存在的问题 (3)

1.2.3 换热器的热工性能分析的研究方法 (4)

1.3换热器研究的目的和意义 (4)

1.4论文的主要工作 (5)

第2章三种换热器的性能及换热分析 (6)

2.1管壳式换热器 (6)

2.1.1管壳式换热器的总体结构 (6)

2.1.2 壳侧换热及阻力性能研究 (6)

2.2板式换热器 (7)

2.2.1 板式换热器的总体结构 (7)

2.2.2 板式换热器的性能特点 (7)

2.3新型板壳式换热器 (8)

2.3.1板壳式换热器的总体结构 (8)

2.3.2新型板壳式换热器的性能特点 (10)

第3章换热器的换热性能研究 (10)

3.1换热器中的场协同原则及它的应用 (10)

3.1.1对流换热的物理机制 (10)

3.1.2 对流换热中的场协同原则 (10)

3.1.3 换热器中的场协同原理及应用 (10)

3.2多管程换热器网络的最小温差分析与夹点设计 (10)

3.2.1多管程换热器网络分析 (11)

3.2.2多管程换热器网络的夹点设计 (11)

3.3自然循环换热器壳侧传热及流动的数值模拟 (12)

第4章板壳式换热器的相关研究 (13)

4.1新型板壳式换热器的结构以及换热过程 (13)

4.2 板壳式换热器的换热理论与原理 (13)

4.3热准则关系式及求解方法 (15)

结论 (17)

致谢 (18)

参考文献 (19)

第1章绪论

1.1 引言

换热器在上个世纪就已经被发明出来，直至今天，它的使用范围越来越广泛，涉及到的领域千差万别，尤其广泛使用于环工产业当中。随着科技的不断发展，换热器的研究并没有被世界遗忘，它忍让在各行各业中承担着重要的责任。人们也越来越看到他的价值所在。当工业的进步带来越来越多的问题，比如能源的浪费，人们从中看到巨大的可发掘的利益，越来越将眼光着重于节约能源之上。这也就导致换热器的研究越来越被人们重视起来。我国地大物博，但人口稠密，虽然资源总量较多，但人均可利用资源远远低于发达国家，所以，对于节约资源的问题，在我国就显得尤为重要。国家重视有光方面的研究与开发，实施了一项又一项相关的措施，以减少资源的浪费。可以说，换热器的研究牵动着我国最核心发展战略的一部分。

过去，换热器主要分为板式换热器板壳式换热器两种，它们各有各的优点，适用于不同的工况，各自在自己擅长的领域发展壮大，不断更新换代。然而时代发展至今，大型工业所能创造的利益相对较大，追逐利益的同时，人们将对换热器的研究方向转移到适用于大型化工业生产。而已有的两种换热器明显不能胜任这一工作，就在这一社会背景之下，板壳式换热器应运而生了。

板壳式换热器根本上来说就是管壳式与板式换热器的结合，即将原来的园管式板束换成板管的形式。自从这种形式的换热器问世以来，人们发现了其中所蕴含的更多的可能性，不断地致力于对它的完善与改进，渐渐地发展出越来越多的结构与形式。

目前，国内外的各个化工企业的新上装置以及新改造装置的规模越来越大。为了实现装置的大型化，就必须要解决一些原有得关键问题。传统的换热器形式由于结构的限制，造成装置笨重，占地广，难以移动，而且造成的能量耗损非常大。在增大其体型的情况下并不能带来令人满意的效率，为了满足现代化工生产的需要，板壳式这一新形式的换热器就越来越受到人们的关注，因为它的结构特点恰好可以用来生产大型设备，这也就解决了工业生产大型化装置的需要。它的特点也在进一步的实际应用中得以体现出来。它不仅效率高，结构轻巧，可大型化的同时占地面积小，做到了既节省专职费用的同时还能减少生产损耗。是新一代的伟大发明。

1.2新型板壳式换热器

板壳式换热器根本上来说就是管壳式与板式换热器的结合，即将原来的园

管式板束换成板管的形式。它的继承了一部分管壳式换热器和板壳式换热器的结构的同时也继承了他们的一部分优点，即高效紧凑、换热效率高、端部温差小、压降低、节省占地面积、节约工程及设备安装费用、节省装置操作费

用[1]。这样多的优点让它足以适应绝大多数的要求，在各种需求换热器的场合表现优异。是以成了当今世界最顶级的换热设备的形式。时代发展至今，大型工业所能创造的利益相对较大，追逐利益的同时，人们将对换热器的研究方向转移到适用于大型化工业生产，过去的两种换热器形式并不能适应时代大潮的发展，而又它们两种结合而产生的新一代的换热设备却能完全满足现代大型化工装置高效节能的要求，可谓相得益彰。

新型板壳式换热器之所以能迅速发展壮大，完全是优胜略汰的结果。对比其他两种换热器形式，它在方方面面都远胜于另两种换热器。它结构简单容易清理，这就使装置的结垢性降得很低，还因为结构简单而节省了空间，使它更容易装卸。它还可以适应高温高压的工作环境，所以，在很多环境下都能代替另两种换热器进行工作，而且效率都只高不低，这就使它的应用范围变得越来越广泛。

1.2.1 新型板壳式换热器的基本特征

新型板壳式换热器高效紧凑，换热效率高、端部温差小、压降低、节省占地面积、节约工程及设备安装费用、节省装置操作费用，是新一代的话热气设备，适合于各种大型化工生产的换热系统[2]。

新型板壳式换热器有别于其他换热器的地方在于在结构上使用了波纹板片取代了原本的传热元件，采用专用程控自动氩弧焊技术焊接板片，使半片的排列更严谨，更适合工况的运行，同时还把全焊接式的板束固定在压力壳之中，这使得整个装置的密封性能更加良好，安全性能更高。

新型板壳式换热器的板片采用的是新式波纹板片，它在流体流过时会形成静搅拌的效果，在流体流体流经波纹板片的时候形成湍流，提高换热器的传热效率。静搅拌形成的湍流对板片的切应力增加，能够有效地减少装置上的结垢，达到自动清理的效果，使设备长时间不必进行清理，变相提高了换热器的效率。

新型板壳式换热器在换热工作时达到了“纯逆流”换热，这样使得换热器的温差将比一般情况下小得多，这样就提高了换热效率。板壳式换热器由于板片可以拆卸，而且板束是平整的，所以他的结构设计相对紧凑，因此，达到相同的换热工作和换热量的同时，板壳式换热器的安装会比其他换热器的安装费用更低，而且体积更小，装卸便捷。新型板壳式换热器的板束安装在压力壳里面，有了压力壳的保护，时换热器密封效果更好，降低了发生事故的概率。正是这些更加合理的结构特点和更加优异的性能特点让新型板壳式换热器在各行各业的化工生产过程中占据了举足轻重的地位。

1.2.2 新型板壳式换热器存在的问题

大型新型板壳式换热器研制攻关的主要难点如下所述：

(1) 超大型新型板壳式换热器波纹板片开发及制造技术。如何保证与超大型新型板壳式换热器相适应的超宽板型的传热与流体力学性能，开发出高精度的模具和成型装备，而且还要求保证板片残余应力小、承压能力高、高强度、高成品率等特点，这就必然使研制的难度大大增加。

(2)建立专用焊接生产线，保证板片焊缝的密封性能及焊缝强度，同时又能满足大批量工业化板片焊接需要。

(3)大型板壳式换热器板束的整体结构设计，包括板束在轴向方向的热膨胀结构和板宽方向的柔性连接结构、均匀高效的进料分布器的结构、基于换热器性能分析和压力试验相结合的板束强度和刚度的研究、板束各部件连接的简洁性研究。

(4)高腐蚀性场合特种材料板片的成形、焊接技术和腐蚀性能研究。

(5)基于可靠性的超大型新型板壳式换热器的制造、检测技术及应用指南。

目前，我国已经可以进行大型换热器的研制，但是，仍然存在这一些技术性的难题等待我们不断克服。有些问题的解决治标不治本，只能从国外直接引进成型的设备，这无疑大大增加了大型换热器的研制成本，这与追求利益的根本背道而驰。大型换热器内流体流动和传热的原理特征具有明显的局限性，巨大的内部空间造成了流体可能会发生局部冷凝和整体冷凝。在大型换热器内实际混合物的冷凝过程介于整体冷凝和局部冷凝之间。在流体的入口段，目前的工艺条件在保证了较高的流速的同时，致使剪切力起到了主导的作用，同时流体截面的气、液两相相对混合较均匀，可以近似看成是整体冷凝。而流体的出口处，重力明显起主导作用，这时工艺条件则会造成两相分层，可以哦近似看成是局部冷凝。冷凝器设计软件的作用主要是运用冷凝侧当地的传热膜系数的准则方程，它可以对气相扩散阻力进行一些比较简单的矫正。但由于气液两相界面附近存在的气相浓度梯度，在扩散阻力得影响下降低了有效传热膜系数。尤其当它在比较低的热通量条件之下，会使当地的传热膜系数的准则方程的不确定度升高。因此设计软件不能反映混合物冷凝的实际传热过程。同时设计过程当中一般不会考虑壳程冷凝流体所具备的不均匀特性。换热器流道内的混合物冷凝（例如回流、涡旋、流动死区以及旁路等一些不可避免的现象）可能会造成实际流场发生偏离，原理理想流场。非理想流场的不确定性因素会使混合物冷凝器的性能大大降低。超临界混合组的研究分流体在换热器的传热与流动，由于试验手段的限制，在设计中只能使用纯物质的准则方程代替计算，导致超临界混合组实际工况会和实验数据相差较大。大型换热器对高效传热元件

的采用的原则中，设备运行的安全性往往占据很重要的地位，所以大型管壳式换热器通常采用光滑传热管来保证设备运行的安全可靠性，这导致大型管壳式换热器的节能效果并不明显，我们也许可以从其他方面入手进一步提升其节能性能。