螺旋板式换热器的设计.doc

长江大学毕业设计(论文)任务书学院（系） 机械工程学院 专业过程装备与控制工程 班级 装备10901 学生姓名 指导教师/职称 1 毕业设计(论文)题目：螺旋板式换热器的设计2毕业设计（论文）起止时间：2013 年3月20日2013年6月13日3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）毕业设计所需资料：（1）钱颂文.换热器设计手册M.北京：化学工业出版社，2002（2）史美中,王中铮.热交换器原理与设计M.南京：东南大学出版社，1989（3）潘国昌,郭庆丰.化工设备设计M.北京：清华大学出版社，1996（4）尾花英朗著,徐忠权译.热交换器设计手册M.北京：石油工业出版社,1982 原始数据：设计要求：换热器换热面积为20平方米;介质温度()工作压力（MPa）粗苯贫油进口180出口1651富油90140粗苯产量8.25吨/每天4毕业设计(论文)应完成的主要内容1）换热器发展概述2）方案设计3）换热计算4）结构设计5）换热性能预测及分析6）壳体的有限元分析5毕业设计(论文)的目标及具体要求毕业设计文说明书：字数不少于1.2万字或1.2万字篇幅的内容；翻译：与研究课题有关的译文不少于3千汉字（或2万印刷字符的外文原文的翻译）；阅读与研究课题相关的有代表性的参考文献资料15篇以上。绘图要求：（1）总装图1张， （2）零件图4张（3）实体图6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求 AutoCAD、Aspen Plus、Ansys上机200小时。任务书批准日期 2011 年 3 月 20 日教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2011年 3 月 28 日 指导教师(签字) 完成任务日期 年 月 日 学生（签名） III长江大学毕业设计开题报告 题 目 名 称 螺旋换热器的设计 院 （系） 机械工程学院 专 业 班 级 过程装备与控制工程10901班 学 生 姓 名 指 导 教 师 辅 导 教 师 开题报告日期 2011年4月19日 17螺旋换热器的设计1 题目来源题目来源于生产实际。2 研究目的和意义管壳式换热器是石油、化工、轻工、食品、冶金及动力等工业部门广泛应用的节能设备。相对水- 水管壳式换热器而言，一般壳程流体流速较低，换热热阻较大，因此增强壳程换热效果显得尤为重要。近年来，人们采用各种各样的管束支撑结构来改变壳程流体的流动形态，以求增强壳程换热。其中螺旋折流板支撑结构以其高效传热、低流阻的特点得到了人们的广泛关注。螺旋流换热器是一种利用流体的涡旋流动来强化壳程传热的换热设备。涡旋流动是流体沿一定螺旋角方向的曲线运动，因而是一种以较少能量克服流动阻力的运动方式，在换热器中采用螺旋折流板结构时，可使壳程流场与温度场实现协同而获得较高的强化传热效果。换热设备按照其功能可命名，如冷凝器、蒸发器、再热器、过热器等，按换热部件的特点可分为：管壳式换热器、翅片管式换热器、板式换热器（包括板片式换热器和板翅式换热器）。对于各型换热器的强化换热技术的研究，主要集中在对换热器内流体流态变化以及对各部件的参数优化研究两方面，而对换热器部件参数的主要研究对象就是换热管（板）排列方式（顺排或叉排）、换热管（板）排数、换热管（板）间距大小、肋片布置间距、肋片形状等。通常的研究方法包括：数值模拟计算、实验方法研究、理论研究三类 本文通过设计一种合理结构的螺旋换热器，可以大大提高换热效率，节省能耗，因此，具有明显的经济效益。是一种高效的换热元件，广泛应用于各种换热设备中，不仅可以强化传热，而且可以减少流动阻力，热效率比较高。3 阅读的主要参考文献及资料名称【1】郭丙然最优化技术在电厂热力工程中的应用M北京：水利电力出版社，1986【2】马重芳，顾维藻& 强化传热M( 北京科学出版社)【3】张敏.唐晓初螺旋扭曲椭圆扁管的数值模拟期刊论文-制冷空调与电力机械 2011(1)【4】金晓明.高磊.张莹莹.王娜.王旭光无折流板扭曲扁管热交换器传热与流阻特性试验研究期刊论文-石油化工设备 2011(1)【5】鲍伟.马虎根.张希忠流体在螺旋管内对流换热和压降性能的数值模拟期刊论文-上海理工大学学报 2011(1)【6】于洋.朱冬生.曾力丁.邹静扭曲管强化传热性能实验研究期刊论文-化学工程 2011(2)【7】杨胜.张颂.张莉.徐宏螺旋扁管强化传热技术研究进展期刊论文-冶金能源 2010(3)【8】刘庆亮.朱冬生.杨蕾螺旋扭曲扁管换热器的研究进展与工业应用期刊论文-流体机械 2010(3)【9】马程华扭曲片管强化传热技术在SRT-型裂解炉上的应用试验期刊论文-中外能源 2010(10)【10】杨胜.张莉.徐宏.赵力伟螺旋扁管管外蒸汽冷凝双侧强化传热试验研究期刊论文-低温与超导 2010(10)【11】罗朝阳管壳式换热器强化传热技术的研究与进展期刊论文-化学工程与装备 2010(10)【12】金弋螺旋隔板换热器研究进展期刊论文-化肥设计 2009(2)【13】李安军.邢桂菊.周丽雯换热器强化传热技术的研究进展期刊论文-冶金能源 2008(1)【13】刘敏珊.宫本希.董其伍.Dong Qiwu 螺旋扁管的换热性能研究期刊论文-石油机械 2008(2)【14】刘乾.刘阳子管壳式换热器节能技术综述期刊论文-化工设备与管道 2008(5)【13】高学农.邹华春.王端阳.陆应生高扭曲比螺旋扁管的管内传热及流阻性能期刊论文-华南理工大学学报（自然科学版） 2008(11)【14】李安军.邢桂菊.周丽雯换热器各种管束支撑的结构与传热性能期刊论文-化工设备与管道 2008(2)【15】卿德藩.邹家柱螺旋扁管在油冷却器中的污垢特性实验研究期刊论文-电站系统工程 2008(2)【16】卿德藩.段小林.刘尹红扭曲扁管在蒸发器中的运行特性实验研究期刊论文-化学工程 2008(7)【17】高鹏.王晨.桑芝富螺旋扁管换热器温度串级模糊控制试验研究期刊论文-石油机械 2008(11)【18】卿德藩.邹家柱螺旋扁管冷凝器强化传热评价与应用期刊论文-流体机械 2007(1) 【19】lncropera and de Witt, Fundamentals of heat and mass transfer, Wiley ed., (1990).【20】J. F. Durastanti, Mod61isation dun systhme thermique complexe: la centrale THEK 2, Thsede doctorat de lUniversit6 de Provence, (1985).【21】Zienkiewicz and Morgan, Finite elements and approximation, Wiley ed., (1983).【22】Sedriks, A.J.: Stress corrosion cracking of stainless steels. In:Stress corrosion cracking. ASM, Materials Park (1992)【23】 1.V. Ya. Galtsov and V. M. Korotaev，AuthorsCertificateNo.370444,Otkrytiya,Izobreteniya,Promyshiennye Obraztsy,Tovarnye Znaki, No. 11 (2006).4 国内外研究现状和发展趋势4.1 国内换热器研究现状我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽机装置中的航天火箭上的冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。他的主要功能是保证工艺过程对戒指所要求的待定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器即可是一种单元设备，如加热器、冷却器等，也可是工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换热的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。4.2 国外研究现状美国传热研究（HeatTransferResearchInc.）即HTRI，是1962年发起组建的一个国际性、非赢利的合作研究机构，会员数百家，遍及全球，取得了大量的研究成果，积累了换热器设计的丰富经验，在传热机理、两相流、振动、污垢、模拟及测试技术方面作出了巨大贡献。近年来，该公司在计算机应用软件开发上发展很快，所开发的网络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算精度准确，不仅节省了人力，提高了效率，而且提高了技术经济性能。目前国内有近20家成为HTRI会员。 英国传热及流体服务中心（HeatTransferandFluidFlowService）即HTFS，于1967年成立，隶属于英国原子能管理局。该中心有会员数百家，长期从事传热与流体课题的研究，所积累的经验和研究成果不仅广泛用于原子能工业，而且用于一般工业。它最大特点是与各大学和企业合作，进行专门的课题研究，研究成果显着。在传热与流体计算上更精确，开发的HTFS、TASC各类换热器微机计算软件备受欢迎，国内有30多家企业成为会员。4.3 发展趋势在二十世纪初，对于管壳式换热器的开发设计就被科学家提出，当时对于这种新型的换热设备开发设计的目的是为了满足大型电厂对在较高压力操作环境下运行的需要。经过近一个世纪的发展，对于管壳式换热器设计生产制造已经有了质的飞跃，其已经拥有比较完善的设计和生产加工方法，同时其工作性能可以较好地满足各种工艺需要。其中Bell-Delaware设计和Tinker的流路分析法是工艺设计领域地位最高的两种方法。但是，随着高科技手段在换热设备之中不断引入，对于换热器在特殊环境下的适应性的要求越来越高，而且对于设备本身的结构设计要求越来越苛刻，但是管壳式换热器所具备的优势越趋明显，因为其本身的设计初衷就是为了满足在这些苛刻的工作条件。换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计,在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂中占全部工艺设备的40%左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明,虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64%。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明,列管式换热器已进入一个新的研究时期,无论是换热器传热管件,还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变,其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。5 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路5.1 毕业设计(论文)应完成的主要内容1）换热器发展概述2）方案设计3）换热计算4）结构设计5）换热性能预测及分析6）壳体的有限元分析5.2 毕业设计(论文)应知的研究方向5.2.1 旋风除尘器的优点换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性模拟。两相流的物性基础来源于实验室实际工况的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在实验手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更精确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。5.2.2 分析设计的研究分析设计是近代发展的一门新兴学科，美国ANSYS软件技术一直处于国际领先技术，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能更方便、快捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动强度。5.2.3 大型化及能耗研究换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000m2，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50以下。5.2.4 强化技术研究各种新型、高效换热器逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。5.2.5 新材料研究材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrMo钢材料将实现不预热和后热的方向发展。5.2.6 控制结垢及腐蚀的研究国内污垢数据基本上是20世纪6070年代从国外照搬而来。四十年来，污垢研究技术发展缓慢。随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。通过对污垢形成的机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破。保证装置低能耗、长周期运行，超声防垢技术将得到大力发展。腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术成为主导。6 完成毕业设计所必备的工作条件及解决办法6.1 完成毕业设计所需的工作条件复习大学四年所学的有关力学和过程装备及计算机等专业知识，学习有关换热器及其各个零件的加工、制造和装配知识，结合三次生产实习及实践和市场考察，充分了解与换热器有关的设计知识，通过科学的组织调研，计算分析，设计，绘图，从而把方案设想转化为设计思路及方法，可以加工为产业产品。6.2 工具书与计算机辅助设计软件化工设计手册和化工汉英词典、AutoCAD2007 Solidworks ANSYS 等等计算机辅助软件。7 工作的主要阶段、进度，与时间安排第一周 3月15-21日 选题，定毕业设计第二周 3月22-28日 查找资料，外文翻译第三周 4月1-18日 写开题报告第四周 4月19-26日 撰写开题报告找老师修改第五周 4月27-30日 螺旋换热器的设计第六周 5月1-6日 螺旋换热器的设计第七周 5月7-14日 螺旋换热器的设计第八周 5月15-20日 学习相关软件第九周 5月21-25日 做出设计方案第十周 5月26-30日 绘制零件图与装备图第十一周 6月1-5日 撰写毕业论文并修改第十二周 写毕业论文及修改审查8 指导老师审查意见 长江大学毕业设计指导教师评审意见学生姓名专业班级装备10901班毕业论文(设计)题目螺旋板式换热器的设计指导教师职 称评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见：指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业设计评阅教师评语学生姓名专业班级装备10901班毕业论文(设计)题目螺旋换热器的设计评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业设计答辩记录及成绩评定学生姓名专业班级装备10901班毕业论文(设计)题目螺旋换热器的设计答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)螺旋板式换热器的设计摘要 摘要 螺旋板式换热器是一种低压将换热器，虽然螺旋板式换热器在国内的应用越来越多，但很多工艺计算往往以来外国公司，主要原因是实验数据少，不足以归纳出螺旋绕流流动和传热关联式。本论文针对螺旋板式换热器，采用计算与数值模拟的方法研究其壳程流体的换热性能和流动阻力，提出螺旋流流动传热系数及阻力关联式，丰富流体流动和传热理论，并为螺旋板式换热器的工程设计和应用提供参考。在计算方面，设计了不同进出口液体的温度，得到了热液体在定性温度下，热贫油与热富油的物理参数，做了传热工艺等计算。为了改善外壳与螺旋板的连接结构，提高外壳的承压能力，设计了由两圈环组合焊接而成的圆筒作为螺旋板式换热器的外壳，又通过合理的焊接，有效避免了角焊接的存在，提高了可拆式螺旋板换热器的结构可靠性。在数值模拟部分，利用CFD软件，分析了圆形、椭圆形、方形和棱形定距柱螺旋通道的传热及流动特性，并将其综合性能进行了比较。数值模拟结果表明：1）三角形排列沿长轴绕流时的椭圆形定距柱螺旋通道的综合性能高于圆形定距柱螺旋通道的综合性能，当a/b=2.02.5时，椭圆形定距柱螺旋通道的综合性能指数最高；2）对于沿长轴绕流时的椭圆形定距柱，三角形排列时的综合性能高于正方形排列时的综合性能；3）沿长轴绕流时的综合性能高于沿短轴绕流时的性能；4）在同样的排列方式，方形和棱行螺旋通道的综合性能均不如圆形定距柱螺旋通道的综合性能。综合计算结果和数据模拟结果，椭圆形定距柱螺旋板式换热器的综合性能优于圆形距柱的综合性能，在a/b=2.02.5时综合性能最优。关键词 螺旋板式换热器 强化传热 定距柱 压力降 数值模拟The design summary of the Spiral plate heat exchangeAbstract Spiral plate heat exchanger is a low pressure heat exchangers,although more and more spiral plate heat exchangers are being applicated in the country,but many technology are relying on the computing technology,the main reason is that the experimental datas are so less ,which can not enough to sum up the flount of the spiral arounding flow .In In this thesis, the main purpose is to research spiral plate heat exchangers, wei use computational methods and numerical simulations to study the shell-side fluid flow resistance and heat transfer performance ,of which proposed helical flow resistance of flow and heat transfer coefficient and the relational, rich fluid flow and heat transfer theory, and spiral plate heat exchanger for the engineering design and application of reference. In computing terms, the design temperature of the liquid of different export obtained qualitative temperature hot liquid, hot lean physical and thermal parameters of the oil-rich, so the heat transfer process and other computing. In order to improve the connection between the shell and the spiral plate structure, improve the ability of the pressure shell, designed by the combination of two laps ring welded cylinders as spiral plate heat exchanger shell, but also through reasonable welding, effectively avoiding the fillet weld presence, improved detachable spiral plate heat exchanger structure reliability. In the part of computer calculation ,it is carried ou