波纹管汽水换热器的设计

1、中国矿业大学徐海学院本科生毕业设计姓 名： 学 号： 学 院： 中国矿业大学徐海学院 专 业： 热能与动力工程 设计题目： 50mw波纹管汽水换热器的设计 专 题： 指导教师： 职 称： 2015 年 6 月 徐州中国矿业大学徐海学院毕业设计任务书专业年级 学号 学生姓名 任务下达日期：2014 年 12 月 20日毕业设计日期： 2015 年 1 月 20 日至 2015 年 6 月 10日毕业设计题目：50mw波纹管汽水换热器的设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：内容：本课题以50mw波纹管壳式汽-水换热器的设计为主要内容。从换 热器的设计选型、热力计算、水力计算以及强度校核方面

2、设计一 台50mw的波纹管壳式汽水换热器。要求：1、在本文设计过程中，搜集、查阅大量的中外文书目、文献等， 并对这些资料进行分析和综合，完成一定量外文翻译； 2、在此基础上，完成对波纹管换热器的设计、计算及校核； 3、绘制所设计的波纹管换热器的结构图及相关的零件图； 4、形成一万字以上的论文。指导教师签字：郑 重 声 明本人所呈交的毕业设计，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业设计的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕

3、业设计的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 中国矿业大学徐海学院毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 中国矿业大学徐海学院毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学徐

4、海学院毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可或缺的设备。自70年代爆发了能源危机，对传统换热器设备的强化研究逐渐兴起，换热器作为一种传热设备，被广泛地应用于炼油、化工、轻工、制药及城市的集中供暖等领域，是工业生产中不可缺少的设备。特别是管壳式换热器约占全部换热器的70%左

5、右，它比较容易清洗，易损件易于更换，满足几乎所有的场合，包括特别低和特别高压力、温度、大的温差，蒸发与凝结以及严重污染和具有腐蚀性流体的情况。而近年来出现的波纹管换热器早在20世纪70年代，就有人提出将波纹管作为换热管用于管壳式换热器上，波纹管换热器是在传统管壳式换热器的基础上，采用强化传热原理研制开发的一种高效设备。它不但继承了管壳式换热器的优点，克服了其缺点，还具有体积小、传热系数高、防垢的特点，具有很强的实用性，有更为广泛的应用领域，被广泛应用于汽-水、水-水换热场合。本文以波纹管为元件，对某集中供热工程中使用的波纹管汽-水换热器进行了结构设计、选型，热力计算，流动计算以及强度校核。关键

6、词：换热器； 选型； 热力计算； 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 录1绪论11.1前言11.1.1波纹管换热器的起源11.1.2波纹管换热器的现状21.1.3波纹管换热器的应用前景21.2波纹管换热器的特点31.2.1波纹管换热器的结构特点31.2.2波纹管换热器的

13、传热特点41.3波纹管换热器的适用范围81.4波纹管的成型及结构81.4.1波纹管成型机制的研究81.4.2波纹换热管的波形确定81.4.3波纹换热管的结构及连接形式91.5 波纹换热管的材料选用及设计研究进展91.5.1波纹管材料的选用91.5.2设计研究进展102设计任务及设计方案112.1设计参数与任务112.2设计方案与操作条件112.2.1选择设备的形式112.2.2空间内流经的流体的要求132.2.3选择流体流动方向133热力计算143.1热量的分配计算143.2计算平均温差164换热面积的计算与管程结构的设计184.1换热面的估算194.1.1换热面积的初步估算194.1.2设计

14、单波距波纹管的结构以及传热面积的计算194.2管程布管方式的选取234.3设计管箱的接管264.3.1设计接管尺寸264.3.2选取合适的管箱接管位置274.4设计壳体285设计壳程的主要结构295.1设计折流板295.1.1折流板的型式设计295.1.2壳程内流动空间的布置315.2壳程进出口接管的设计325.2.1计算接管尺寸325.2.2接管最小位置的选取335.3管板设计345.3.1管板结构的选型345.3.2管板最小厚度的确定355.3.3管箱与管板的密封结构365.3.4管板尺寸的选取375.4管板分别与管子、壳体的连接385.4.1管板与壳体的连接385.4.2管板与管子的连接

15、396换热系数的计算以及换热能力的校核416.1管程对流换热系数的计算416.2管间换热系数的计算426.3总传热系数的计算：436.4换热能力的校核446.4.1实际换热能力的校核446.4.2壁温的校核447流动阻力的计算448强度校核478.1强度校核的标准478.2波纹换热管强度校核的参数498.2.1 设计的参数498.2.2材料的性能参数508.2.3计算的参数518.3校核四种危险组合压力下的工况608.3.1计算的工况一608.3.2计算的工况二638.3.3计算的工况三668.3.4计算的工况四709设计的其他零件749.1管箱封头设计749.2拉杆及定距管的设计759.2.

16、1拉杆的结构与尺寸的设计759.2.2定距管尺寸的选取77 9.3防冲板的设计779.4分程隔板的设计789.5排液和排液口的设计799.6支座的设计8010设计的评价8110.1设计的流程8210.2设计的评价8310.2.1设计的意义8310.2.2设计过程的评述和说明84参考文献85翻译部分87 英文原文88 中文译文105致谢120中国矿业大学徐海学院2015届本科生毕业设计1绪论1.1前言1.1.1波纹管换热器的起源管壳式换热器是目前应用最广的换热设备。由于它结构坚固,维修方便, 不易堵、漏,密封周长短,材料的选择范围较广,因此它的适用范围大,尤其是在高温、高压领域,是其它换热器无法

17、替代的。与其它品种换热器比较,管壳式换热器的最大缺点是传热效率低。例如,对于水一水换热,传统的管壳式换热器k 值范围一般为11502230w/ m2 ,板式换热器k值为15004700w/ m2 ,螺旋板式为20003000w/ m2。自70年代能源危机爆发以来,对传统换热器设备强化研究逐渐兴起,并主要集中在两大方向上；一是开发新的换热器品种,如板式、螺旋板式、振动盘管式、板翅式等等,这些换热器设计思想都是尽可能地提高换热效率；二是对传统的管壳式换热器采取强化措施。具体说来,就是用各种异型管取代原来的光管。现在较常用的有螺旋横纹( 螺纹管)、横槽纹管、缩放管、内翅管及管内插入强化物质等。以上各

18、种异型管其换热效率较光管一般提高40% 80% ,而且已在不同场合得到应用。其中应用最广泛的螺纹管已有相应的国家标准。早在70 年代,曾有人提出用波纹管作为换热管用在管式换热器上并出现在教科书上。按流体力学观点分析：在波峰处流体速度降低、静压增加、在波谷处流体速度增加、静压减少, 这样流体的流动是在反复改变轴向压力梯度下进行,产生的剧烈漩涡冲刷了流体的边界层,使边界层减薄。由于波纹管可做成相对流线型,流体阻力不会有太大的增加。因此, 用波管作换热管从理论上讲应优于其它异型管。数十年来,先后开发了各种仪表弹性元件、电沉积波纹管、波纹膨胀节、滚压成形波纹管等产品。同时,也包括这些波纹管制造技术和工

19、艺装备。1990 年,波纹管式换热器问世了。沈阳仪器仪表与沈阳远达管道技术研究所合作试制了三台新型换热器,一台安装在沈阳热力公司所属浑河供热所第一小区供热站,另两台安装在和平房屋开发公司所属和平大街锅炉房试运行。1990年12月15日到1990年12月31日期间,由沈阳市技术监督局所属沈阳市能源标准计量所对该产品进行现场测试,结果表明,其应用效果完全达到了设计要求。于1991年3月16 日通过了由原机电部三装司组织的专家鉴定。1.1.2波纹管换热器的现状波纹管式换热器在研制、开发阶段主要针对水一水换热。水一水换热器设计、生产、质量已基本稳定。近年来,板式换热器发展速度很快,技术上也得到不断更新

20、, 主要在板型、密封胶带、安装形式等方面作了重大改进。因此,只要温度、压力不是很高( 低于200 、1.6mpa),用板式换热器工程造价低,运行成本低(由于它是全逆流的),换热能力不仅传统管壳式换热器无法与之相比, 波纹管式换热器也相形见拙。然而板式换热器还存在维修工作量大、易堵、易漏等缺点,因此,用于水一水热交换时板式换热器还可与波纹管换热器争一席之地,但用于汽一水其它介质热交换, 波纹管换热器则显示出强大的生命力。 1990 年，作为试验产品做了四台，水一水换热占100%；1991 1994 年,产量、产值逐年递增。但水一水换热器比重越来越小。1991年占60%，1992 年占30%，19

21、93、1994 年均占20%左右。根据市场需要，已开发出新品种用于不同行业中：煤气站汽化( 汽一油换热) 、电厂首站( 汽一水换热)、油田输油管道加热( 汽一油换热) 、贮藏设备制冷( 液一液换热) 、宾馆、居民楼供生活热水( 汽一水加热) 、海水热交换( 汽一海水换热及海水一水换热)等。1.1.3波纹管换热器的应用前景目前,市场上流行的换热器有管壳式(含固定管板式、浮头式、u 型管式各种强化型列管换热器)、板式、振动盘管式、板翅式、螺旋板式等等。从历史上看,管壳式换热器一直占有主导地位。板式换热器刚问世时, 由于其传热效率高、造价低曾风行一时, 但不久人们发现,由于板式换热器结构所限,不可能

22、应用在高温、高压条件下。即使在低温、低压时, 许多工厂也不愿采用。原因很简单,板式换热器大修周期短,工作量大,易泄漏。如因一台换热器维修导致全线停产是得不偿失的。同样, 螺旋板式、振动盘管式、板翅式换热器也存在各种类似的问题。因此,人们只好将注意力转移到管式换热器强化传热研究上来。据有关资料报导, 到80 年代末期,日本、欧、美等发达国家,强化型管壳式换热器已占25% 以上,而在我国各种各样的异型管强化换热器均处在研究、试制阶段,市场占有率3% 都不到。迄今为止,波纹管式换热器优于其它各类强化型换热器,在管壳类产品中,传热效率是最高的,因此可以说该产品应用前景是十分广阔的。为扩大该产品应用领域

23、,在市场上有更强的竞争能力,应进行如下几方面工作:(1) 换热器结构优化设计将cad 技术引入换热器设计上。用户越来越关心能用最少的投资提取到最可靠、最能发挥效能的产品。优化后的结构形式应保证各部件布局合理,能耐各种冲击又不浪费原材料,管内管外换热能力匹配, 与其它辅助设备(水泵等)浑然一体,最大限度地发挥出换热器效能。(2) 建立各种介质传热数学模型目前,只有水一水、汽一水、汽一油(极个别的油介质)有较完整的数学模型。实际上遇到的换热介质有上百种,为此,目前我所已立项研究。(3) 不锈钢不应是波纹换热管唯一材料,不同场合应采用不同材料一例如在无腐蚀介质时,完全可以采用碳钢管,对于海水换热应用

24、钛、329#不锈钢、海军黄铜等。(4) 将各种腐蚀防护技术引入换热器生产中,以提高换热器使用寿命。总之,波纹管式换热器是一个全新的产品,需要集体的力量使它得以发展。只要发展的路子是健康的,它的生命力将是非常强大的。1.2 波纹管换热器的特点1.2.1波纹管换热器的结构特点波纹管换热器属于列管式换热器，它由壳体、管束、管板和封头等几部分组成。在壳体内安装有6块或不等的折流挡板, 不仅可防止流体短路、增加流体速度,而且还可以迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍流程度增加。波纹管的结构见图1。波纹管换热器的列管采用钛材质波纹管,非普通直管,其特点为：(1) 热效率高。由于换热管采用波纹形式,管内

25、流道截面连续不断地突变, 造成流体即使在流速很低的情况下也始终处于高度湍流状态,难以形成层流, 使对流传热的主要热阻被有效地克服,管内外传热被同时强化,因而传热系数很高,一般为直管式的23倍。(2) 防垢能力强。由于流道内流体的高度湍流,使流体中的微粒难以沉积结垢,即使有少量垢生成,由于波纹管上存在管壳程温差应力而产生的应变,使具有弹性特征的波纹管曲率发生微观变化,从而使波纹管换热器具有自然防垢和自然除垢的能力。介质在管内外强烈湍流对管壁冲刷强烈,另外波纹管表面的光滑弧线也能抑制水垢的生成和生长。(3) 波纹管属柔性元件,在温差和压差较大的场合下具有自我补偿能力, 可大大降低管板和筒体的应力,

26、不易拉脱、泄漏(4) 采用优质的钛材料,设备抗腐蚀能力高,设备使用寿命长。(5) 体积小,占地面积小,运行维护费用低。(6) 独特的完全自由成形工艺, 没有强烈形变,无晶间缺陷,应力分布均匀。图1-1 波纹管结构图1.2.2波纹管换热器的传热特点1、传热原理:化工生产中的物质间热交换常遇到的是温度不太高的流体间的热交换, 热量自热流体传到间壁表面的一侧,自间壁另一侧表面传给冷流体,以对流传热为主。对流传热是在流体流动的过程中发生的热量传递现象,所以和介质流动的情况密切相关。在湍流流动的情况下, 流体主流中由于旋涡丛生,流体各部分相互混合,所以热阻很小,从而在流体流动方向垂直的截面上, 湍流中心

27、区各点流体之间的温度趋于一致。但在紧靠壁面处,总有一层流体膜顺着壁面作层流流动,称为层流底层。由于通过这层流体膜的传热是以导热方式进行的, 所以流体膜虽薄,却是对流传热的主要热阻,温度降也主要集中在层流底层中。图1-2 对流传热时沿热流方向温度分布情况图1-2为对流传热时沿热流方向的温度分布情况示意图。图中f1f1与f2f2 为层流底层的界面,为热流体中心温度,即最高温度,t为冷流体中心温度, 即最低温度。在热流体的湍流主体中,由于流体质点充分混合,温度基本上是一致的,即图中t。在层流底层和湍流主体之间存在一个温度逐渐变化的区域, 称为过渡区。温度由t下降到tb。在层流底层内,由于热阻较大,温

28、度急剧由tb 下降到tw。再往左通过管壁,因其材料通常为金属,热阻很小,因此,管壁两侧的温度tw 和tw 相差很小。在冷流体内,又顺次通过层流底层、过渡区而到达湍流主体,温度由tw 经tb下降到t。图2中曲线tw tb t和曲线ttb tw 的意义相似。2、提高换热系数的途径传热学传热速率公式如下：q=ka(t-t)式中: q - 换热量； k - 换热系数； a - 换热面积； (t-t) - 传热温度差。从公式(1)可以看到,换热量和换热系数k成正比,要提高换热器的热交换能力,就必须想办法提高换热系数k值。根据传热学原理对流传热时圆筒型壁热交换管的总热阻公式为: 1/k =1/a1+b/(

29、d1/dm)+1/a2(d1/d2)+ rs(d1/d2) (2)式中: k - 总传热系数； b -换热管壁厚； - 换热管传热系数； rs - 污垢热阻； d1 - 换热管内径； d2 - 换热管外径； dm - 换热管中径； a1、a2 - 管、壳程对流传热系数。由间壁两侧流体热交换过程及公式(2)可以看出,要想提高热交换器的换热性能,就要努力降低总热阻, 即提高总热交换系数k值,从中不难看出提高换热系数k值有如下途径：(1) 减少层流层,增加湍流层,从而提高对流传热系数1、2。由传热学得知, k值主要取决于对流传热系数,因此,必须设法同时提高流体两侧的对流传热系数1、2。(2) 减少传

30、热距离,即减少换热管壁厚b 。(3) 提高传热系数,此问题可以通过选用导热性能好的换热管材料实现。(4) 降低污垢热阻rs,当污垢热阻起很大作用时,必须设法减慢污垢生成速率或清洗。3、波纹管强化传热机理 换热热阻的大小主要决定于靠近壁面处流体的流动状况,因为这里流体速度和温度变化最显著,该区域称为边界层。任何流体都有其黏度,任何材料的换热管都有其粗糙度。当具有黏性的流体流过管壁时,就会在壁面上产生摩擦力,它制动了流体的流动,使靠近管壁的流体速度降低下来,而直接贴附于管壁的流体实际上将停滞不前,流体只有经过厚度为的薄层,流体的速度才能接近主流速度。在很薄的一层流体内,速度由0 变化到接近主流速度

31、, 其平均的速度梯度将是很大的,大的速度梯度说明边界层内具有较大的黏滞应力。根据理论分析和试验观察,边界层厚度与换热管直接相比是极小的。随着流体雷诺数re 的提高,边界层厚度随之变薄。例如流体在直径为25 mm的管内流动时,re数由104增加到105时,边界层厚度由0.49 mm 降为0.065mm,但较高的re 会使换热器的压降急剧增加,因此,re 的增加是有一定限度的,不是越高越好,应该使换热器的re 数处于一个经济数值。图1-3、图1-4是换热管内为冷流体、换热管外为热流体时的流体速度场和温度场示意图。图1-4流体温度场图1-3 流体速度场薄壁波纹换热管的波纹深度达到3.5 mm,波峰与

32、波谷的流通面积比值达到1:0.588, 即波峰与波谷的流速差约为1.2；波峰与波距的比值为1.3:1,流体在波纹换热管内流动时,在波谷处,流速增加,动压减小,静压增大；在波峰处,流速降低,动压增大,静压减小,在单位时间内,这种压力、速度的转化要发生几十次至上百次,流体的边界层很难形成,并极易被打破；管壁表面的不连续也使得边界层无法生成。由于以上因素,边界层厚度的减薄和边界层的被打破,使热量能迅速地被传递到流体中去,换热器的传热能力得到极大的提高。即使在较小的流速下,换热器仍然能达到较高的传热系数。1.3 波纹管换热器的适用范围虽然波纹管换热器是由传统的管壳式换热器改进而来,但并不是所有类型的管

33、壳式换热器都可以采用波纹换热管。由于固定管板式换热器结构紧凑, 强化传热效果明显,最适合采用波纹换热管的是固定管板式换热器。波纹管又具有一定的热补偿能力,在某些场合可省去常规所需要的膨胀节。另外, 在波纹管换热器的使用过程中对介质的特性具有一定的要求, 例如, 对于黏度较高的物料,易结晶、沉淀的工况, 禁止使用波纹管换热器。1.4 波纹管的成型及结构1.4.1 波纹管成型机制的研究波纹管一般是由无缝不锈钢光管加工成型而得。波纹管直径较小、管子长、波纹外凸,因此其成型加工比较困难。此外,波纹管加工形变大,对材料的力学性能和材料的均匀性要求很高。在加工波纹管前不但要对原材料管进行逐根检查,还要对成

34、型后的管子进行消除应力热处理,经热处理后,须再进行外形、轴向直线度、水压试验进行再检验, 检查合格后方可用于换热器的制造。目前,应用于工业换热器的波纹管主要有软胶胀型和液压胀型成型工艺。液压胀型是采用常规的液压技术,即将光管置于成型模具中,然后向光管内注入高压液体,利用液体的压力使光管屈服并最终获得模具规定的几何形状。软胶胀型工艺则是利用对管内短圆柱状的软胶进行轴向压缩使其产生径向压力以达到成型波纹的目的。1.4.2 波纹换热管的波形确定波纹换热管与用作补偿目的的波纹管因功能不同,在形状及尺寸方面有着较大的区别。普通的补偿波纹管波高较大, dmax /dn > 1. 35(dmax为波峰

35、直径, dn 为公称直径),而波纹换热管作为主要受压元件首先要保证承压能力, 波纹的目的是造成二维流动,形成湍流, 增强传热效果。此外,过深过密的波纹不但会造成大的压降,而且容易失稳。因此,波纹换热管应波纹较浅、波距较大, 波形的最后确定需考虑热力学、材料、成型工艺等因素。1.4.3 波纹换热管的结构及连接形式波纹管换热器中的换热管一般有波纹管和波节管2种,沿径向方向的半径尺寸是变化的。波节管的波形由直边段、大小圆弧段等组成(参见图1-5)；波纹管由大小圆弧段构成(参见图1-6),没有直边段,但同样存在波峰和波谷。影响波纹管力学性能的参数较多,波纹管的壁厚、直径、波高、波距、波数以及材料的弹性

36、模量与波纹管的刚度有直接关系。由于波纹换热管为奥氏体不锈钢,属加工硬化倾向大的材料,胀接难度较大；且波纹换热管的管壁较薄,将换热管直接焊接在管板上十分困难。为保证焊接质量,必须增加过渡接头,过渡接头通常用= 3mm的厚壁管制造,且过渡接头的外径与波峰一致。其结构如图1-5所示,由中间薄壁波纹管主体和两端厚壁接头组成。图1-5 波节管图1-6 波纹管图1-7 波纹换热管的结构型式1.5 波纹换热管的材料选用及设计研究进展1.5.1 波纹管材料的选用金属波纹管一般用薄壁奥氏体不锈钢制造,壁厚为0. 24.0 mm。因为在轴向力和位移的作用下,应力水平相当高,波峰和部分波谷的局部基本在塑性范围工作。

37、如果处于腐蚀环境,则高应力部位是最危险的。一般情况下,波纹管的材料应满足下列条件:具有良好的塑性,便于波纹管的加工成型,且能通过随后的处理工艺(冷作硬化、热处理等),获得足够的硬度和强度；具有高的弹性极限、抗拉强度和疲劳强度,以保证波纹管正常工作；具有良好的焊接性能,满足程中的焊接工艺要求；有较好的耐腐蚀性能,以满足波纹管在不同环境下工作。1.5.2 设计研究进展随着计算机技术的迅猛发展,有限元方法已成为能处理几乎所有连续介质和场问题的一种强有力的数值计算方法。其在波纹管研究领域中的应用也得到了迅速而深入的发展。自20世纪80年代以来,国内许多研究人员开始将有限元方法应用于波纹管应力应变的分析

38、研究中,取得了成功。主要经历了以下3个阶段:第1阶段出现在20世纪80年代初,其特点是利用弹性有限元对波纹管进行应力应变的分析。弹性有限元分析在小载荷情况下,可以获得比较好的计算结果。但是, 随着位移量的增大,其误差也越来越大。第2阶段始于20世纪80年代末,在90年代中后期有了较快的发展,主要特征是非线性有限元技术在波纹管的研究分析中的应用。有限元分析以其在解析几何非线性、材料非线性和结构非线性问题分析方向的独特优势而为愈来愈多的研究人员所接受。第3阶段是20世纪90年代末至今,国外许多优秀的大型有限元软件,如: ansys、abaqus、ad ina、algor出现并逐渐在国内推广,波纹管

39、的有限元分析也随之进入了蓬勃发展的阶段。对于波纹管换热器中管板的设计计算,目前还没有建立起严密而精确的计算方法,国家及行业部门也没有制定出相应的标准提出相应的计算方法。在波纹管换热器中对管板进行设计计算时,设计人员一般是把波纹管简化为相应规格的光管,然后根据gb 1511999管壳式换热器给出的方法计算,给波纹管换热器的管板计算带来相当的不确定性。因为在结构上,波纹管不同于光管, 波纹管的柔度比光管的大,而刚度比光管的小,其对管板的支撑与光管有所不同。波纹管的轴向刚度比光管的轴向刚度小得多,因而,管板的计算结果存在着某种不确定性。这在一定程度上影响了波纹管换热器的应用与发展。一般可通过试验研究

40、得出波纹管的刚度。一些科研工作者开始尝试用有限元方法求得工程上不同尺寸参数的单波波纹管的刚度。2设计任务及设计方案2.1设计参数与任务本次研究设计了一台以某热网加热器为背景的热网换热器，热水换热能力达50mw。热网换热器的最重要的功能是将汽轮机做功后的蒸汽来加热供暖用的循环水,可以将蒸汽经过冷却后变成水然后再回用。当下的热网换热器大都使用管壳式的结构,换热管则常用冷拔钢管。通常循环水在热网系统中只经过了较为简单的软化与过滤处理，因此在换热器的换热管内壁特别容易结垢。这样就造成了传热效率的极大降低，设备也要经常清理。此次设计热网换热器将换用波纹换热管，很大程度上改良了管内结垢的问题，效果不错在实

41、际运行时。经过阅读资料选取了合理的设计参数：换热器的换热能力为 冷却介质（循环水）压力取，进口的温度为70，出口的温度为的循环水加热介质（蒸汽）加热蒸汽的压力为，初始温度；疏水为换热器的设计压力管程为，壳程为换热器工作压力管程为，壳程为 允许压强降不大于2.2设计方案与操作条件2.2.1选择设备的形式本设计此次是利用蒸汽的抽气来加热循环水。实际的工程中，通常用蒸汽作为热源的时候，为了能充分的利用热能，大都用水-水换热器和汽-水换热器的两级换热设备。但是本设计主要是针对汽水换热器设备的设计，换热器型式采用管壳式设备。管壳式的换热器已经是比较典型的换热器设备，已经拥有了悠久的历史在工业应用中，不仅

42、具有易制造、处理能力大、成本低、可供选用的结构材料广阔、换热表面情况比较方便的优点。同时还可用于调温调压场合，适应性特别强，所以占了很大的优势在众多的换热器中。对管壳式的换热器而言，在选其结构材料的时候要依据换热流体的腐蚀性特性来决定。再根据选择的换热的温度差，材料加工性能，流体的压强和温度、安装检修、换热器的热负荷以及维护清洗的要求和经济合理性等综合因素来确定换热器的型式20。设计的管壳式换热器选用的是固定管板式的类型。对于固定管板式的列管换热器而言，其优点很多：结构简单紧凑,壳体与管板为直接焊接，排管数最多在壳体直径内相同的情况下。因为有管板相互支撑在两管板之间，所以加强了管板，因此在众多

43、列管换热器中固定管板式列管换热器的管板是最薄的，并且造价是最低的，而且易于清洗。但它也有缺点，在清洗管外的时候较困难，需要设置膨胀节在壳体上，当管壁与壳壁两者之间的温差大于50时，从而依靠膨胀节的弹性变形来降低温差压力。并且仅限在壳程流体压强不大于600kpa和管壁与壳壁的温差小于70的场合使用。当膨胀节过厚的时候，导致难以伸缩从而会失去温差补偿的作用。波纹管是柔性元件,当压差和温差较大的时候拥有自我补偿的能力, 从而管板以及筒体的应力可大幅度的降低，不会轻易出现拉脱、泄漏的情况。所以膨胀节的设计部分在波纹管换热器的设计中可以免去，制造成本会节省许多。后端的结构采用固定管板结构和封头管箱类似，

44、前端管箱则选用的是b型封头管箱。因为要提高流体的湍流程度和流速，强化壳程流体的传热，所以在管外空间经常要装设纵向的隔板或着是折流板。装设折流板的作用除了能使流体横过管束流动，而且还有防止管束震动与弯曲、支撑管束的作用。其装设和纵向隔板相比不是很困难，装设后还可以使流体横向流过管束，从而增强促进传热的作用，所以得到了普遍的应用。折流板型式有很多种：像弓形、扇形、盘环形、管孔形等。本设计中选用的是弓形折流板，因为弓形的折流板，不仅流体流动的死角很小，而且结构也较简单。2.2.2空间内流经的流体的要求在设计管壳式换热器时，最开始要决定的是：走管程的是哪种流体，走壳程的是哪种流体。这些都需要遵循原则。

45、例如：1、适合在管内空间（管程）通入的流体的特征：(1)流体的体积小 (2)不清洁的流体 (3)有压力的流体 (4)与外界温差较大的流体 (5)流体的腐蚀性强 21 2、适合在管间空间（壳程）通入的流体的特征：(1)当两种流体的给热性能相差比较大的时候，值较小的流体适宜走管间 (2)若两种流体的温度相差比较大的时时候，值较大的流体适宜走管间 (3)饱和蒸汽 (4)被冷却的流体 (5)液体的粘度大 (6)泄漏后危险性大的流体21。除此之外，对于容易析出结晶、淤泥、沉渣以及其它沉淀物的流体，通入一些较易清洗的流动空间，对于管壳式换热器而言，管内空间比较容易清洗。然而对于u形管和浮头式的换热器，管外

46、空间比较容易清洗。鉴于以上的原则，因为加热蒸汽相比之下比较清洁，所以应在壳程流过，这样会利于冷凝液的排出；而循环水在受热后比较容易结垢，放在管内方便污垢的清理。并且在管内流体维持高速比较容易，悬浮颗粒的沉积就会避免。初步采用以下方法设计流动空间：在管内走循环水，管间走加热蒸汽。2.2.3选择流体流动方向在流体流动方向的选择上采取以下方法：在换热器壳程的上方饱和水蒸气进入，然后从壳程的下方冷凝水排出，因为这样不仅便于冷凝水的排放，而且对传热效率的提高也有利。对于冷却水一般选择从换热器下方入口进入,然后排出从上方出口,这样冷却水流动中的死角可以减少,传热面积的有效利用从而提高。所以设计采用先逆后顺

47、1-2型的换热器。流动的方向如下图所示：图2-1 流体流动方向工艺简图3热力计算3.1 热量的分配计算 对于设计的换热器的热力计算方面，最主要地任务是在换热器的进出口介质和被加热介质以及换热量都已知的前提下，去确定换热器绝对符合的换热面积，接着选取型号必须要合适的波纹管换热器。此次设计是采用平均温差法去完成热力计算。 在实际工程中，当用蒸汽做热源的时候，通常会用水-水换热器与汽-水换热器两级换热设备。因为想充分的利用热能，所以设计中循环水要先经过了水-水换热器加热，然后再由汽-水换热器对其进行加热，故本设计采用了两级换热器串联的型式。 本设计的参数如下：加热介质（蒸汽）加热的蒸汽为压力0.6m

48、pa初始温度为280疏水的温度为80冷却介质（循环水）压力0.6mpa，开始时进口温度为70，加热后的出口温度为120的循环水换热器的设计压力管程为1.0mpa，壳程为1.0mpa换热器的工作压力管程为0.6mpa，壳程为0.6mpa以下是与换热计算有关的参数和符号：热效率，取水的平均比热容，取为 冷却水进入汽-水换热器的温度,汽水换热器中的冷凝温度，；下的饱和温度， 与饱和蒸汽进行热量交换的冷凝水的温度, 加热蒸汽焓，由加热蒸汽参数，查蒸汽热物理性质图表， 汽-水换热器出口凝结水焓,设计规定汽水换热器出口凝结水为下的饱和水，查水蒸汽热物理性质图表， 疏水焓，根据疏水参数查水蒸汽热物理性质图表

49、， 汽水换热器中饱和蒸汽焓，下的饱和蒸汽， 汽化潜热，根据凝结压力查取，汽-水换热器和水-水换热器串联的加热系统图如图3-1.图3-1 加热系统图由已知参数计算：（1）流量的计算 进入换热器的循环水量 蒸汽流量（2） 在汽水换热器和水水换热器串联加热系统中，循环水由水水热交换器加热后继续进入汽水热交换器的温度 （3） 热量的分配 汽水换热器的传热量 水水换热器的传热量3.2 计算平均温差在换热器中，蒸汽进入设备时是在比饱和温度高的状态下，然后在设备中先被冷却到了饱和温度的状态，再在等温下冷凝到饱和液的状态离开设备。设计初步制定换热器的型式为1-2型管壳式。其流体平行流时的温度分布情况如图3-2

50、所示图3-2 流体平行流时温度分布情况因为在换热器中包含有冷却段和冷凝段，所以将计算分成两端的计算。在1-2型换热器中因为存在折流板，所以流动不只是单纯的逆流那么简单，还需要对平均温度进行修正通过温度修正系数。(1)冷却段与冷凝段的换热量 冷却段的换热量 冷凝段换热量(2)各段平均温度的计算 首先冷却段对数平均温度： 选择卧式换热器。查取温度的修正系数，根据无量纲参数p和r去查参考文献1 查得取为0.95。然后冷凝段的对数平均温度： 因为冷凝段存在相变，其中一侧流体温度没变化，所以无所谓顺流与逆流，因此不用对其进行温度修正。最后由前面的热量分配来计算整体的平均温度： 4换热面积的计算与管程结构

51、的设计4.1换热面的估算4.1.1换热面积的初步估算波纹管换热器的传热效率比较普通光管换热器的要大很多，一般传热系数会高出大约23倍。例如在水-水换热器中，波纹管的传热系数k就可高达20003600w/(m2·k);而在在汽-水换热器中，传热系数会更高，k可高达30004500w/(m2·k)2。所以设计中根据以上数据初步去估计换热面积的时候取k为3500 w/(m2·k)22。 根据传热方程 先初步估算传热面积为:因为考虑10%的面积富裕量，所以设计中估算的实际需要的换热面积为：4.1.2设计单波距波纹管的结构以及传热面积的计算图4-1 波节式波纹管外形结构波纹

52、管换热器其实是基于管壳式换热器总体结构不变前提下，然后对换热元件来进行开发设计，设计用薄壁奥氏体不锈钢管来加工内外均是波状曲线的波纹管。查资料知波纹管其实分波纹管与波节管两种不同型式。此次设计中采用波节式波纹管的型式。平时较常见波纹管的规格有d2(32)/d1(25)和d2(42)/d1(33)两种规格，其中d2表示波峰的外径，d1表示波谷的外径。本设计中将采用d2/d1为42/33规格的波纹管，奥氏体不锈钢作为其管材24。波纹管结构图如上图4-1。主要结构参数及外表面积的计算：波谷外径波峰外径壁厚平均外径波高h半波宽优化设计中常取 , 设计取，即波距f优化设计中常取,设计取，即波纹圆弧r波纹圆弧圆心角弧度波纹圆弧长圆弧部分面积a1基管部分面积a2一个波距的总面积a当量管外径de过度接头采用壁厚为3mm的厚壁不锈钢管，接头钢管的外径为波纹管波峰外径d2,42mm经大量实验研究，波纹管各尺寸的优化关系3为： ；设计采用的波纹管中：,符合优化设计要求4.1.3 计算管程的换热面积 管程走被加热水（第二章已分析） 管程定性温度