螺旋折流板换热器的设计.docVIP

编号：（ ）字 号本科生毕业设计（论文） 螺旋折流板换热器的设计 过程装备与控制工程专业2008-2班题目： 姓名： 学号： 班级： 二一二年六月中国矿业大学毕业设计任务书学院 化工学院 专业年级 过控2008 学生姓名 任务下达日期：2011年 12月 20 日毕业设计日期：2012 年 2 月 1 日至 2012 年 6 月 15 日毕业设计题目：螺旋折流板式换热器的设计毕业设计专题题目：基于起重机械虚拟仿真计算与分析的简单探索毕业设计主要内容和要求： 1 毕业设计题目螺旋折流板式换热器的设计2 主要设计参数设计一个满足工艺要求的螺旋折流板式换热器，具体的参数如下：介质分别为丁二烯和水，工作压力分别为0.39MPa、0.45MPa，入口温度分别是39.9、34，出口温度分别是36.9、38，丁二烯的质量流量是17000Kg/h。3 毕业设计内容1) 设计依据分析2) 换热器工艺计算设计3) 换热器结构设计4) 换热器强度设计5) 设计总结4 英文翻译与专题翻译相关的英文文献1篇，中文字数应不低于3000字。专题名称：换热器在制冷机中的应用5 图纸换热器的装配图、部件图及零件图合计不少于3张A0图。中国矿业大学毕业设计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）：中国矿业大学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）：中国矿业大学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，目前所采用的折流板，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。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中有广泛的应用。本换热器是用于空气压缩机级间冷却，采用常温冷却水将压缩后的高温空气冷却到一定温度，本次设计采用固定管板式换热器。换热器的设计分为工艺设计和机械设计两个部分。在工艺设计部分，根据给定的设计参数假设传热系数，计算换热器的换热面积以及初步确定换热器型号、换热管、管程和壳程数、折流板间距和数目以及内径等工艺尺寸，然后进行热力核算和压力降核算，确定面积欲度和换热器压力降均在合理范围之内，否则，要重新设定传热系数，重复上述过程，直至通过核算。机械设计部分分为两步，第一步：根据第一部分已设计出的工艺尺寸设计筒体、管箱、接管、折流板以及各部分之间的连接等结构和尺寸；第二步：依据GB150、GB151的规定进行强度校核，其中主要包括对管板、壳体与换热管进行的强度校核，校核通过后根据所设计结构参数绘制图纸。通过复算与校核，使所设计的换热器能够满足生产工艺的要求。关键词：螺旋折流板； 换热器； 工艺设计； 机械设计； 强度校核ABSTRACT The baffle is to improve the ergonomics of the heat exchanger components. Conventional heat exchanger is the most common application of segmental baffle, defects due to a choke and pressure drop, flow hysteresis dead band, easy to scale, heat transfer, the average temperature difference is small, vibration conditions prone to failure, in recent years to gradually spiral baffle replaced. The ideal helical baffle shall have a continuous helical surfaces. Currently used due to processing difficulties, baffle, generally replaced by the number of 1/4 of the fan-shaped flat plate surface and white connection, the formation of the helical surface approximation. Baffle, the fluid in the approximation of the spiral flow of state. Compared to the segmental baffle, in the same condition, the baffle (known as non-continuous helical baffles) can reduce the pressure drop of about 45%, while the overall heat transfer coefficient can be increased by 20% to 30 % in the same heat load can be greatly reduced heat exchanger size. Heat exchanger is an indispensable equipment to transmission of heat exchange in the process of chemical production, which is in a wide range of applications in petroleum, chemical industry, light industry, pharmaceuticals, energy and other industrial production. This is a heat exchanger used for benzene toluene separation process, heats benzene - toluene mixtures from room temperature to the bubble point temperature by water vapor, shell-and-tube exchanger has being chosen. Design is divided into two parts, process design part and mechanical design part. In process design, first of all, suppose a heat transfer coefficient according to given design parameters. Then, account the heat transfer area and determine variety of technology size, such as Models of heat exchanger, heat exchange tube number of tube side and shell side, Spacing and number of traverse baffles and diameter size, etc. At last, make heat check and pressure check on process data, make sure that area degree and pressure drop are both in reasonable limits. Otherwise, it is necessary to re-set the heat transfer coefficient, repeat the process until the adoption of check. Mechanical design part has two steps. Step one is structural design, determine structural sizes of the heat exchanger by process parameters such as the main body, channel box, adapter tube, and tubesheet, etc.; In step two, according to the data determined by the above-mentioned, make strength check by prescript of GB150 and GB151, which is include tube plate, shell and tubes. After the strength check has passed, blueprint can be drew. By complex operator and check, the heat exchanger design are meeting the requirement of production technology.Keywords: Helical Baffles; Heat exchanger;Process design; mechanical design; Strength check1 绪论该设计为螺旋折流板式换热器的设计。该换热器也是属于列管式换热器中的一种。我们常见的列管式换热器的折流板是弓形的，而此设计的折流板则是螺旋式的，这就是本次设计的独特之处和难点所在。冷换设备在石油、化工行业中占有十分关键的地位。燕山石油化工公司炼油厂现在服役的换热器大多采用的还是国外早期的设计结构，换热效率低、阻力降大、容易结垢、停工检修频繁。特别是炼油厂第三套常减压蒸馏装置渣油冷却系统要求冷却效果高，原渣油冷却器L209/1、2、3为弓型折流板换热器，已不能满足安全生产的需要，因此该装置对L209/1管束进行了技术改造。原渣油冷却器采用弓型折流板换热器，其缺点为：弓型折流板换热器的能耗大；弓型折流板壳程容易结垢，降低换热效率；弓型折流板换热器的运行周期一般为2年，致使检修、清洗频繁，装置操作费用增加。渣油冷却器L209/1技术改造后采用螺旋折流板列管换热器, 有如下特点：传热系数高；壳程介质不易沉积，不易结垢，一般可延长50%使用周期，减少相应的检修、清洗费用；壳程介质呈连续平稳的螺旋型流动，适合所有介质；阻力降小，可以有效的降低压力损失，减少电耗；可节省大量检修改造费用。螺旋折流板列管换热器有很好的经济效益。总之，螺旋折流板列管换热器在实际生产中的应用是成功的，在炼油化工行业中大多可以采用，有很好的推广价值。1.1本课题的来源、目的、意义换热器是石油、化工、制冷、冶金及动力等工业生产过程的主要工艺设备之一，有资料表明在我国全部换热器产量中管壳式换热器约占80以上，管壳式换热器问世将近一百多年来，已经积累了大量的设计资料和操作运行数据，其结构特性、传热特性和流体动力特性的计算已经形成了一套比较完善的方法，继续依靠传统的化工工艺计算提高其传热效率，包括根据实验室试验研究和生产现场测量标定的数据反馈，对现有经验公式、设计模型以及数据图表等所进行的局部修正以及综合考虑各种影响因素在内的优化，其发展空间已经趋于饱和。因此近年来国内外对传统管壳式换热技术的改进，集中在开发研究新一代强化传热方法上，以更好地满足不同使用场合对管壳式换热器的性能要求。如在壳程采用折流杆、折流环以及螺旋折流板等支撑结构；在管程开发各种类型的翅片管、螺纹管等强化传热换热管和增加螺旋铁等内扰流结构。本文主要论述其中最有代表性的螺旋折流板换热器近年来的发展及推广应用概况。 众所周知，在化工领域上，换热器的重要性不言而喻，其运行的成本之高也是有目共睹的，换热器不仅仅局限在换热的区域内，它的运行在整个化工行业都是影响巨大的。所以提高换热器的换热效率是化工行业所迫不及待的，这不仅仅会节约成本，而且会扩大产量，大大的提高化工产品的生产效率。螺旋折流板式换热器正是在不断追求进步的浪潮中推广出来的，如今已经获得了很广泛的应用，但是技术前进的脚步始终不会停留，每一天都在变革，如果要想走在技术的前列就不能忘本，毕竟技术的发展都是在原来的基础上发展过来的，因此本课题就是在我学习的最基本的弓形换热器的前提下给予更加深入的拓展。以此为基础，以便于以后可以创新。1.2螺旋折流板式换热器国内外研究综述涡旋或螺旋流动一直是强化传热的有效手段，从壳侧流体由纵向或蛇形横向流动方向改变为螺旋状流动的角度产生了螺旋折流板换热器的构想，但由于连续螺旋曲面的加工及安装难度很大，20世纪 八、九十年代捷克科学家发明了非连续的1/4螺旋形折流板换热器，采用一系列1/4扇形折流平板来代替螺旋曲面。此项技术后被美国AB 公司买断，后又转让给CB& I公司，据ABB Lum musHeat transfer公司公布，自19942007年3月 该公司共完成349个项目,共计1350台(套)螺旋折流板换热器的设计和制造。我国大庆石油化工机械厂等单位也参与了应用ABB公司技术的部分制造和应用实践。其他另有一些单位则选择自主开发,近几年也得到了一些发展。工业化的螺旋折流板换热器是上世纪九十年代初，由前捷克斯洛伐克国家化工设备研究所科学家杰.卢卡和杰尼姆肯斯基等人首次提出的，其特点是壳程介质的流动呈螺旋线型方式，折流板的基本形状为扇形，每块折流板与壳体轴线形成一定的夹角，相邻的折流板在周边首尾相接构成一个沿外圆周连续的类似螺旋线，从而起到改变壳程流体的流动状态达到提高传热效率的目的，并相对降低了管束因振动而产生的损伤，提高了换热器的使用寿命。应用结果表明，壳程采用螺旋折流板结构较采用垂直弓形折流板结构确实具有减少壳程流体压力降的优势。实验研究证明，对于以压缩空气为工质，在相同的Re下，光滑管螺旋隔板换热器的管外膜传热系数是光滑管弓形隔板换热器的1. 25-1. 8倍，螺旋隔板换热器的传热系数最大可以为弓形隔板换热器的1. 39倍，压降随着螺旋角的不同大约可降低26% -60%。螺旋隔板支撑结构的换热器具有良好的防垢特性，适用于易结垢、高黏度的介质如原油、渣油等的强化传热。理想的螺旋折流板结构其轴线应当与换热器壳体轴线重合，从而形成连续的螺旋状回转空间。这种结构的优点在于：首先，流体在壳程流动时，由于螺旋折流板回转面的约束，最大流动截面只有壳体纵向截面的1/2(一个周期内)，在相同的流量下，和普通单壳程弓形折流板换热器相比，其特征流速理论上增大为后者的2倍左右。根据经典的对流换热无因次经验公式，壳程流速的增加将有效提高换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24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2000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510mm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25-40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。1.3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。 1.4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2.1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1-1 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 2.2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1-1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。2.3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 24 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。2.4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，减少了管束振动，延长设备的运行寿命。 （6）程做冷凝换热时，螺旋折流板可以起到对冷凝后的液体引流作用，减少了冷凝液体对下排管覆盖，从而提高换热效果。 （7）种换热器和普通换热器的区别仅在于壳程折流板的结构，管束外观形状、管束和壳体的配合尺寸都不变，在检修当中完全可以用螺旋折流板芯子替换弓形折流板式芯子，以提高换热效果。 （8）在造价上面，前者较后者更大些，当选择时不可避免的需要考虑成本问题。2.5 换热器在化学工业中的应用 在工业生产中，为了实现物料之间热量传递过程的一种设备，统称为换热器。它是化工、炼油、动力、原子能和其它许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。通常在化工生产的建设中，换热器约占总投资的1020%。 在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝等。换热器就是用来进行这些传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺上的需要。换热器随着使用目的的不同，可以把它分成为：热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用的条件不同，换热设备又有各样的形式和结构。另外，在化工生产中有时换热器作为一个单独的化工设备，有时则把它作为某一工艺设备中的组成部分，如氨合成塔中的下部热交换器、精馏塔底部的再沸器和顶部的回流冷凝器或分凝器等。其它如回收排放出去的高温气体中的废热所用的废热锅炉，有时在生产中也是不可缺少的。总之，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。 在换热设备中，应用最广泛的是管壳式换热器。目前这种换热器被当作为一种传统的标准换热器，在许多工业部门中被大量地使用。尤其在化工生产中，无论是国内还是国外，它在所有的换热设备中，仍占主导地位。同时在近代的许多化工生产中，如裂解、合成及聚合等，大都要求在高温和高压下进行。如高压聚乙烯要求操作压力高达250MPa左右，新“德士古”制氢法要求操作温度在7501500范围。这些条件下，要进行热交换是很不容易的，尤其在有腐蚀存在的情况下，实现热交换更是困难。而管壳式结构，它具有选材范围广，换热表面清洗较方便，适应性强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。因此，能不断扩大它的使用范围。由于现代化工厂的生产规模日益增大，换热设备也相应向大型化方向发展，以降低动力消耗，减少占地面积和金属消耗。管壳式结构的换热器也能满足这一要求。 近十余年来，另一种高效、紧凑式 的新型换热设备之一，即板式换热器，已发展成为一种重要的化工设备。虽然目前它还处于发展阶段，但它在化工和石油化工生产中已推广应用。它适用的介质相当广泛，从水到高粘度的非牛顿型液体，从含有小直径固体颗粒的物料到含有纤维的物料，均可处理。从生产工艺上说，它可以用作液体的加热、冷却、冷凝或蒸发，单体的气提，溶液的浓缩、聚合、脱气、混合和乳胶的干燥等。 近年来，由于铝及铝合金钎焊技术的发展和不断完善，促使另一种高效、紧凑式的新型换热器，即板翅式换热器得到广泛的应用。虽然首先采用这种形式的换热器是为了满足飞机上中间冷却器的要求，但由于它具有体积小，质量轻，效率高和适应的温度范围广等突出的优点，从而在化工、石油化工和其它许多工业部门中，也得到了迅速地推广应用。现在，板翅式换热器又成功地应用于天然气加工过程中，如进料气冷却器、部分冷凝器、底部蒸发器和压缩机的中间冷却器等。其它在航空、车辆和船舶等方面亦已开始推广应用。 目前螺旋板换热器在化工生产中的应用也日趋广泛。在磷酸生产流程中，由于使用了这种形式的换热器，在清洗时可不停车，每次清洗只需切换磷酸和水的通道即可。螺旋板换热器在国内首先较普遍地用在小化肥生产中半水煤气的预热器和氨合成塔下部的换热器，目前已逐步推广应用的到其它化工生产工艺中。 在化工生产过程中，除了遇到高温、高压、高真空和深冷等一些操作条妥善地解决这个问题，而提出和使用了一些新型材料的换热器。如玻璃、石墨和聚四氟乙烯等非金属材料以及钛、钽和锆等稀有金属材料制作的换热器，以达到耐热，耐压和防腐的效果。玻璃换热器应用于生产中，目前还刚刚开始，并已推广应用到制药工业中。石墨换热器已在许多国家中得到广泛地应用，如用来处理盐酸、硫酸等腐蚀性介质。此外，还可用于化肥、有机合成和农药等多种工业中。 在其它新型换热器的应用中，值得提出的为热管。它是一种新型的传热元件，在六十年代中才开始应用与宇宙航行，但目前它的发展已日趋完善，且逐步推广应用于其它工业部门。它能利用小的表面积传递大的热量，因此它能充分体现换热器的一种优良的设计。在化工生产中所使用的换热器种类和形式很多的，但完善的换热设备至少应满足下列几种因素：1. 保证达到工艺所规定的换热条件；2. 强度足够及结构可靠；3. 便于制造、安装和检修；4. 经济上要合理。 3 螺旋折流板式换热器的工艺计算3.1主要技术参数 所给初始参数见表3-1所示：表3-1 初始参数表介 质丁二烯水压力（绝） pt =0.39MPa p2=0.45MPa入口温度Ti=39.9ti= 34出口温度 To=36.9to=38序号质量流量Kg/h质量流量 Kg/h1 Wt=17000Kg/h?3.2确定设计方案3.2.1选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度为39.9，出口温度为36.9，冷流体的进口温度为34，出口温度为38，由于管壳流体之间的温差不大，所以用结构较简单的固定管板式换热器，而且不需要加膨胀节。3.2.2流体空间及流速的确定 由于循环冷却水较易结垢，而且工作压力较高，为了便于水垢清洗以及列管的承受压力较强，所以应该使得冷却水走管程，相应的丁二烯走壳程，可以选用的碳钢管，管内流速取3.2.3确定物性数据 定性温度：可取流体进出口温度的平均值。 壳程丁二烯的定性温度为 管程水等信儿定性温度为 根据定性温度，通过参考书化工原理、热工基础等查的壳程和管程流体的有关物性数据： 丁二烯在38.4下的有关物性数据如下： 密度： 定压比热容： 导热系数： 粘度： 水在36下的有关物性数据如下： 密度： 定压比热容： 导热系数： 粘度：3.2.4计算总传热系数4.1热流量：丁二烯在该工作压力下，39.9是沸点，当温度下降时，原本为液态的丁二烯会转变为气态，所以这里存在一个气化潜热的问题，这里的热流量要分为两个部分一个是气化潜热，另一个是温度下降所放出的热量. 那么总的热流量4.2平均传热温差先求逆流时平均温度差 丁二烯 39.936.9 水 38 34 1.9 2.9那么平均传热温差4.3冷却水用量4.4总传热系数K管程传热系数：雷洛数： 关联式： （水被加热，则n取0.4）壳程传热系数：假设壳程的传热系数污垢热阻：又知道管壁的导热系数那么总传热系数： 3.3计算传热面积 考虑15%的面积裕度3.4工艺结构尺寸3.4.1管径和管内流速 选用传热管（碳钢），取管内流速3.4.2布管限定圆 如下表格所示为不同换热器布管限定圆的规定（查GB151-1999）： 表中是指换热器最外换热管表面与壳体内壁的最短距离那么换热器的不管限定圆的直径3.4.3管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数按单程管计算，所需的传热管长度为按单程设计，传热管过长，宜采用多程管结构，现取传热管长，则该换热管管程数为 那么传热管的总管数 3.4.4平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 按单壳程、六管程结构，温差校正系数查的下表得图3-1 温差校正系数图可得温差校正系数平均传热温差3.4.5传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内列管都是按照正三角形排列，隔板两侧采用正方形，取管心距，则 横过管束中心线的管数 3.4.6壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为 圆整可取3.4.7折流板折流板是1/4圆弧，如下图所示 图3-2（a） 螺旋折流板的轮廓图下面对折流板进行分析，下图是折流板的在换热器中轴向的投影：图3-2（b） 螺旋折流板的投影图图3-3 螺旋折流板的简略空间图从上面两个图中可以计算出扇形折流板的边长以及弧度边长,折流板投影上的半径为R，R=AB=BC在直角中，那么，折流板边长为这里设定，螺旋折流板的安装高度取15度，即，由于壳体内径为2600mm，可以取R=1295mm。那么边长计算夹角：在直角中 在故有： 则 安装距离 那么折流板的板数 即所需要的折流板的数量为24个。图3-4 螺旋折流板的实物图3.4.8接管（1） 壳程流体进出口接管：取接管内的丁二烯流速为，则接管内径为取标准管径为89mm（2） 管程流体进出口接管，取接管内循环水流速，则接管内径为取标准管径为300mm。3.5换热器核算3.5.1热量核算1.1壳程对流传热系数对螺旋式折流板，可以采用克恩公式当量直径，已知列管排列为正三角形排列，所以壳程流通截面积壳程流体流速及其雷洛数分别为.普兰特准数粘度校正壳程对流传热系数1.2管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速普兰特准数那么管程对流传热系数1.3传热系数K1.4传热面积S该换热器的实际传热面积该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。3.5.2换热器内流体的流动阻力2.1管程流动阻力已知由相对粗糙度为，查莫狄图得，如下图图3-5 莫狄图由图可知：摩擦系数又知，则管程流动阻力在允许范围之内。2.2壳程阻力已知流体流经管束的阻力（壳程流体的摩擦系数）又知，则流体流过折流板缺口的阻力已知，则总阻力壳程流动阻力较为合适。2.3换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果见表格3-1表3-2 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器型式：固定管板式（不带膨胀节）换热面积（）：2883.2工艺参数名称管程壳程物料名称水丁二烯操作压力，MPa0.450.39操作温度，(进/出)38/3439.9/36.9流量