紧凑绕管式换热器的优化设计

1、1研究背景研究背景 绕管式换热器绕管式换热器： 在在芯筒芯筒与外筒之间的空间与外筒之间的空间 内将传热管按螺旋线形状交内将传热管按螺旋线形状交 替缠绕而成，相邻两层螺旋替缠绕而成，相邻两层螺旋 状传热管的螺旋方向相反，状传热管的螺旋方向相反， 并采用一定形状的定距件使并采用一定形状的定距件使 之保持一定的之保持一定的间距。间距。 1研究背景研究背景 绕管式绕管式 换热器换热器 优点优点 缺点缺点 结构紧凑，单位体结构紧凑，单位体 积换热面积大。积换热面积大。 100-170 m2 / m3 同时处理同时处理多股多股流体流体 换热换热 冷热端冷热端温差小温差小，传，传 热热效率高效率高 自行补偿

2、自行补偿热膨胀热膨胀效效 应应 传热计算复杂传热计算复杂 流动阻力大流动阻力大 壳程流体分布壳程流体分布 均匀性差均匀性差 对介质清洁度对介质清洁度 高高 制造成本高，制造成本高， 难度大难度大 1研究背景研究背景 国内发展现状国内发展现状 贾金才用数值模拟方法研 究了绕管式换热器壳程几 何结构对换热的影响。 李健伟等利用ANSYS对实 际绕管式换热器建立了管 板结构分析有限元模型。 尹接喜等提出了并管传热 模型 国外发展现状国外发展现状 在国外, 1898年德国林德公 司首次开发了绕管式换热 器。目前缠绕管式换热器 广泛应用于大型空气分离 装置的过冷器及液化器(液 体氧、液体氨装置),林德

3、公司在合成氨甲醇洗系统 中推出了缠绕管换热器系 列。 1研究背景研究背景 2 2研究目的及意义研究目的及意义 学习前人对绕管式换热器的研究可以发现，前 人的研究主要侧重于对换热器模型的构建、结 构的研究以及对换热器的传热效率的提高。 但是绕管式换热器的热力计算非常复杂，尤其 是牵扯到两相流问题的设计。而我国对换热器 热力计算优化计算的研究还很少，因此对热力 计算进行优化对我国绕管式换热器的发展有着 很大的促进作用，故本设计以优化热力计算为 目标。 3 3研究方法及过程研究方法及过程 热热 力力 计计 算算 模模 型型 集总参数模型： 分布参数模型： 流 的 演 化： 这类模型是最典型的热交换器

4、的设计模 型，它们是在两股单相流的热平衡的基 础上建立起来的。 这类模型是将换热器分成不同规格单元， 并将集合参数模型运用到它们中，和就 是最常见的形式。 流的演化是对每股流在一维空间上存在 着质量、动量、能量平衡的稳态模型， 这类模型通常被植入到专用软件中 3 3研究方法及过程研究方法及过程 平均温差 法 -NTU法 P-NTU法-P法 P1-P2法 集总 参数 模型 3 3研究方法及过程研究方法及过程 由于任务书要求本设计管壳程介质均为天 然气，且进出口温度始终高于天然气的沸 点-162.49 ，则本设计介质为单相流传热 问题，故本设计选用集总参数模型，运用 平均温差法来进行热力计算。 3

5、 3研究方法及过程研究方法及过程 一般情况下，换热器的热力计算都比较复 杂，公式繁多，需要处理大量的数据，结 构设计也需要进行大量的计算，为优化设 计，简化计算，本文采用了Excel表格来辅 助计算，处理数据。 Excel表格可建立函数关系式把各参数联系 起来，从而达到优化计算的效果 3 3研究方法及过程研究方法及过程 得出合理设计数据 对比分析设计数据 调整关键设计数据 建立各项目和以上参数的函数关系式 输入需求项目名称 输入介质物性参数 输入原始数据 创建Excel表格 计算流程：计算流程： 4 4研究结论与展望研究结论与展望 总传热系数和 压降是衡量换 热器优劣的重 要参数。本设 计参考

6、Linde 公 司提供的绕管 式换热器的工 艺数据与本设 计的关键参数 进行对比分析 项目总传热系数 实际传热面积 m2 管程压降 Kpa 壳程压降 Kpa 设计值526.3238015029 对比值526240013335 偏差0.05%0.84%11.6%19% 4 4研究结论与展望研究结论与展望 管壳侧压降都与原设计值相比偏小，这可能是 因为计算压降时, 仅计算管侧在管内的压降, 壳 侧仅计算管束有效高度的压降, 未考虑封头管 板等局部阻力, 因此造成压降计算偏小。 通过以上对比得出，换热器的各设计参数都保 持在比较理想的范围内，基本能符合生产需求。 这表明本设计的设计方法符合设计要求，

7、且能 达到优化效果，为紧凑绕管式热交换器的的研 究提供了一种参考。 4 4研究结论与展望研究结论与展望 在设计过程中存在着不小的困难，参考资 料的查找比较困难，尤其是介质物性参数 的查找，这也说明本设计存在着很大的研 究空间，比如可以把物性参数表融入到 Excel表格中，使输入已知的介质参数便能 利用表格计算出相关物性参数，这将大大 有利于绕管式换热器的设计。 致谢致谢 匆匆忙忙终于完成了毕业设计，在这里不得不感谢我的良师益 友田野老师，对于没写过科技论文的我来说，写论文的第一感 觉就是迷茫，是田老师给我指明了毕业设计的大方向，并在写 作方法和写作技巧上给了我很多非常有用的建议，这对我毕业 设

8、计的完成起着至关重要的作用。 从青涩到成熟，重庆科技学院承载了我的最后的青春，说这里 是我第二家乡也毫不为过，由衷感谢重庆科技学院对我的培养， 让农村来的我见识了丰富多彩的世界，让我的未来多了更多可 能。 这里的一切都是这么美好，特别是优秀的老师们，特别感谢教 过我的每一位老师，还有辅导员李莎老师，是各位老师让我成 长到足以自立，是各位老师教我的知识和技能让我能够独立走 向社会，也是各位老师四年来的教导才使我有能力写这篇毕业 设计，谢谢您！ 1研究背景研究背景 国内发展现状国内发展现状 贾金才用数值模拟方法研 究了绕管式换热器壳程几 何结构对换热的影响。 李健伟等利用ANSYS对实 际绕管式换

9、热器建立了管 板结构分析有限元模型。 尹接喜等提出了并管传热 模型 国外发展现状国外发展现状 在国外, 1898年德国林德公 司首次开发了绕管式换热 器。目前缠绕管式换热器 广泛应用于大型空气分离 装置的过冷器及液化器(液 体氧、液体氨装置),林德 公司在合成氨甲醇洗系统 中推出了缠绕管换热器系 列。 1研究背景研究背景 3 3研究方法及过程研究方法及过程 得出合理设计数据 对比分析设计数据 调整关键设计数据 建立各项目和以上参数的函数关系式 输入需求项目名称 输入介质物性参数 输入原始数据 创建Excel表格 计算流程：计算流程： 4 4研究结论与展望研究结论与展望 管壳侧压降都与原设计值相比偏小，这可能是 因为计算压降时, 仅计算管侧在管内的