【《一款新型板式换热器的结构计算设计》16000字】

一款新型板式换热器的结构计算设计摘要：本次课题题目是板式换热器，板式换热器是液-液、液-汽进行热交换的理想设备。它是由一组或者一系列具有波纹形状的金属板片或者其他金属材料板片叠装组合而形成的一种高效换热设备。本次设计选择的是板式换热器当中的可拆式板式换热器，可拆式板式换热器主要由压紧板、导杆、传热板片、支座等零件构成。可拆式板式换热器核心结构为板片，因此其优点为板片可拆卸，方便清洗，并且结构简单，安装方便，在此基础上，因构成设备组件较少，具有很强的经济型。本次课题内容主要包括工艺参数计算、部分结构设计、尺寸计算以及相对应零部件的强度校核。本次设计过程会严格参考GB151《板式换热器》和GB150《钢制压力容器》并参考自己查阅的相关文献进行完成整个设计内容。其次，进行主要结构的强度校核，经检验结果全部符合要求。在最后通过所设计的各部分组成构建，使用CAD等绘图软件绘制出各部分零件的零件图以及最后的装配图。换热器这一设备，经过多年的研究发展以及更新迭代，显然已经是一种成熟的工业设备。在先人的经验总结下，对本次设计提出创新点，依据我国双碳政策大背景，换热器热源方面采用能源再利用的方式，依据钙基热化学储能的原理提供换热器热源。众所周知换热器在不断发展的过程中已经成为了工业领域不可或缺的一部分，所以本次设计紧跟国家政策，设计一款新型的板式换热器。关键词：板式换热器，钙基热化学储能，双碳政策目录TOC\o"1-3"\h\u17689板式换热器设计 1308921概述 10255391.1国家双碳政策 10247651.2钙基热化学储能原理 1011.3换热器概念及应用 11114721.3.1换热器概念 11243191.1.2换热器主要结构及其使用特点 11218341.4板式换热器结构分类和使用特点 11265821.5板式换热器 12153851.5.1可拆式板式换热器 1258951.5.2板壳式换热器 12196551.5.3螺旋板式换热器 13119971.5.4板翅式换热器 13147971.5.5伞板式换热器 1350811.6换热器的选择原则 13107001.7换热器的发展概况 14321561.7.1换热器的发展 143158514102101.7.2换热器技术的发展前景 14155231.8板式换热器设计 15195911.8.1设计方案论证 1570572确定设计方案 17140162.1设计主要内容 17325082.1.1工艺结构设计 172202.1.2有限元分析 17132322.2结构选择 17228602.3结构设计 17143062.4材料选择 18206842.5方案制定考虑因素 18161883传热计算 197283.1设计工况 1971503.2传热计算主要物性参数以及计算结果 19130193.3计算内容 20239893.3.1两端不同介质的定性温度 2029973.3.2总传热量Q 20158033.3.3通道数与流程数的假设 20236893.3.4对数平均温差∆tm的计算 20262873.3.5冷热两端板片的对流换热系数 21176573.3.6选取污垢热阻r1和r2 22252413.3.7计算总传热系数K 2251703.3.8计算所需传热面积 2210633.3.9求板片数Nt：由传热面积求板片数 22311023.3.10求板片数NT：由流程数和通道数求板片数 2339743.3.11确定板片数 23230913.4压降ΔP计算 23181953.5富裕度计算 24464板片以及垫片的选用 25251784.1板片的选用 25115984.2板片的密封结构 26271964.2.1密封槽 26172784.2.2密封垫片的结构形式 2728814.2.3密封垫片材料 27282404.2.4密封垫片的压缩比 27141605导杆 28251455.1导杆计算结果汇总 28313425.2计算内容 2899685.2.1导杆长度L1 28169475.2.2夹紧尺寸L 28198395.2.3上导杆挠度计算 2956466接管法兰 31143316.1接管法兰对应参数汇总 31283116.2接管参数 3120617螺栓、螺柱 3231957.1螺栓、螺柱参数汇总 32129747.2计算内容 32296448开孔补强 33273278.1开孔补强计算结果说明 3358118.2计算内容 3324931A1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多于面积 3421209A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多于面积 344690A3有效补强区内焊缝金属的截面积 3416136故开孔后不需补强。 34172659有限元分析 35293879.1模型建立以及网格划分 35231519.1icem网格划分效果及质量 35259.2边界层网格划分 35779.2边界层网格划分 36223499.3面网格设置选项 3625339.4温度分布图 37204809.5速度分布图、速度矢量分布图 3756219.6收敛残差 3995939.7结论 39517510经济性分析 402759711本次课题重点内容 411806212本次设计亮点及难点 41273749结论 422379参考文献 441概述1.1国家双碳政策近年来，随着工业产业的不断发展碳排放已经达到了必须减少的地步。随着工业的发展我们所处的地球环境也出现了许许多多的问题，例如：工业化的发展以来全球气温快速升高，全球海洋含热量也持续升高，海平面不断升高，海冰范围不断减少，冰川物质也在不断消耗。因为气候变暖也导致了全国各地自然灾害频发，据调查，受温室效应的影响近年来各地频繁爆发自然灾害：加州火山爆发频繁、冰川融化、中国出现旱涝等现象。随着碳排放越来越高专家预测持续性的气候变暖最终将会影响到人类的生存环境甚至导致物种灭绝。而气候变暖究其原因是因为温室气体的排放，由长期的监测数据来看，气温的变化与二氧化碳的排放有着密切关系。原本森林面积所吸收的二氧化碳排放量是可以达到平衡的，但是由于人类活动的工业生产化，打破了这个平衡。所以联合国决定对此现象做出调整。我国为了响应联合国号召也参与了《巴黎协定》。其中“碳中和”是协定框架下的共识。而“碳达峰”是二氧化碳排放量由增加转为下降的历史拐点。“碳中和”是中国基于人类命运共同体的担当与责任。习近平总书记在20年联合国大会上提出了我国在2030年前达到二氧化碳峰值，2060年实现“碳中和”的目标。身为21世纪的青少年，更应该要为此做些什么。我们要秉着坚持人与自然和谐共生。完善全球环境治理的理念去发展，去创作。现阶段，各个行业也都向这个目标前进着。例如：汽车行业，新能源汽车行业的崛起与这目标有着不可分割的关系。智能节能系统的的研发也在不断发展的路上，各个耗能企业也在国家政策下，响应国家号召一起努力达到碳中和目标。做好“碳达峰”、“碳中和”的工作，不仅影响着我国绿色经济复苏和高质量发展，而且对保护地球生态环境、推进气候变化的国际合作都具有我相当大的意义。此次课题也响应双碳政策，积极为达到双碳目标做出更大的贡献。1.2钙基热化学储能原理钙基热化学储能有多种储能体系，经研究表明能够实现钙基热化学储能的储能材料也有多种。其中主要包括碳酸钙/氧化钙和氢氧化钙/氧化钙两种，由于其反应温度的不同两种不同的储能体系可以应用于不同的场合。可分别应用于集中式太阳能发电与分布式发电等。两种体系反应原理相似，分解过程吸收热量，可以将热量储存起来，而其分解过程产生的化合物在合成过程中释放热量，这两种结合就可以达到储放热的效果。不过由于其化合反应反应温度过高，经常会导致反应物在循环过程中出现烧结、孔隙堵塞等问题。针对这一情况，许多专家对钙基热化学储能材料进行了许多复合研究。1.3换热器概念及应用1.3.1换热器概念换热器其另一个称呼也被叫做热交换器，它是将热流体或者热介质的一部分热量通过一些方式传递给冷流体或者冷介质。换热器在工业领域尤其是化工领域应用广泛，在视频、化工、是由、制药、机械等领域都有涉及。换热器其存在的形式可以使一种单位设备。例如：冷凝器、加热器等，也可以附加存在，比如是某一大型设备的组成部分。换热器在不断地更新发展，其发展不仅是换热器行业自身的发展，更是为使用换热器的各个行业的能源问题提供更好更优的解决方案。换热器不仅仅是确保某些工艺技术的广泛使用设备，还是二次开发能源，能源再利用的主要设备。在换热器发展史来看，换热器的制作用途，种类也发生了许多发展。其中有管壳式换热器、板式换热器、U型管换热器等等。不同结构形式的换热器也拥有不用的优点和缺点。1.1.2换热器主要结构及其使用特点热交换器的性能由热交换器的结构决定。能否设计出合理的结构，决定了换热器能否发挥预期的作用。在各种场合，有适合这种场合的热交换器结构。在设计管壳式换热器结构时，应考虑很多因素，如材料选择、压力和温度、壁温差、流体是否容易结垢、流体特性、维护和清洁等。因此，在设计换热器时，应结合各种因素选择合适的设备结构。尽管一些新型换热器比板式换热器具有更高的换热效率和更小的体积，并且可以消耗更少的金属材料，但板式换热器由于其更坚固的结构、更高的操作灵活性和更高的可靠性，仍然可以在化学工业中广泛应用。换热器的形式应根据介质类型、压力、温度、污垢等条件、管板的连接方式、换热管的形状、传热条件、成本、维护和检查的方便程度来选择，根据不同结构形状的特点，选择和设计不同的板式式换热器。以下重点介绍典型板式式换热器的结构分类和使用特点。1.4板式换热器结构分类和使用特点板式换热器不同于一般传热面上由管子制成的管式换热器。它们的共同特点是，用作传热表面的板是一个平板或一个略呈锥形的伞形板，其具有各种凹凸条纹或不同截面形状的翅片。当流体流经平板表面时，会产生扰动，使边界层变薄，产生湍流，从而获得较高的传热效率。与管壳式换热器相比，它具有传热效率高、结构紧凑、重量轻等优点。此外，换热器中的流体可进行平行流、逆流和横流，并可根据换热面积的大小增减板。因此，它适应性强，应用越来越广泛。随着板式换热器研究的深入，板式换热器的形式越来越多。1.5板式换热器1.5.1可拆式板式换热器可拆卸板式换热器设计用于将薄金属板冲压成凸凹形状，并在其周围粘上合成橡胶密封件。拉瓦尔的“卡扣式”密封，直接固定在板上；对于GEA板，板的狭缝较窄，较低宽度为梯形。密封件通过密封件和板槽之间的过盈配合牢固压紧。通过开发无胶密封连接技术，板式换热器的安装和维护时间可达到80%。中国的板式换热器在20世纪80年代得到了大力发展。邯郸板式换热器工贸公司继四板式换热器总厂和天津板式换热器厂开发了2M2的单芯片面积后，于1992年成功生产了中国最大的300MN板式换热器专用压机，单芯片面积已达2.7m2。可拆卸板式换热器易于拆卸和清洁，换热器面积可灵活扩大或缩小。它广泛应用于加热技术中。但由于自身结构的限制，一般可拆卸板式换热器的使用压力不超过2.5MPa，使用温度不超过250℃。此外，液体和密封之间也存在相容性。3.1.2焊接板式换热器采用焊接结构代替橡胶密封，消除了密封材料耐温、耐腐蚀和耐压的限制。焊接板式换热器的安装焊接板内部不能用机械方法清洗，全焊接式只能用于介质中的换热，不易结垢。Chiyoda-Bavaria焊接板式换热器的真空工作压力高达6Mpa，单位换热器表面面积超过1480m2。由Nouvelle应用技术公司发明的PACKINOX换热器代替管式换热器，作为炼油厂催化重整装置的混合换热器，已得到推广应用。紧凑轻便的PACKINOX换热器可以由不同的合金制成，表面面积为100010000m2。1.5.2板壳式换热器自20世纪80年代以来，欧美工业化国家开始开发和发展各种类型的板壳式换热器。板壳式换热器的基本结构与板壳式换热器相似，但板壳间距增大，密封被提起。板通过焊接连接成一个通道。板式换热器和壳式换热器最适合介质清洗、高热交换和低压。20世纪80年代，法国PACKINOX公司首次在催化重整装置中使用大型板壳式换热器取代传统的管壳式换热器。20世纪90年代末，PACKINOX在加氢装置中使用了大型板壳式换热器，其产品通过了UOP（联合石油公司）认证。板壳式换热器在我国起步较晚。1999年，兰州石油机械研究院成功研制出大型板壳式换热器，并于1999年5月8日移交中石化评估。1.5.3螺旋板式换热器螺旋板式换热器以前在国外用于将能量回收为废液和废气。螺旋板式换热器的结构包括螺旋传热板、膜、顶盖、连接管等基本部件。螺旋通道中流体流动产生的离心力允许流体在通道内外形成二次循环，并增加扰动。螺旋板式换热器具有体积小、效率高、易于制造、成本低、换热与地温差大等优点。目前的问题是如何进一步提高换热器的承压能力。中国从20世纪60年代开始生产螺旋板式换热器。当时，它们主要用于烧碱厂的电解液加热和浓碱冷却。目前，螺旋板式换热器在我国已形成规模，国家制定了配套技术标准，设计制造技术在我国已经成熟。1.5.4板翅式换热器20世纪30年代，先进国家首次将板翅式换热器用于发动机散热。其板束单元结构由板条、薄膜和密封件组成。它具有延伸的二次传热表面（翅片），因此传热过程不仅在一次传热表面（膜）上进行，而且在二次传热表面上进行。中国从20世纪60年代初开始制造板翅式换热器。它首次用于空气分离制氧，并制造了第一套板翅式空气分离装置。近年来，在产品结构、翅片规格、生产技术、设计和科研等方面取得了很大进展。板翅式换热器因其结构紧凑、重量轻、传热强度高而被认为是最有前途的新型换热设备之一。1.5.5伞板式换热器伞板换热器采用波纹屏蔽板作为传热元件。它创建于20世纪60年代初，独立于中国和瑞典。其结构与板式换热器基本相同。屏蔽板式换热器的特点是：板材采用旋压成型，不需要大型冲压设备和昂贵的大型冲压设备；拆卸、清洗方便，可自由增减板片，可适应换热范围的变化。筛板换热器适用于小流量、小温差、高粘度液体的换热，其缺点是：密封周长，易泄漏；受密封材料性能限制，不耐高温高压，工作温度通常低于120℃，工作压力1MPa以下；高流体阻力。1.6换热器的选择原则热交换器的结构类型应根据以下原则确定，具体取决于工艺条件和介质特性：（1）如果工作压力高或管壳侧介质混合导致产品变质或影响安全运行，则应选择U型换热器；（2）如果杯侧介质为清洁液体，冷流入口和热流入口温差小于110℃，选择固定式管道换热器时，根据结构计算要求考虑是否调整膨胀节；（3）如果清洁介质流量小，工作温度和压力低，应选择板式换热器；（4）如果平均流量小，传热范围小，工作温度和压力高，或介质中含有固体颗粒，则应选择壳体换热器。（5）如果介质容易结垢，且冷电流入口和热电流入口之间的温差较大，则应选择浮头换热器[6]。浮头式换热器的广泛应用是因为管束的热膨胀不受壳体的限制，换热器管可以拆卸以清除管束和壳侧的污垢，换热器管的维修和更换更加方便。在油田储运系统中，60%～70%的换热器是浮头式换热器。1.7换热器的发展概况1.7.1换热器的发展在工业需求方面，换热器通过不同温度的液体实现生产材料之间的能量传递。因此，换热器是一种节能系统，它采用了牛顿第二定律的原理，即热量总是从顶部到底部。该工艺既能满足生产工艺要求，又能达到节能目标.世界上第一批热交换器出现在20世纪20年代.本换热器属于板式换热器，主要用于食品工业.这种换热器的特点是结构紧凑，传热效率高.20世纪30年代初，瑞典出现了螺旋式换热器。同时，板式换热器诞生于英国；上世纪30年代末，瑞典纸浆厂遇到了为用壳式换热器解决这一问题而制造的高腐蚀环境问题，从此开始关注换热器的材料。在20世纪60年代，焊接、冲压、密封等技术的快速发展导致了更有效的换热器的出现。此后管式换热器迅速发展.上世纪70年代，科学研究人员还研究制造了热交换器，以满足提高传热的需要；80年代，市场上出现了各种先进的换热器，进而刺激了换热器的发展。随着换热器在生产中的发展和应用，越来越多的换热器将进入21世纪[7]。随着经济的快速发展和工业化进程的加快，能源短缺问题正变得全球性。开发新能源、保护环境、打击节能已成为世界各国的共同任务。近年来，国内换热器行业在提高换热效率和节能方面取得了突出成绩。我们拥有广阔的换热、制冷和散热设备市场，市场需求量大.根据政府政策和不断增长的市场需求，中国换热器行业的发展前景看起来是一家充满希望和繁荣的朝阳企业。1.7.2换热器技术的发展前景近年来，随着新技术的引进和节能技术的发展，提高换热器的导热系数，开发新型节能换热器已成为换热器设计和生产的主要任务。一个重要的问题是，在中国的石化行业，大多数类型的换热器是管式换热器，其中70-80%是弯板。折壁式弯曲换热器具有巨大的节能优势，为节能做出了巨大贡献。然而，弯板换热器也存在压力损失大、死区大、振动大、效率低等问题。这限制了它们在节能减排新形势下的应用和发展，促进了换热器的发展和进步，提高了换热效率。根据改进的传热理论，有必要增加传热系数较小的一侧，以有效提高管道两侧的整体传热系数[8]。在第一次模拟试验中，由于先进的传热理论无法确定管内或管外的传热系数，因此无法将其应用于工程过程中，从而可以在所有工况下获得最佳的整体传热系数。因此，有三种趋势：强化管内传热、强化管外传热和强化管内传热。根据不同的工作条件和应用要求，这些先进的传热类型得到了更精细、更先进的结构类型。这就是为什么几十年来许多人一直致力于研究和开发改进的、更有效的热交换器。例如，近年来出现了喷射滑动式换热器、焊接板式换热器、螺旋式换热器、新型管式旋转式换热器和钛环式换热器。由于其广泛的应用，管壳式换热器也得到了改进。管壳式换热器一直是换热器领域的领军人物，大约70%的换热器是管壳式换热器。管壳式换热器是目前应用最广泛的换热器，理论研究和设计方法有待改进。这是一种很好的高可靠性换热器。目前，许多国家都在研究提高换热效率的技术，以提高换热效率。管式换热器的研究和开发主要在两个方面进行：一是研发新型高效换热器，提高换热器的换热效率。其次，梁载体结构的改变改变了壳体中液体的流动方式，主要是从横向流动到纵向和螺旋流动，从而提高了传热效率，降低了壳体的运行阻力[10]。在管壳式换热器中，持梁器是一个干扰元件。它直接影响壳程中液体的流动和传热性能。它是提高壳体传热系数的关键因素。因此，大部分通过壳体的强化传热研究集中于改进和创新壳体支撑的支撑结构，从20世纪70年代的原始膜到解耦手柄，以及许多通过壳体支撑的新结构，例如，作为螺旋膜和自支撑管，后来发展成圆形膜、空心环等形式。D.专注于路边的强传热话题，并继续。数值计算比较了分段螺旋偏转器和连续螺旋偏转器。对于连续螺旋折板，当距离相等且偏转板旋转次数最多时，其热性能最高。与分段等距膜相比，压降最小，抗振性能更好[11]。在管内换热性能显著提高的情况下，提高覆层的换热性能和覆层结构的改进与创新是各种新型换热器的主要研究方向。一般来说，新型射流支架可以使壳体一侧的液体以不同的流动模式流动。它们的共同特点是能有效改善壳程的传热效果，大大降低流动阻力。然而，这些新型换热器设计复杂，制造困难，成本高，因此很难引入新型管式换热器。在未来，换热器的发展将集中在简化支撑结构、降低成本和有效地结合有效的加强管上。1.8板式换热器设计1.8.1设计方案论证本设计严格遵照GB150《钢制压力容器》与GB151《管壳式换热器》，掌握了对板式换热器的工艺计算，强度校核和结构设计以及零部件的选取，还有制造与安装检修等方面的内容。本设计拟选定板式换热器，确定换热器换热基本情况及换热面积等参数。然后进行结构上的设计和强度计算，确定工艺结构的尺寸。其他零部件的初步选定。壳体的公称直径，以及总传热系数校核。进行四种管板的工况校核，确定换热器换热基本情况及换热面积等参数。然后设定通道数、流程数，计算平均温差、求解对流换热系数、求解传热系数、计算传热面积、由传热面积求板片数、由通道数与流程数求板片数、求压降看是否符合要求，然后进行校核并修改得到工艺尺寸设计数据。其结果都满足要求。然后进行水压试验，结果也都满足要求。最后再根据标准选取鞍式支座、垫片等。通过对换热器传热面积和板面数的相关资料学习，了解了板面表面形式的发展过程和各种板面进行比较以及传热板的研究现状，从而确定了本次设计的意义。然后根据相关知识，进行了一系列相应的设计计算，并最终完成了夫人年末换热器总体的结构设计，并绘制出了设备总图及零部件图。其中包括固-液换热器总图，板式换热器流动示意图，部分附件零件图等。再对换热器的一定容积进行Fluent流场分析。最后够通过设计过程中对国家标准及相关设计资料的查阅，更多地将其设计过程和工艺、制造、使用、维修等几方面的内容联系起来，从而能够做到统筹兼顾。2确定设计方案2.1设计主要内容2.1.1工艺结构设计任务书要求：根据钙基热化学释能过程反应（>600°C）工况，设计板式换热器，实现加热冷水（25°C）。具体工艺设计流程如(图2.1)图2.1板式热交换器的工艺设计流程2.1.2有限元分析其中对换热器进行Fluent流场分析包括（设置材料、设置边界条件、设置流固交界面、设置迭代算法及松弛因子、迭代计算及结果分析）（图2.2）图2.2有限元分析流程2.2结构选择粉末换热器主要由板、密封件、固定和移动密封板、上下导轨杆、夹紧螺栓、支架、法兰和连接管组成。2.3结构设计传热计算后，需要设计板式换热器各部分的尺寸和厚度，特别是板式换热器的结构、密封、压板、导轨杆、夹紧螺栓、法兰和连接管。严格按照国家标准选用标准件，如GB150钢制压力容器和GB-T151-2014换热器。同时，在保持强度的前提下，尽量选择市场上常用的材料，降低经济性。2.4材料选择板式换热器的材料选择必须基于所需的参数，如温度、压力和液体腐蚀。在高温和腐蚀条件下，大多数材料的质量都会降低，具有耐高温、耐腐蚀和高强度的材料相对稀少且价格昂贵。目前常用的材料有：铝、低合金钢和不锈钢；非金属材料包括石墨、聚四氟乙烯和玻璃不锈钢，有色金属具有良好的腐蚀性能，但由于成本高和缺乏金属而很少使用。垫片材料必须具有弹性、耐热性、耐腐蚀性等特性。垫圈由丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶和其他材料制成。以原油和海水为介质的植物。这些材料耐高温。丁腈橡胶的最高工作温度为140℃，乙烯橡胶的最高工作温度为160℃，氟橡胶的最高工作温度为180℃[13]。2.5方案制定考虑因素换热器是一种重要的工业设备，尤其是管壳式换热器，广泛应用于化工、食品工业、制造业等领域。换热器作为一种节能减排装置，对节能减排做出了重要贡献。因此，在设计换热器时，有必要最大限度地提高换热器的热性能，或开发一种新型高效节能的换热器，以达到环保、提高效率、节能减排的目的。在设计热交换器时，安全是最重要的。大多数热交换器都有高温和高压。热交换器中的液体介质可能具有腐蚀性、毒性、易燃性等。如果换热器发生故障，不仅会影响设备本身，还会影响周围的设备和建筑物，从而导致事故和不可预见的灾难。因此，在设计换热器时，必须根据压力容器可能出现的误差形式，满足换热器的强度、刚度、稳定性、密封性和腐蚀性的基本要求，以确保换热器的绝对安全性和稳定性。换热器的设计也必须满足生产要求，所设计的换热器必须满足要求，使所设计的产品能够稳定可靠地运行。此外，设备必须能够在一定的生产负荷和运行参数波动下运行和管理。此外，必须检查设备和组件是否适合运输和拆卸，以及维护和更换。热交换器必须严格按照国际标准设计。在满足要求的前提下，应简化换热器的设计，并尽可能减少换热器的体积。此外，当热交换器运行时，制造商必须严格遵守热交换器的使用说明，确保其能在规定的条件下使用，并防止与安全相关的事故和事故。3传热计算3.1设计工况任务书要求：根据钙基热化学释能过程反应（>600°C）工况，设计板式换热器，实现加热冷水（25°C）。3.2传热计算主要物性参数以及计算结果 本次课题主要物性参数以及其计算结果我做了一个表单，起目的在于之后的设计任务，在此将表单内容绘制成表格，汇总观看，之后将说明如何计算所得到的数据。板式换热器传热部分各介质物性参数以及传热部分计算结果如下表（3.1） 表3.1板式换热器主要物性参数以及计算结果名称数据显示板间距10mm板厚0.6mm热端流量3000kg/h所需冷水量2598.670544流道宽400mm单片传热投影面积0.4㎡热端进口温度 700℃热端出口温度 323℃冷端进口温度 25℃冷端出口温度 90℃热端介质氧化钙比热容 0.83冷端介质水比热容 4.17热端介质氧化钙密度 3100kg/m³冷端介质水密度 988.1kg/m³3.3计算内容3.3.1两端不同介质的定性温度氧化钙定性温度介质水定性温度3.3.2总传热量Q 热端氧化钙质量流量为3000kg/h冷端冷水质量流量为3.3.3通道数与流程数的假设假设流程数：氧化碳m1=1，冷水m2=1假设通道数：氧化碳n1=1，冷水n2=23.3.4对数平均温差∆tm的计算在平均温差这一部分还需计算其温差的修正系数温差修正系数φ由GB151查得，温差修正系数为0.88则3.3.5冷热两端板片的对流换热系数要想求得板片两侧的对流换热系数就要计算出氧化钙端以及冷水端的流苏、质量流苏、当量直径、雷诺数以及普兰特系数。计算结果如下：氧化碳侧流速u1氧化钙质量流量ω1氧化钙当量直径de氧化碳雷诺数Re1氧化碳普朗特数Pr1由此可求出氧化碳侧对流传热系数α1冷水端冷水流速u2冷水质量流量ω2冷水当量直径冷水端雷诺数Re2冷水端普朗特数Pr2由此可求出氧化碳侧对流传热系数α2从上面计算结果可以得出，热端介质固体颗粒氧化钙流速远远小于冷端水的流速，故得出结论，本次课题到此阶段复合要求。3.3.6选取污垢热阻r1和r2查得：氧化碳侧污垢热阻r1=0.00051（m2∙℃）/W冷水侧污垢热阻r2=0.00017（m2∙℃）/W3.3.7计算总传热系数K根据GB/T151查得板材导热系数为Λ=14.4W/(m∙℃)可求得：3.3.8计算所需传热面积 3.3.9求板片数Nt：由传热面积求板片数 3.3.10求板片数NT：由流程数和通道数求板片数 3.3.11确定板片数确定板片数需要满足条件：从上面计算结果得出，本次设计满足条件，故确定板片数为43.4压降ΔP计算 因为本次换热器设计采用了钙基热化学原理作为换热器热源，化学反应过程中有着较高压力，故需要计算压降，验证是否满足要求。氧化碳一侧：热水端校正系数则可计算出最后可得出热端压降已知允许最大工作压力所以由此得出结论，氧化碳一端复合压降要求。同理，冷水端一侧也用上述办法进行计算，计算结果如下：与允许最大压力做比较，也符合压降要求。3.5富裕度计算由于换热器在加工过程中不可避免的存在误差等原因，故在设计环节要留出足够的富裕度，从而使加工过程顺利进行下去。板式热交换器的传热系数，本次设计选总传热系数K估=210W/(m2∙℃)则富裕度计算公式为计算结果求得富裕度为15.9％。以上为板式换热器传热部分计算内容，经过多重验证，在传染部分，此次设计的板式换热器可以满足预设的传热要求，设计合理。接下来进行部分主要构件选型以及主要构件的强度校核工作。4板片以及垫片的选用4.1板片的选用板片这一元件作为板式换热器的关键元件，在选择上不仅要考虑其结构设计是否合理还需要考虑板片本身的传热性能、阻力降以及对整机的承压能力。对于板片形式，在百年的发展下，板片主要的波纹形式有：横向人字波纹型、纵向人字波纹型、水平波纹、竖直波纹、斜波纹等等。就目前调查来看，大多是板式换热器板片选用的都是人字波纹型，是因为这种类型的板片属于典型的网状流动版型结构，拥有这种结构的板片可以在由板间构成的流体通道中，无规则的布满触点，流体在其中流动的过程中，在触点间环绕流动，从而产生强烈的扰动，这样就可以有效的提高对流换热系数，从而可以提高换热效率。板式换热器的板片结构在多年的发展下千差万别，但其主要目的都是想要利用板片的结构形式来提高换热效果、承压能力以及增大版面的刚度。理想型的板片结构能够起到的作用为以下几点：较大的传热面积、较低的压力降、较高的传热系数在此基础上还应该具有较好的刚性，较好的刚性可以使紧固压紧板和活动压紧板在夹紧力的作用下相互支撑，借此抵抗通道内不平衡压力所带来的冲击。因此，在版型的选择中还应考虑支撑点的合理分布。根据以上所述本次设计选用BP型人字波纹型板片。据市场调研人字型波纹如下图所示： 图4.1横向人字形波纹；纵向人字形波纹选择此波纹的原因是，横向人字形波纹板片，流体在经过通道时会比较顺畅，不会遇到特别大的阻力，并且压力降十分的小，但是不利于换热效果，因为横向人字波纹板片的换热系数较纵向人字波纹形稍低。适用于低流速、高粘度、流量较大的场合。而纵向人字波纹形虽然其换热系数较高但不适用于压力较大的场合。得出结论，在以上分析上选用横向人字波纹形板片。板片外形尺寸由计算得出;根据传热部分计算结果，本次板式换热器所需要的单片换热投影面积为0.4㎡，流道宽为400mm，因此单片传热的投影长度为：再加上板片还在换热器设备中需要考虑到密封问题，需要一定练得密封槽，以及固定导杆需要留出的长度最后加上富裕度的余量，暂定板片长为1500mm，宽为550mm。4.2板片的密封结构任何一种化工设备其密封结构都是不可或缺的一环，在板式换热器的设计当中，合理的密封结构设计不仅能够提高板片的刚度还可以提高板式换热器的耐压性能，最重要的是能保持合理的密封性不造成资源浪费。而密封结构是由板片的密封槽和密封垫片决定的。密封垫片的物性、密封槽形式、密封垫片的压缩比是合理设计板式换热器密封结构的三大要素。以下内容对三大要素进行选择设计。4.2.1密封槽密封槽的实际是决定密封垫片在设备运行中的稳定性，密封槽的合理设计也直接关系到能不能达到预计的密封效果。密封槽的设计是为了使密封垫片在受热、受力的情况下也能够在设计位置上不发生位移，从而导致密封失效。据市场调查密封槽形式主要右下图两种：图4.2密封槽形式据调查，国内外各种版型密封槽的设计都是采用的平面设计，图4.2a所示的密封槽形式优点是加工成型简单、密封垫片结构简单、易于粘接、密封垫片与密封槽结合是在其内的稳定性好。但是接连是要求较高，不允许有偏移，对位必须准确无误，为此有相关人士针对密封槽形式做了大量研究和试验，研制出了图4.2b的密封槽形式。这种形式具有组装式稳定、提高刚度、降低夹紧力等优点。因此本次密封结构设计中密封槽设计为图4.2b的形式。4.2.2密封垫片的结构形式密封垫片的截面形式大致有矩形、梯形、六边形、五边形等。在换热器设计过程中常用的密封垫片结构形式如下图：图4.3密封垫片结构形式对于上图a所展现的密封片形式来说其优点是当板片密封槽地步平面有缺陷时，这种结构的密封垫片可以抵消一部分。缺点是此形式密封为平面密封而不是线性密封。对于上图b可以减少密封垫片的压缩量但是在板片装配过程中，板片容易错位，还会因为夹紧力过大极容易导致板片变形。通过分析和试验设计出的上图c密封片结构形式，可以使装配更加简单，同时提高了板片的承压能力。由此，本次设计采用图4.3c的密封垫片形式。4.2.3密封垫片材料板式换热器垫片材料要同时具备弹性、耐热、耐腐蚀等性能，常用的几种材料：丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶等等材料的垫片常用于原油、海水为介质的设备中，这几种材料在耐高温程度上是不同的。丁腈橡胶最高使用温度为140℃，乙丙橡胶最高使用温度为160℃，氟橡胶最高使用温度为180℃[13]。其次，合成橡胶密封垫片的物理性能的指标主要侧重于在工况条件下的永久压缩变形以及扯断伸长率，而橡胶材料垫片是根据密封槽的形式以及需要的压缩量所决定的硬度指标。因此本次换热器设计密封垫片材料选择合成橡胶垫片。4.2.4密封垫片的压缩比密封垫片压缩比掌握在百分之二十到百分之二十五之间。5导杆5.1导杆计算结果汇总表5.1计算结果物理参数计算数据导杆长度L1(mm)板片及所充介质重力所引起的上导杆跨度中点载荷q2活动压紧板自重F2圆整后导杆长度L1夹紧尺寸L固定压紧板内侧至活动压紧板自重作用点的距离b2板片上导杆槽的距离（mm）上导杆体积V（mm3）上导杆重量G（N）上导杆自重均布载荷q1(N/mm)上导杆自重所引起的上导杆跨度中点的挠度f1（mm）板片及所充介质重力所引起的上导杆跨度中点的挠度f2（mm）活动压紧板自重所引起的上导杆跨度中点的挠度f3（mm）上导杆总挠度f（mm）526.88N/mm39.775N/mm2500N530mm40mm62.5mm900mm1696000130.4730.2460.00420.03300.04570.08295.2计算内容5.2.1导杆长度L1 5.2.2夹紧尺寸L5.2.3上导杆挠度计算表5.2计算所需数据汇总物理参数计算数据Q235弹性模量（GPa）Q235密度(kg/m3)上导杆体积V（mm3）上导杆重量G（N）上导杆自重均布载荷q1(N/mm)上下导杆惯性矩J（mm4）板片总质量（kg）氧化碳介质总质量（kg）水介质总质量（kg）介质总重量（N）压紧板自重F2（N）固定压紧板内侧至活动压紧板自重作用点的距离b2（mm）21078501696000130.4730.2462852338.37408116.758437.2151591.013250062.5将表中各数据代入上导杆挠度计算公式中可得出上导杆挠度。上导杆自重所引起的跨度中点的挠度f1充介质重力所引起的上导杆跨度中点的挠度f2活动压紧板自重所导致的上导杆跨度中点的挠度f4上导杆挠度f由此结果可得出结论，上导杆挠度符合设计要求。6接管法兰6.1接管法兰对应参数汇总表6.1参数汇总物理参数计算数据板片上角孔直径D(mm)公称直径DN(mm)接管外径A(mm)法兰外径D(mm)螺栓孔中心圆直径K(mm)螺栓孔直径L(mm)螺栓数量n螺栓螺纹规格密封面d(mm)密封面f(mm)法兰厚度C(mm)法兰高度H(mm)法兰颈N(mm)法兰颈S(mm)法兰颈H1(mm)法兰颈R(mm)808089200160188M16132220501103.21066.2接管参数表6.2接管参数汇总物理参数计算数据接管材料接管外伸长度l(mm)接管公称直径DN外径(mm)壁厚(mm)设计温度下的许用应力(MPa)20号钢15080894.5617螺栓、螺柱7.1螺栓、螺柱参数汇总表7.1螺栓螺柱参数汇总物理参数计算数据常温下夹紧螺柱钢材许用应力【σ】b(MPa)设计温度下夹紧螺柱钢材许用应力【σ】t(MPa)垫片有效密封宽度B(mm)夹紧状态下需要的最小夹紧螺柱载荷Wa(N)工作状态下需要的最小垫片压紧力Fp(N)工作状态下需要的最小夹紧螺柱载荷Wp(N)夹紧螺柱个数n螺母厚度m(mm)夹紧螺柱长度L2(mm)螺柱长度L2(mm)光杆长度(夹紧螺柱光杆长度应不大于夹紧尺寸Lmm)52076821829834.511389459513541025.6169.6530307.2计算内容预紧状态下需要的最小夹紧螺柱载荷Wa预紧状态下需要的最小夹紧螺柱总截面积Aa夹紧螺柱最小直径夹紧螺柱长度L2光杆长度取30，满足光杆长度不大于加紧尺寸，设计合理。8开孔补强8.1开孔补强计算结果说明表8.1开孔补强计算结果物理参数计算数据压紧板的计算厚度σ接管的计算厚度σt所需最小补强面积A(mm2)补强有效宽度B(mm)外侧有效高度h1内侧有效高度h2A1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多于面积(mm2)A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多于面积(mm2)A3有效补强区内焊缝金属的截面积(mm2)Ae有效补强范围内另加的补强面积(mm2)18.5650.3951485.217918.9702617.007155.75362808.768.2计算内容压紧板的计算厚度接管计算厚度最小补强面积有效宽度B两者取大值，则B=179mm外侧有效高度h1两者取小值，则外侧有效高度为18.98mm内侧有效高度h2两者取小值，则h2=0mm A1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多于面积A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多于面积A3有效补强区内焊缝金属的截面积有效范围内补强金属面积Ae所需另行补强面积A4故开孔后不需补强。9有限元分析在板式换热器设计过程中，板片板纹的选择至关重要，前文我也提及到了几点版型选择的重要性：板片这一元件作为板式换热器的关键元件，在选择上不仅要考虑其结构设计是否合理还需要考虑板片本身的传热性能、阻力降以及对整机的承压能力。对于板片形式，在百年的发展下，板片主要的波纹形式有：横向人字波纹型、纵向人字波纹型、水平波纹、竖直波纹、斜波纹等等。就目前调查来看，大多是板式换热器板片选用的都是人字波纹型，是因为这种类型的板片属于典型的网状流动版型结构，拥有这种结构的板片可以在由板间构成的流体通道中，无规则的布满触点，流体在其中流动的过程中，在触点间环绕流动，从而产生强烈的扰动，这样就可以有效的提高对流换热系数，从而可以提高换热效率。因此本次有限元分析就两种不同板片纹路进行水介质的温度分析、速度分析，以此验证选择的板片类型是否合理。以下是本次有限分析的主要操作步骤。9.1模型建立以及网格划分 图9.1是在建立二维模型的基础上进行模型的网格划分，模型为二维模型，参数完全按照设计过程中确定参数进行的建造。9.1icem网格划分效果及质量9.2边界层网格划分针对此模型进行了边界层的网格划分如图9.2，9.2边界层网格划分 9.3面网格设置选项9.3面网格选项9.4分析结果温度分布图9.4温度分布图分析上图9.4，我们可以了解到以下信息，在竖直波纹型温度变化不明显，而在人字波纹形介质流动时冷水端一侧因为波纹作用温度产生了变化，也就说明，人字波纹形纹路可以有效的提高换热效果。9.5速度分布图、速度矢量分布图如下图9.5，竖直波纹一侧速度平均，未产生旋涡，在人字波纹形波纹板片当中，介质流过由其波纹形成的通道时，速度有明显变化。在前文当中也提到过，人字波纹形板片所形成的的流道内布满了无规则触点，流体在其中流动的过程中，在触点间环绕流动，从而产生强烈的扰动，这样就可以有效的提高对流换热系数，从而可以提高换热效率。9.5速度分布图9.6速度矢量分布图9.6收敛残差9.7收敛残差9.7结论本次有限元分析，充分分析了竖直波纹形与人字波纹形在同种工况条件下的温度变化以及其速度变化。结合分析结果，验证了本次设计选择人字波纹形板片的合理性。10经济性分析在竞争激烈的现代社会，“经济合理”的消费观念已成为生产商的共识。一般来说，生产商对设备的要求是以较少的投资实现最大的经济效益，其经济技术指标具有竞争力。因此，经济技术指标评价是分析比较各种方案的重要因素之一。本设计的主体是可拆卸板式换热器。换热器具有不同的强度和应力，这取决于所选的零件和材料。换热器壳体、管箱等主要结构选用Q345R制造材料。Q345R钢是一种屈服强度为340MPa的压力容器专用板，具有优良的综合力学性能和工程性能。它是我国应用最广泛、应用最广泛的压力容器专用钢板。从换热管的强度和再制造成本来看，选用10钢。钢10具有良好的塑性，易于冷、热处理成型。通常用于制造储气罐、管道和接头。换热器各部件所用材料影响整个换热器的制造成本。换热器的成本计算需要从多方面考虑。首先要考虑所需材料的种类和数量，材料的数量和采购成本。如果成本太高，应考虑在不影响设备要求的情况下用更便宜的材料替换制造材料。其次，要考虑设备的制造成本、各部件和结构的材料制造方式、制造过程中的加工成本等，以确定价格是否合适。如果不合适，应考虑优化设备结构和简化零件，以降低必要的制造成本。换热器应考虑设备调试后所需的人工、操作人员、监督检查人员、维护人员等费用。如果设备操作复杂、人员密集、维护困难，则人工成本较高。因此，在设备设计过程中，设备操作简单，所需人工成本低，维护检查方便，必须降低人工成本。在使用热交换器期间，定期检查、维护和清理设备中的污垢也是必要费用的一部分，在设计时应予以考虑。因此，设备应尽可能可靠，维护保养少，易于拆卸和清洁。总的来说，换热器设计中考虑的主要设备成本是材料采购成本、制造成本、人工成本和维护成本。只有充分考虑到这一点，才能最大限度地降低成本和预算。11本次课题重点内容在600~900oC的工况条件下让CaO/CO2发生反应生成CaCO3，消耗CO2的同时利用放出的热量对25oC的冷水经行加热至需要温度。整个设计中的的重点内容有以下几个方面:1：钙基热化学储能的反应原理、反应条件、反应环境的设定，以及反应释放热量的利用。2：根据所给条件对板式换热器的工况经行设计，根据计算出的工艺参数来设计整体结构并且依据国标选择附件。3：强度校核，并且进行有限元分析来模拟工作状况。4：得到说明书并且给出有可能出现的故障及维修方案。12本次设计亮点及难点本课题的亮点在于，紧跟国家“双碳”战略，追寻清洁能源与可利用能源发展方向，结合本专业学习到的知识，在老师的