螺旋板式换热器设计Word文件下载.docx
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1.3设计思路及工作方法………………………………………………………………………10
第2章传热工艺计算…………………………………………………………………………………12
2.1设计参数及任务…………………………………………………………………………………12
2.2确定设计方案……………………………………………………………………………………12
2.2.1螺旋板换热器的分类………………………………………………………………………12
2.2.2设计计算中应考虑的问题…………………………………………………………………14
2.3传热量的计算……………………………………………………………………………………15
2.3.1传热量Q……………………………………………………………………………………15
2.4螺旋通道与当量直径的计算……………………………………………………………………16
2.5雷诺数与普兰特准数……………………………………………………………………16
2.6通道传热系数的计算………………………………………………………………………17
2.7总传热系数……………………………………………………………………………………19
2.8对数平均温差…………………………………………………………………………20
2.9换热器传热面积…………………………………………………………………………21
2.10螺旋板的有效换热长度……………………………………………………………………21
第3章几何设计…………………………………………………………………………………22
3.1螺旋板有效圈数…………………………………………………………………………………22
3.2螺旋板圈数…………………………………………………………………………………22
3.3螺旋通道长度…………………………………………………………………………………22
3.4螺旋体长轴外径……………………………………………………………………………22
第4章流体压力降…………………………………………………………………………………24
4.1第一种计算压力降的方法……………………………………………………………24
4.2第二种计算压力降的方法……………………………………………………………25
4.3第三种计算压力降的方法……………………………………………………………26
4.4确定压力降…………………………………………………………………………………26
第5章螺旋板的强度与刚度……………………………………………………………29
5.1螺旋板的强度计算……………………………………………………………………………29
5.2螺旋板的挠度…………………………………………………………………………………31
第6章螺旋板换热器的结构设计…………………………………………………………………34
6.1密封结构………………………………………………………………………………34
6.2定距柱尺寸……………………………………………………………………………35
6.3换热器外壳……………………………………………………………………………35
6.4压力实验………………………………………………………………………………35
6.5中心隔板尺寸…………………………………………………………………………36
6.5.1中心隔板宽度………………………………………………………………………36
6.5.2中心隔板厚度………………………………………………………………………37
6.5.3偏心距………………………………………………………………………………37
6.6接管……………………………………………………………………………………38
6.7法兰……………………………………………………………………………………39
6.8鞍座支座选取及安装位置……………………………………………………………39
6.9半圆端板………………………………………………………………………………40
第7章螺旋板换热器的稳定性校核………………………………………………………41
7.1设备校核………………………………………………………………………………41
7.2鞍座校核………………………………………………………………………………42
7.3筒体校核………………………………………………………………………………43
7.4壳体接管开孔补强校核………………………………………………………………44
第8章螺旋板换热器的制造简介………………………………………………………46
8.1制造工艺程序…………………………………………………………………………………46
8.2螺旋板式换热器制造质量的控制……………………………………………………………46
8.2.1螺旋板板材的下料………………………………………………………………………46
8.2.2板材拼接…………………………………………………………………………………46
8.2.3焊定距柱…………………………………………………………………………………46
8.2.4卷制螺旋体………………………………………………………………………………47
8.2.5焊接螺旋通道………………………………………………………………………………47
8.2.6螺旋板换热器的装配与试压……………………………………………………………47
第9章总结…………………………………………………………………………………………49
参考文献………………………………………………………………………………………51
致谢…………………………………………………………………………………………………52
第一章绪论
1.1换热器简介
1.1.1换热器在工业中的应用[1]
在工业生产中,为了实现物料之间热量传递的设备,统称为换热器。
换热器作为通用工艺设备,在化工、石油、动力、原子能、食品、轻工等许多工业部门有着广泛的应用。
出于不同的使用目的和工艺要求,换热器的形式很多(如:
热交接器、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等)而且仍在不断发展。
现在,为了适应我国现代化的需要,无论从有关工业本身的发展或从能源的开发、利用和节约来看,对换热器都提出了更高的要求,现在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。
(1)换热器在近代工业中的应用
在化工生产中,换热气是主要的工艺设备之一。
例如,在氮肥生产中,氮气和氢气的混合气体要在500℃左右的高温才能在催化剂的作用下合成氨,而氨与未反应的氮、氢气体的分离,则需要通过冷却与冷凝的办法以液体的形式分离出来。
这一生产过程中的加热、冷却与冷凝就是通过换热器实现的。
在酒精生产中,酒精精馏塔在操作时候,原料液需预热,釜底液体需要在再沸器中加热,塔顶产生的蒸气需冷凝。
这一生产过程中的预热、加热和冷凝也都是通过换热器实现的。
换热气在化工行业中的应用是十分广泛的,各种化工生产工艺几乎都要甬道它。
在制冷工业中,以食品的冷藏业常用的以氨为制冷剂的蒸气压缩制冷装置为例,经过压缩机压缩后的气态氨在冷凝器中被冷凝为液体;
液化后的高压液态氨在膨胀机或节流阀中绝热膨胀,使温度下降到远低于周围环境的温度;
这种低温氨流体在流经蒸发器时(布置在冷藏室中)吸热蒸发而回复到原先进入压缩机时的氨气状态。
然后,再重复新的循环。
在其它各种制冷装置中,都存在冷凝器和蒸发器等换热器。
在火力发电厂中,装有预热器、燃油加热器、给水加热器、蒸汽冷凝器等一系列的换热气。
其实,蒸汽锅炉本身也可以看作是一个大型复杂的换热气。
燃料在炉膛中燃烧产生的热量,通过炉膛受热面、对流蒸发受热面、过热器及省煤器加热共质,使工质汽化、过热成为能输往蒸汽轮机的符合要求的过热蒸汽。
在核电厂中,蒸汽发生器是一项很重要的工艺设备。
核燃料裂变所产生的大量的热量首先传给冷却剂,冷却剂在蒸汽发生器中再将热量传给水、使水汽化成蒸汽,由蒸汽来转动汽轮发电机发电。
此外,在核电厂系统中还装有各种加热器、蒸汽冷凝器等换热器。
(2)换热器在节能降耗中的应用
换热器在节能技术改造中具有很重要的作用,表现在两个方面:
一是在生产工艺流程中使用着大量的换热气,提高这些换热气的效率,显然可以减少能源的消耗;
另一方面,用换热器来回收工业余热,可以显著地提高设备的热效率。
1.1.2换热器的作用与发展历史
换热器的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度,同时也是提高能源利用率的主要设备之一,在日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等,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。
换热器既可是一种单独的设备,如加热器、冷却器和凝汽器等;
也可是某一工艺设备的组成部分,如氨合成塔内的热交换器。
换热器在节能技术改造中具有很重要的作用,表现在两个方面:
一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器,提高这些换热器的效率,显然可以减少能源的消耗;
另一方面,用换热器来回收工业余热,可以显著地提高设备的热效率。
工业炉烟气的余热回收,应满足炉内需要以节省炉用高质燃料;
考虑外部需要,争取得到更大的经济效益。
对于其它余热的回收,也应遵守以节约燃料为中心进行综合利用的原则。
由于工业余热分布广、形式各种各样,故节能方案也各不相同,但在各种节能方案中,换热器几乎是不可缺少的。
所以换热器在国民经济中占有重要的地位和作用。
换热器在工业中的应用,至少已有200余年的历史。
瓦特的蒸汽机诞生于1774年,瓦特蒸汽机的突出特点是配置有专门的冷凝器。
纽可门于1712年制成的蒸汽机,冷凝是在汽缸里进行的,效率低,煤耗大,且不能连续作功,所以不能用于工业生产。
瓦特对纽可门的蒸汽机进行了改造,让冷凝这道工序由与汽缸脱离的冷凝器来完成。
使蒸汽机的效率提高了五倍,煤耗减少了四分之三,更重要的是改造后的蒸汽机可以连续作功,使工业应用成为可能。
瓦特蒸汽机的推广使用,使人类进人了一个新的时代—蒸汽时代。
从此,换热器也就越来越受到人们的重视。
由于制造工艺和科学水平的限制,早期的换热器只能采用简单的结构,而且传热面积小、体积大和笨重,如蛇管式换热器等。
随着制造工艺的发展,逐步形成一种管壳式换热器,它不仅单位体积具有较大的传热面积,而且传热效果也较好,长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。
二十世纪20年代出现板式换热器,并应用于食品工业。
以板代管制成的换热器,结构紧凑,传热效果好,因此陆续发展为多种形式。
30年代初,瑞典首次制成螺旋板换热器。
接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器,用于飞机发动机的散热。
30年代末,瑞典又制造出第一台板壳式换热器,用于纸浆工厂。
在此期间,为了解决强腐蚀性介质的换热问题,人们对新型材料制成的换热器开始注意。
60年代左右,由于空间技术和尖端科学的迅速发展,迫切需要各种高效能紧凑型的换热器,再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展,换热器制造工艺得到进一步完善,从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。
此外,自60年代开始,为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要,典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。
70年代中期,为了强化传热,在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。
1.1.3换热器的分类
换热器按作用原理或传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。
混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器,又称接触式换热器。
由于两流体混合换热后必须及时分离,这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。
例如,化工厂和发电厂所用的凉水塔中,热水由上往下喷淋,而冷空气自下而上吸入,在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面,热水和冷空气相互接触进行换热,热水被冷却,冷空气被加热,然后依图1-1混合式换热器示意图
靠两流体本身的密度差得以及时分离。
蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面,从而进行热量交换的换热器,如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。
这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。
以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器,多用于空气分离装置中。
间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开,并通过间壁进行热量交换的换热器,因此又称表面式换热器,这类换热器应用最广。
间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。
管式换热器以管子表面作为传热面,包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等;
板面式换热器以板面作为传热面,包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等;
其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器,如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。
按生产中使用目的分类:
可分成冷却器、加热器、冷凝器、汽化器(或再沸器)
和换热器等。
按换热器所用材料分类:
可把换热器分成金属材料和非金属材料两类。
按换热器传热面的形状和结构分类:
它用于区分各种形式的间壁式换热器,
其分类有:
1.通过管壁传热的换热器(即“管式”)
(1)蛇管式换热器;
(2)套管式换热器;
(3)管壳式(列管式)换热器:
这类换热器又可分为固定管板式、U形管式和浮头式等
2.通过板面传热的换热器(即“板面式”)
(1)螺旋板式换热器;
(2)板式换热器;
(3)伞板式换热器;
(4)板翅式换热器;
(5)板壳式换热器;
3.其它形式的换热器;
这类换热器一般都是为了满足某些特殊要求而出现的,有些还处于发展阶段,其中比较成熟的,如回转式换热器和热管等。
1.1.4各种换热器的特点
管式换热器;
这一类型的换热器,虽然在换热效率、设备结构的紧凑性(换热器在单位体积中的传热面积m²
m³
)、和金属消耗量(㎏m²
)等方面都不如其它新型换热器,但它具有结构坚固,操作弹性大(指流体的温度和流量等参数在一定范围内有短时间的波动,对生产不会带来太大的影响)和使用材料范围广等优点。
尤其在高温、高压和大型换热器中,仍占着相当优势。
(1)蛇管式换热器:
它是最早出现的一种结构简单和操作方便的传热设备。
它本身又可分成沉浸式和喷淋式等两种。
a、沉浸式蛇管换热器:
蛇管多用金属管子弯制而成,或制成适应容器要求的形状,沉浸在容器中。
两种流体分别在蛇管内、外流动而进行热量交换。
这种换热器的优点是结构简单,价格低廉,便于防腐蚀,能承受高压。
主要缺点是由于容器的体积较蛇管的
体积大得多,故管外流体的a较小,图1-2喷淋式冷却器
因而总传热系数K也较小,并且设备1-直管;
2-U形管;
3-水槽;
4-齿形檐板
也显得笨重。
b、喷淋式蛇管换热器:
它多用作冷却器。
固定在支架上的蛇管排列在同一垂直面上,热流体在管内流动,自下部的管进入,由上部的管流出,冷水由最上面的多孔分布管(淋水管)流下,分布在蛇管上,并沿其两侧下降至下面的管子表面,最后流入水槽而排出。
冷水在各管表面上流过时,与管内流体进行热交换。
这种设备常放置在室外
空气流通处,冷却水在空气中汽化时可带走部分热量,以提高冷却效果。
与沉浸式蛇管换热器相比,还具有便于检修和清洗、传热效果也较好等优点,其缺点是喷淋不易均匀。
(2)套管式换热器:
套管式系用管件将两种尺寸不同的标准管连接成为同心圆的套管,然后用180°
的回弯管将多段套管串联而成。
每一段套管称为一程,程数可根据传热要求而增减。
每程的有效长度为4~6m,若管子太长,管中间会向下弯曲,使环形中的流体分布不均匀。
在需要传热面积不太大且要求压强较高或传热效果较好时,宜采用该换热器。
(3)管壳式换热器:
它是目前应用最为广泛的一种换热设备,已作为一种标准换热设备。
为了增加流体在管外空间的流速,以改善它的给热情况,在筒体内间隔安装了多块折流挡板。
换热器的壳体上和两侧的端盖上(对偶数管程言,则在一侧)装有流体的进
出口,有时还在其上装设检查孔,为安置测量仪表用的接口管、排液孔和排气孔等。
这种换热器的特点是易于制造,生产成本较低,选用的材料范围广,换热表面的清洗比较方便,适应性强,处理能力大,高温和高压下亦能应用。
但从传热效率、结构的紧凑性和单位换热面积所需金属的消耗量等均不如一些新型高效紧凑式换热器。
(4)板面式换热器:
这类换热器的传热性能要比“管式”换热器优越,由于结构上的特点使流体能在较低的速度下就达到湍流状态,从而强化了传热。
该设备采用板材制做,故在大规模组织生产时,可降低设备成本,但其耐压性能比“管式”的差。
1.1.5换热设备的发展趋势
当前换热器发展的基本趋势将是:
继续提高设备的传热效率,促进设备结构的紧
凑性,加强生产制造的标准系列化和专业化,并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。
1、管壳式换热器:
由于它具有结构坚固、弹性大和使用材料范围广等独特的优点,今后仍将在广泛的领域内得到继续发展。
尤其在高温、高压和大型化的场合下,更有其
广阔的发展前途。
但为了加强其传热效率,在高温和高压的条件下,采用电焊焊接式翅片管的结构将会得到重视和发展。
制造工艺上进一步机械化和自动化以及采用各种新技术,在发展管壳式换热器方面仍将占有重要的地位。
2、各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。
在压力、温度和流量的许可范围内,尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下,新型高效紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。
3、板式换热器:
虽然它具有某些优异的性能,但尚存在一些问题,有待今后继续加以妥善解决。
该种形式的换热器进一步发展的趋势,将是提高操作温度和操作压力,设计大型板片以增大它的处理量,扩大它的使用范围,并采用新的结构材料和新的制造
工艺。
其中尤以研制新的垫片材料,改进密封结构,增强板片的刚度,以便提高操作温度和操作压力,扩大使用范围等,将是今后发展的重点。
4、板壳式换热器:
由于它较好地从结构上解决了耐温、抗压与高效之间的矛盾,它兼有管壳式与板式换热器的优点,因而在化学工业中得到很快地推广应用。
今后将进一步扩大其使用范围。
另一方面,由于它的制造工艺比较复杂,焊接要求高,今后发展的趋势将如何进一步改进结构设计,发展新的成型和焊接工艺等。
5、螺旋板换热器的近期发展,将对其各种结构形式的换热器扩大其应用场合,同
时,如何进一步提高其承压能力,增大处理量,并改进焊接工艺,以适应石油及化学工业的要求。
6、板翅式换热器:
虽然由于钎焊技术的发展和不断完善而得到较快的发展。
但是,因一般硬钎焊的成本还是较高,而且要使用具有腐蚀性的焊剂。
目前已出现不使用焊剂的各种硬针焊方法,如真空钎焊和无焊剂钎焊等。
但这些方法还有待进一步研究。
因此板翅式换热器今后发展的趋势,主要是进一步完善各种新的钎焊方法和研究采用新的
制造工艺,并使板束尺寸和总组合体向大型化发展。
另外,在采用新材料和进一步扩大在化工和石油化工的使用范围也将得到发展。
7、新型材料换热器:
由于它们在耐强腐蚀性能方面具有特殊的优点,今后将随着化学工业的发展,进一步得到推广和应用,并且还将研究扩大所使用的材料,如碳化硅陶瓷的应用。
为了节约各种贵重材料,还将继续研究和发展各种新工艺和新技术,如复合、衬里及表面处理等技术。
8、新型热管换热器:
近几年来,热管换热器已在化工和石油化工等生产部门中推广应用,由于它具有效率高,压力降小,结构简单和紧凑等优点,发展较为迅速。
今后发展的趋势,将一面扩大热管在化工领域中的应用,另一面将对热管换热器,加强其高
性能工作介质的研究以及提高翅片制造、安装工艺水平和翅片的传热性能等。
1.2螺旋板换热器
1.2.1螺旋板换热器的发展概况[2]
1930年瑞典“Rosenblad”公司首先提出了螺旋板式换热器的结构,并很快投入了批量生产,取得了专利权。
此后英国的APV公司、美国的AHRCO公司和UnionCarbide公司、联邦德国的ROCA公司、日本的“大江”、“川化”公司以及荷兰、捷克、前苏联等国也相继设计制造出同类产品。
日本的螺旋板式换热器制造是在二次世界大战后星期的,各公司都制定了自己的系列标准。
前苏联在1966年颁布了螺旋板式换热器的国家我国从20世纪50年代开始在化工领域使用螺旋板式换热器,并进行了仿造。
到60年代中期,由于采用了卷床卷制,提高了产品质量并能批量生产。
1970原一机部通用机械研究所、苏州化工机械厂开始进行标准化、系列化工作,随后与原大连工学院协作对螺旋板式换热器的传热和流体阻力进行了系统的研究。
1973年原一机部制定标准JB对螺旋板式换热器的应用和推广起了很大的推动作用。
随着原南京化工学院和广西大学在螺旋板式换热器强度和刚度研究的进展,螺旋板式换热器的设计更加系统化。
20世纪80年代末至90年代
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