【正文】 流體處于近似螺旋流動(dòng)狀態(tài)。相比于弓形折流板，在相同工況下，這樣的折流板（被稱(chēng)為非連續(xù)型螺旋折 流板）可減少壓降 45%左右，而總傳熱系數(shù)可提高 20%～ 30%，在相同熱負(fù)荷下，可大大減小換熱器尺寸。 換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備，在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。本換熱器是用于空氣壓縮機(jī)級(jí)間冷卻，采用常溫冷卻水將壓縮后的高溫空氣冷卻到一定溫度，本次設(shè)計(jì)采用固定管板式換熱器。換熱器的設(shè)計(jì)分為工藝設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。在工藝設(shè)計(jì)部分，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)假設(shè)傳熱系數(shù)，計(jì)算換熱器的換熱面積以及初步確定換熱器型號(hào)、換熱管、管程和殼程數(shù)、折流板間距和數(shù)目以及內(nèi)徑等工 藝尺寸，然后進(jìn)行熱力核算和壓力降核算，確定面積欲度和換熱器壓力降均在合理范圍之內(nèi)，否則，要重新設(shè)定傳熱系數(shù)，重復(fù)上述過(guò)程，直至通過(guò)核算。機(jī)械設(shè)計(jì)部分分為兩步，第一步：根據(jù)第一部分已設(shè)計(jì)出的工藝尺寸設(shè)計(jì)筒體、管箱、接管、折流板以及各部分之間的連接等結(jié)構(gòu)和尺寸；第二步：依據(jù) GB150、 GB151 的規(guī)定進(jìn)行強(qiáng)度校核，其中主要包括對(duì)管板、殼體與換熱管進(jìn)行的強(qiáng)度校核，校核通過(guò)后根據(jù)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)繪制圖紙。通過(guò)復(fù)算與校核，使所設(shè)計(jì)的換熱器能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。 關(guān)鍵詞： 螺旋折流板； 換熱器； 工藝設(shè)計(jì)； 機(jī)械設(shè)計(jì)； 強(qiáng)度校核 ABSTRACT The baffle is to improve the ergonomics of the heat exchanger ponents. Conventional heat exchanger is the most mon 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 fanshaped 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 noncontinuous 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, shellandtube 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 reset 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 abovementioned, 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 plex operator and check, the heat exchanger design are meeting the requirement of production technology. Keywords: Helical Baffles。 Heat exchanger。Process design。 mechanical design。 Strength check 1 緒論 該設(shè)計(jì)為螺旋折流板式換熱器的設(shè)計(jì)。該換熱器也是屬于列管式換熱器中的一種。我們常見(jiàn)的列管式換熱器的折流板是弓形的，而此設(shè)計(jì)的折流板則是螺旋式的，這就是本次設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處和難點(diǎn)所在。 冷換設(shè)備在石油、化工行業(yè)中占有十分關(guān)鍵的地位。燕山石油化工公司煉油廠現(xiàn)在服役的換熱器大多采用的還是國(guó)外早期的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，換熱效率低、阻力降大、容易結(jié)垢、停工檢修頻繁。特別是煉油廠第三套常減壓蒸餾裝置渣油冷卻系統(tǒng) 要求冷卻效果高，原渣油冷卻器 L209/ 3 為弓型折流板換熱器，已不能滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的需要，因此該裝置對(duì)L209/1 管束進(jìn)行了技術(shù)改造。原渣油冷卻器采用弓型折流板換熱器，其缺點(diǎn)為：弓型折流板換熱器的能耗大；弓型折流板殼程容易結(jié)垢，降低換熱效率；弓型折流板換熱器的運(yùn)行周期一般為 2 年，致使檢修、清洗頻繁，裝置操作費(fèi)用增加。渣油冷卻器 L209/1 技術(shù)改造后采用螺旋折流板列管換熱器 , 有如下特點(diǎn)：傳熱系數(shù)高；殼程介質(zhì)不易沉積，不易結(jié)垢，一般可延長(zhǎng) 50%使用周期，減少相應(yīng)的檢修、清洗費(fèi)用；殼程介質(zhì)呈連續(xù)平穩(wěn)的螺旋型 流動(dòng)，適合所有介質(zhì)；阻力降小，可以有效的降低壓力損失，減少電耗；可節(jié)省大量檢修改造費(fèi)用。螺旋折流板列管換熱器有很好的經(jīng)濟(jì)效益?？傊菪哿靼辶泄軗Q熱器在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用是成功的，在煉油化工行業(yè)中大多可以采用，有很好的推廣價(jià)值。 本課題的來(lái)源、目的、意義 換熱器是石油、 化工 、制冷、冶金及動(dòng)力等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的主要 工藝 設(shè)備之一，有資料表明在我國(guó)全部換熱器產(chǎn)量中管殼 式換熱器約占 80％以上，管殼式換熱器問(wèn)世將近一百多年來(lái)，已經(jīng)積累了大量的設(shè)計(jì)資料和操作運(yùn)行數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)特性、傳熱特性和流體動(dòng)力特性的計(jì)算已經(jīng)形成了一套比較完善的方法，繼續(xù)依靠傳統(tǒng)的化工工藝計(jì)算提高其傳熱效率，包括根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量標(biāo)定的數(shù)據(jù)反饋，對(duì)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式、設(shè)計(jì)模型以及數(shù)據(jù)圖表等所進(jìn)行的局部修正以及綜合考慮各種影響因素在內(nèi)的優(yōu)化，其發(fā)展空間已經(jīng)趨于飽和。因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)傳統(tǒng)管殼式換熱技術(shù)的改進(jìn)，集中在開(kāi)發(fā)研究新一代強(qiáng)化傳熱方法上，以更好地滿(mǎn)足不同使用場(chǎng)合對(duì)管殼式換熱器的性能要求。如在殼程 采用折流桿、折流環(huán)以及螺旋折流板等支撐結(jié)構(gòu)；在管程開(kāi)發(fā)各種類(lèi)型的翅片管、螺紋管等強(qiáng)化傳熱換熱管和增加螺旋鐵等內(nèi)擾流結(jié)構(gòu)。本文主要論述其中最有代表性的螺旋折流板換熱器近年來(lái)的發(fā)展及推廣應(yīng)用概況。 眾所周知，在化工領(lǐng)域上，換熱器的重要性不言而喻，其運(yùn)行的成本之高也是有目共睹的，換熱器不僅僅局限在換熱的區(qū)域內(nèi)，它的運(yùn)行在整個(gè)化工行業(yè)都是影響巨大的。所以提高換熱器的換熱效率是化工行業(yè)所迫不及待的，這不僅僅會(huì)節(jié)約成本，而且會(huì)擴(kuò)大產(chǎn)量，大大的提高化工產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。 螺旋折流板式換熱器正是在不斷追求進(jìn)步的浪潮中推廣出 來(lái)的，如今已經(jīng)獲得了很廣泛的應(yīng)用，但是技術(shù)前進(jìn)的腳步始終不會(huì)停留，每一天都在變革，如果要想走在技術(shù)的前列就不能忘本，畢竟技術(shù)的發(fā)展都是在原來(lái)的基礎(chǔ)上發(fā)展過(guò)來(lái)的，因此本課題就是在我學(xué)習(xí)的最基本的弓形換熱器的前提下給予更加深入的拓展。以此為基礎(chǔ)，以便于以后可以創(chuàng)新。 螺旋折流板式換熱器國(guó)內(nèi)外研究綜述 渦旋或螺旋流動(dòng)一直是強(qiáng)化傳熱的有效手段，從殼側(cè)流體由縱向或蛇形橫向流動(dòng)方向改變?yōu)槁菪隣盍鲃?dòng)的角度產(chǎn)生了螺旋折流板換熱器的構(gòu)想，但由于連續(xù)螺旋曲面的加工及安裝難度很大， 20 世紀(jì) 八、九十年代捷克科學(xué)家發(fā)明了非連 續(xù)的 1/4 螺旋形折流板換熱器，采用一系列 1/4 扇形折流平板來(lái)代替螺旋曲面。此項(xiàng)技術(shù)后被美國(guó) AB 公司買(mǎi)斷，后又轉(zhuǎn)讓給 CBamp。 I 公司，據(jù) ABB Lum musHeat transfer 公司公布，自 1994~20xx 年 3月 該公司共完成 349 個(gè)項(xiàng)目 ,共計(jì) 1350 臺(tái) (套 )螺旋折流板換熱器的設(shè)計(jì)和制造。我國(guó)大慶石油化工機(jī)械廠等單位也參與了應(yīng)用 ABB 公司技術(shù)的部分制造和應(yīng)用實(shí)踐。其他另有一些單位則選擇自主開(kāi)發(fā) ,近幾年也得到了一些發(fā)展。 工業(yè)化的螺旋折流板換熱器是上世紀(jì)九十年代初，由前捷克斯洛伐克國(guó)家化工設(shè)備研究所科學(xué) 家杰 .盧卡和杰尼姆肯斯基等人首次提出的，其特點(diǎn)是殼程介質(zhì)的流動(dòng)呈螺旋線型方式，折流板的基本形狀為扇形，每塊折流板與殼體軸線形成一定的夾角，相鄰的折流板在周邊首尾相接構(gòu)成一個(gè)沿外圓周連續(xù)的類(lèi)似螺旋線，從而起到改變殼程流體的流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到提高傳熱效率的目的，并相對(duì)降低了管束因振動(dòng)而產(chǎn)生的損傷，提高了換熱器的使用壽命。應(yīng)用結(jié)果表明，殼程采用螺旋折流板結(jié)構(gòu)較采用垂直弓形折流板結(jié)構(gòu)確實(shí)具有減少殼程流體壓力降的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)研究證明，對(duì)于以壓縮空氣為工質(zhì)，在相同的 Re 下，光滑管螺旋隔板換熱器的管外膜傳熱系數(shù)是光滑管弓形隔板換 熱器的 1. 251. 8 倍，螺旋隔板換熱器的傳熱系數(shù)最大可以為弓形隔板換熱器的 1. 39 倍，壓降隨著螺旋角的不同大約可降低 26% 60%。螺旋隔板支撐結(jié)構(gòu)的換熱器具有良好的防垢特性，適用于易結(jié)垢、高黏度的介質(zhì)如原油、渣油等的強(qiáng)化傳熱。 理想的螺旋折流板結(jié)構(gòu)其軸線應(yīng)當(dāng)與換熱器殼體軸線重合，從而形成連續(xù)的螺旋狀回轉(zhuǎn)空間。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：首先，流體在殼程流動(dòng)時(shí)，由于螺旋折流板回轉(zhuǎn)面的約束，最大流動(dòng)截面只有殼體縱向截面的 1/2(一個(gè)周期內(nèi) )，在相同的流量下，和普通單殼程弓形折流板換熱器相比，其特征流速理論上 增大為后者的 2 倍左右。根據(jù)經(jīng)典的對(duì)流換熱無(wú)因次經(jīng)驗(yàn)公式，殼程流速的增加將有效提高換