【正文】 緒論該設(shè)計(jì)為螺旋折流板式換熱器的設(shè)計(jì)。我們常見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。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。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。螺旋折流板列管換熱器有很好的經(jīng)濟(jì)效益。、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，管殼式換熱器問世將近一百多年來，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。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)；在管程開發(fā)各種類型的翅片管、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)。 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。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)展都是在原來的基礎(chǔ)上發(fā)展過來的，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。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扇形折流平板來代替螺旋曲面。 I公司，據(jù)ABB Lum musHeat transfer公司公布，自1994~2007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。其他另有一些單位則選擇自主開發(fā),近幾年也得到了一些發(fā)展。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)。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。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。其次，由于流體與折流板表面相切接觸，消除了因垂直阻擋而在折流板根部附近形成的回流區(qū)，能有效抑制污垢的積累沉淀，防止殼程結(jié)垢，延長(zhǎng)換熱器的有效使用周期。但是這樣的理想螺旋面在實(shí)際加工中卻存在很大困難。所有這些因素的疊加效應(yīng)就是導(dǎo)致螺旋折流板換熱器的加工制造費(fèi)用急劇增加，因而有必要開發(fā)理想螺旋面的替代結(jié)構(gòu)，在不影響螺旋折流板換熱器整體流動(dòng)與傳熱性能的前提下，盡可能簡(jiǎn)化螺旋折流板換熱器的加工制造過程，以最大限度節(jié)省制造費(fèi)用和材料浪費(fèi)。非連續(xù)型螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：由2—4塊四分之一殼橫截面的扇形截面折流板搭建成一個(gè)近似螺旋面，間斷狀地自殼程進(jìn)口處向出口處推進(jìn)，實(shí)驗(yàn)表明這種形式的換熱器螺旋折流板可以使殼側(cè)流體呈近似螺旋流動(dòng)，單位壓降換熱能力相對(duì)弓型折流板有很大提高。連續(xù)型螺旋折流板換熱器的 結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)是：折流板類似于常見的 輸送 固相介質(zhì) 的攪龍 ，其形狀可以是自殼體進(jìn)口向出口推進(jìn)的完全螺旋面，使介質(zhì)在殼體內(nèi)做到相對(duì)連續(xù)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，但折流板不能覆蓋殼程的殼體中心區(qū)域，需要采取其它輔助結(jié)構(gòu)來彌補(bǔ)換熱損失，此外這類螺旋折流板換熱器加工制造十分復(fù)雜，給產(chǎn)品的進(jìn)一步大型化和推廣應(yīng)用帶來困難。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大量介質(zhì)從相鄰折流板間形成的三角形空間短路通過，殼體直徑越大短路越嚴(yán)重，因而嚴(yán)重削弱了換熱效率。大連海特?zé)捰图夹g(shù)有限公司宋小平等人針對(duì)普通螺旋折流板管殼式換熱器的弱點(diǎn)，分別將原扇形折流板在兩側(cè)直邊處同時(shí)加寬一排或二排管距寬度，相鄰兩扇形板的直邊以交叉搭式接續(xù)，加寬部分重迭，由同一排或二排換熱管穿過。這種交叉重迭搭接方式接續(xù)，可以對(duì)流經(jīng)管束的介質(zhì)起到良好的引導(dǎo)作用,減少兩相鄰扇形板直邊交叉形成三角形空間的短路現(xiàn)象，確保換熱效率的提高。撫順機(jī)械設(shè)備制造有限公司李久生等人提出 雙殼程螺旋折流板換熱器的產(chǎn)品方案，其出發(fā)點(diǎn)是大直徑換熱器上選用單殼程螺旋折流板結(jié)構(gòu)將會(huì)受到25176。螺旋傾角的限制。采用雙殼程相當(dāng)于減小了殼體直徑，在保證一定流速的情況下使得折流間距變大，從而得到了較大的螺旋傾角，解決大直徑螺旋折流板換熱器螺旋傾角小、傳熱性能下降的弊病。管箱分程也是采用了1個(gè)與殼側(cè)相同直徑的分程筒體，其一端焊接在管箱的端蓋上，另一端用4個(gè)支撐板將筒體固定。殼程介質(zhì)也是先從殼體接管流入，由于分隔板的阻隔，介質(zhì)只能進(jìn)入分程筒體至另一端管板處，再返回到筒外流至前端分隔板處，從另一接管流出,最終完成管殼程介質(zhì)的換熱過程。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國(guó)對(duì)某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。 （1） 檢索大量相關(guān)資料，對(duì)本課題有一個(gè)整體的理解和思路。書寫開題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述和外文翻譯。（5） 繪制設(shè)計(jì)圖、裝配總圖和部件圖。 2 換熱器的簡(jiǎn)介適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結(jié)構(gòu)型式也不同，換熱器的具體分類如下： 換熱器按傳熱原理分類：（1）表面式換熱器：表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動(dòng)，通過壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對(duì)流，兩種流體之間進(jìn)行換熱。 （2）蓄熱式換熱器：蓄熱式換熱器通過固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質(zhì)先通過加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過固體物質(zhì)被加熱，使之達(dá)到熱量傳遞的目的。 （3）流體連接間接式換熱器：流體連接間接式換熱器，是把兩個(gè)表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。 換熱器按用途分類：（1）加熱器：加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒有發(fā)生相的變化。 （3）過熱器：過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。 按換熱器的結(jié)構(gòu)分類可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。在進(jìn)行換熱時(shí)，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動(dòng)，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另一種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。圖示為最簡(jiǎn)單的單殼程單管程換熱器,簡(jiǎn)稱為11型換熱器。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。傳統(tǒng)換熱器中最普遍應(yīng)用的是弓形折流板，由于存在阻流與壓降大、有流動(dòng)滯死區(qū)、易結(jié)垢、傳熱的平均溫差小、振動(dòng)條件下易失效等缺陷，近年來逐漸被螺旋折流板所取代。由于加工困難，目前所采用的折柳板，一般由若干個(gè)1/4的扇形平面板替代曲面相間連接，形成近似的螺旋面。相比于弓形折流板，在相同工況下，這樣的折流板（被稱為非連續(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。例如，扇形板連接處成非光滑的銳角過渡，對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)的流體存在反壓，流體通過時(shí)的突然轉(zhuǎn)向會(huì)造成能量損失，在螺旋角較大時(shí)能耗更嚴(yán)重；相鄰兩片扇形板空間對(duì)接時(shí)，必須附加角接板才能填補(bǔ)縫隙，既費(fèi)工又廢料，又增大了流體的阻力。東燕公司經(jīng)過多年潛心研究，終于成功制作出連續(xù)螺旋折流板換熱器。因此，理想的折流板布置應(yīng)該為連續(xù)的螺旋曲面。一般來說，出于加工方面的考慮，一個(gè)螺距取 2～4 塊折流板，相鄰折流板之間有連續(xù)搭接和交錯(cuò)搭接兩方式，按流道又可分為單螺旋和雙螺旋兩種結(jié)構(gòu)。 （2）弓形折流板比，在同樣的壓降下，可大幅度提高殼程介質(zhì)的流速，從而提高Re，使介質(zhì)傳熱能力增大。 （4）橫向折流方式比，不存在死區(qū)，在提高換熱系數(shù)的同時(shí)，減少污垢沉積，熱阻穩(wěn)定，可使換熱器一直處于高效運(yùn)行狀態(tài)。 （6）程做冷凝換熱時(shí)，螺旋折流板可以起到對(duì)冷凝后的液體引流作用，減少了冷凝液體對(duì)下排管覆蓋，從而提高換熱效果。 （8）在造價(jià)上面，前者較后者更大些，當(dāng)選擇時(shí)不可避免的需要考慮成本問題。它是化工、煉油、動(dòng)力、原子能和其它許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備。通常在化工生產(chǎn)的建設(shè)中，換熱器約占總投資的10～20%。換熱器就是用來進(jìn)行這些傳遞過程的設(shè)備，通過這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。由于使用的條件不同，換熱設(shè)備又有各樣的形式和結(jié)構(gòu)。其它如回收排放出去的高溫氣體中的廢熱所用的廢熱鍋爐，有時(shí)在生產(chǎn)中也是不可缺少的。 在換熱設(shè)備中，應(yīng)用最廣泛的是管殼式換熱器。尤其在化工生產(chǎn)中，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，它在所有的換熱設(shè)備中，仍占主導(dǎo)地位。如高壓聚乙烯要求操作壓力高達(dá)250MPa左右，新“德士古”制氫法要求操作溫度在750～1500范圍。而管殼式結(jié)構(gòu)，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點(diǎn)。由于現(xiàn)代化工廠的生產(chǎn)規(guī)模日益增大，換熱設(shè)備也相應(yīng)向大型化方向發(fā)展，以降低動(dòng)力消耗，減少占地面積和金屬消耗。 近十余年來，另一種高效、緊湊式 的新型換熱設(shè)備之一，即板式換熱器，已發(fā)展成為一種重要的化工設(shè)備。它適用的介質(zhì)相當(dāng)廣泛，從水到高粘度的非牛頓型液體，從含有小直徑固體顆粒的物料到含有纖維的物料，均可處理。 近年來，由于鋁及鋁合金釬焊技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，促使另一種高效、緊湊式的新型換熱器，即板翅式換熱器得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，板翅式換熱器又成功地應(yīng)用于天然氣加工過程中，如進(jìn)料氣冷卻器、部分冷凝器、底部蒸發(fā)器和壓縮機(jī)的中間冷卻器等。 目前螺旋板換熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用也日趨廣泛。螺旋板換熱器在國(guó)內(nèi)首先較普遍地用在小化肥生產(chǎn)中半水煤氣的預(yù)熱器和氨合成塔下部的換熱器，目前已逐步推廣應(yīng)用的到其它化工生產(chǎn)工藝中。如玻璃、石墨和聚四氟乙烯等非金屬材料以及鈦、鉭和鋯等稀有金屬材料制作的換熱器，以達(dá)到耐熱，耐壓和防腐的效果。石墨換熱器已在許多國(guó)家中得到廣泛地應(yīng)用，如用來處理鹽酸、硫酸等腐蝕性介質(zhì)。 在其它新型換熱器的應(yīng)用中，值得提出的為熱管。它能利用小的表面積傳遞大的熱量，因此它能充分體現(xiàn)換熱器的一種優(yōu)良的設(shè)計(jì)。 3 螺旋折流板式換熱器的工藝計(jì)算 所給初始參數(shù)見表31所示：表31 初始參數(shù)表介 質(zhì)丁二烯水壓力（絕） pt = p2=入口溫度Ti=℃ti= 34℃出口溫度 To=℃to=38℃序號(hào)質(zhì)量流量Kg/h質(zhì)量流量 Kg/h1 Wt=17000Kg/h? 兩流體溫度變化情況：℃，℃，冷流體的進(jìn)口溫度為34℃，出口溫度為38℃，由于管殼流體之間的溫差不大，所以用結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的固定管板式換熱器，而且不需要加膨脹節(jié)。 殼程丁二烯的定性溫度為 管程水等信兒定性溫度為 根據(jù)定性溫度，通過參考書《化工原理》、《熱工基礎(chǔ)》等查的殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)： ℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度： 定壓比熱容： 導(dǎo)熱系數(shù)： 粘度： 水在36℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度： 定壓比熱容： 導(dǎo)熱系數(shù)： 粘度：：丁二烯在該工作壓力下，℃是沸點(diǎn)，當(dāng)溫度下降時(shí)，原本為液態(tài)的丁二烯會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，所以這里存在一個(gè)氣化潛熱的問題，這里的熱流量要分為兩個(gè)部分一個(gè)是氣化潛熱，另一個(gè)是溫度下降所放出的熱量. 那么總的熱流量先求逆流時(shí)平均溫度差 丁二烯 → 水 38 ← 34 那么平均傳熱溫差管程傳熱系數(shù)：雷洛數(shù)： 關(guān)聯(lián)式： （水被加熱，）殼程傳熱系數(shù)：假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)污垢熱阻：又知道管壁的導(dǎo)熱系數(shù)那么總傳熱系數(shù)： 考慮15%的面積裕度 選用傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速 如下表格所示為不同換熱器布管限定圓的規(guī)定（查GB1511999）： 表中是指換熱器最外換熱管表面與殼體內(nèi)壁的最短距離那么換熱器的不管限定圓的直徑依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為按單程設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多程管結(jié)構(gòu)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)，則該換熱管管程數(shù)為 那么傳熱管的總管數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù) 按單殼程、六管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查的下表得圖31 溫差校正系數(shù)圖可得溫差校正系數(shù)平均傳熱溫差采用組合排列法，即每程內(nèi)列管都是按照正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形，取管心距，則 橫過管束中心線的管數(shù)