固定管板式换热器开题报告.docx
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固定管板式换热器开题报告
生物工程学院
毕业论文（设计）开题报告
题目名称固定管板式换热器的设计
题目类别毕业设计
系别化学与环境工程系
专业班级09054202
学生姓名王康
指导教师毛会玉/讲师
开题报告日期2012年10月21日
研究现状：
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
换热器的应用广泛，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[1]。
它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[2]。
换热器在节能技术改革中具有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，可以显著提高设备的热效率[3]。
化工生产离不开化工设备，化工设备是化工生产中必不可少的物质技术基础，是生产力的主要因素，是化工产品质量保证体系的重要组成部分[4]。
我国板式换热器的研究、设计、制造，开始于六十年代。
它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[5]。
1965年，石油化工机器厂根据一些资料设计、制造了单板换热器面积为0.52m2的水平平直波纹板片的板式换热器，这是我国首家生产的板式换热器，供造纸厂、维尼纶厂等使用。
八十年代初期，该厂又引进了W.Schmidt公司的板式换热器制造技术，增加了板式换热器的品种。
随着换热器广泛应用于各行各业，诞生了许多新型的换热器，这使得换热器相关技术也得到不断提高，传热理论不断完善，换热器研究、设计、技术、制造等技术不断发展，换热技术的发展同时又促进了各种新型高效换热器的不断发展[6]。
石油机械研究所，清华大学，工学院，天津大学等多家大学以及科研机构对板式的换热器进行过理论以及实验的研究并且取得了一系列的成果，进入二十一世纪以来，我国的板式换热器研究取得了长足的进步，在借鉴国外先进经验的同时，也逐渐形成了自己的一套设计开发模式，与世界领先技术的差距进一步缩小。
我国板式换热器的制造厂家有四五十家、年产各种板式换热器数千台计，但是我国的板式换热器的应用远不及国外，这与人们对板式换热器的了解程度、使用习惯以及国产品的水平有关。
七十年代，板式换热器主要应用于食品、轻工、机械等部门；八十年代也仅仅是应用到民用建筑的集中供热；八十年代中期开始，在化工工艺流程中较苛刻的场合也出现了板式换热器的身影。
由于人们对板式换热器工作原理、热力计算、校验等不熟悉的原因，使得板式换热器在开发到应用的时间跨度上，花费了较多的时间。
国各研究机构和各类院校研究不断推出新，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管，螺旋槽管，波纹管，纵横管等；天津大学在流路分析法，振动等方面研究成果显著；清华大学在板面传热方面有深入的研究，交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果；建工学院开发出翅管换热器；在液压胀管方面，化工学院开发出液压胀管器等。
交大，五院，化工厂合作开发出螺旋绕管式换热器，这些技术成果为国民经济的快速发展，为中国炼油，化工工业的发展起到了决定作用，也是中国的传热技术水平步入国际先进水平。
在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。
在工程实践中有时会存在两种以上流体参见换热的换热器，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们在上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。
随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。
换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。
随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思维与新结构的涌现换热器将朝着更高效、经济、环保的方向发展[7]。
换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优点，性能各异。
在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。
研究目的和意义：
1研究目的
本课题主要研究的是固定管板式换热器，查阅换热器的相关标准，分析固定管板式换热器各部分性能影响，并进行了换热器的热工计算、结构计算和强度计算[8]。
近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。
故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。
换热器的作用可以是以热量交换为目的。
在即定的流体之间，在一定时间交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏[9]。
在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。
此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置[10]。
换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性，因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流无形的模拟。
两相流的无形基础来源于实验室实际工况的模拟。
实验室模拟实际工况很复杂，为此，要求物性模拟在试验手段上更加先进，测试的准确率更高。
从而使换热器计算更精确，材料更节省。
物性模拟将代表换热器的经济技术水平。
在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。
例如，高炉炉气（约1500℃）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。
2研究意义
通过本次课程设计，培养学生多方位、综合地分析考察工程问题并独立解决工程实际问题的能力。
主要体现在以下几个方面：
（1）资料、文献、数据的查阅、收集、整理和分析能力。
要科学、合理、有创新地完成一项工程设计，往往需要各种数据和相关资料。
因此，资料、文献和数据的查找、收集是工程设计必不可少的基础工作。
（2）工程的设计计算能力和综合评价的能力。
为了使设计合理要进行大量的工艺计算和设备设计计算。
本设计包括热工计算和冷却器设备的结构计算。
（3）工程设计表达能力。
工程设计完成后，往往要交付他人实施或与他人交流，因此，在工程设计和完成过程中，都必须将设计理念、理想、设计过程和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。
只有完整、流畅、正确地表达出来的工程设计的容，才可能被他人理解、接受，顺利付诸实施。
通过本设计不仅可以进一步巩固学生所学的相关知识，提高学生学以致用的综合能力，尤其对传热学、流体力学等课程更加熟悉，同时还可以培养学生尊重科学、注重实践和学习严谨、作风踏实的品格。
换热器是合理利用与节约现有能源、开发新能源的关键设备。
当今世界，现有能源主要为煤、石油、天然气等资源。
有限的储量难以满足工业及人们生活日益增长的需要，因此，合理利用现有能源及开发新能源已成为世界性的研究课题。
在生产部分燃料释放的能量是通过换热设备传递的，换热器的合理设计、性能改善将直接关系着现有能源的合理利用。
可供开发的新能源：
核能、太阳能、地热能等要提供工业及生活使用，无一不需要大量符合使用要求的各式换热器。
换热器的正确设置、合理设计、性能改善等对能源的有效利用及开发有着十分重要的意义。
换热器是合理利用与节约现有能源、开发新能源的关键设备。
当今世界，现有能源主要为煤、石油、天然气等资源。
有限的储量难以满足工业及人们生活日益增长的需要，因此，合理利用现有能源及开发新能源已成为世界性的研究课题。
在生产部分燃料释放的能量是通过换热设备传递的，换热器的合理设计、性能改善将直接关系着现有能源的合理利用。
可供开发的新能源：
核能、太阳能、地热能等要提供工业及生活使用，无一不需要大量符合使用要求的各式换热器。
换热器的正确设置、合理设计、性能改善等对能源的有效利用及开发有着十分重要的意义。
研究容（容、结构框架以及重点、难点）：
1研究容
（1）设计方案的选择
（2）设计计算
①计算总传热系数
②计算传热面积
（3）主要设备工艺尺寸设计
①管径尺寸和管流速的确定
②传热面积、管程数、管数和壳程数的确定
（4）换热器核算
（5）设计结果汇总
（6）绘制换热器简图
2结构框架
（1）确定设计方案
（6）设计结果汇总
3重点难点
（1）换热器传热系数（K）的计算:
管、壳程换热系数都是以换热器传热系数的经验数据为基础的，若换热器传热系数的经验数据与经过理论计算而得到的传热系数相吻合，并且换热器的主要性能参数（如壳、管程的压力降,换热介质的出、入口温度等）满足工艺流程条件，说明换热器的整体设计是合理的，反
之需要重新调整结构尺寸，重新进行设计计算，直至满足设计要求。
（2）壳程换热系数（h0）的计算
通过对换热器管程和壳程换系数的计算，若hi=1.1～1.2h0，说明换热器初步结构设计是合理的。
在此基础上，对换热器的管程、壳程压力降、管壁温度等进行核算，如果满足设计要求，说明换热器的设计满足工艺流程要求；反之，需要重新调整换热器的结构，直到满足换热器的工艺流程条件。
（3）如果换热器以冷却为目的热流体的进出口温度已由工艺条件确定，而冷却介质的出口温度则需要选择。
若选择较高的出口温度，可选小换热器，但冷却介质的流量要加大；反之要选择低的出口温度，冷却介质流量减少了，但要选大的换热器，因此冷却介质的出口温度要权衡二者的投资大小来确定。
（4）不洁净和易结垢的的液体宜走管程，因管清洗方便；腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；压强高的宜走管程，以免壳体承受压力；饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，对流传热系数与流速无关而且冷凝液容易排出；被冷却的流体宜走壳程，便于散热；若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将对流传热系数大的流体通过壳程，可减少热应力；流量小而粘度大的流体宜走壳程。
研究方法、手段：
通过自身查找资料文献，以及问老师，从中获取了很多信息，然后自己在进行了一系列科学的计算得出了设计固定管板式换热器中的一些重要的参数，将自己的参数在电脑CAD上面呈现出来，就是自己所设计的成果了。
主要运用的手段都是通过不断的查找信息获取的。
研究进度：
2012年9月15日~2012年9月25日查找资料，完成设计的相关准备工作
2012年9月26日~2012年10月30日撰写修改开题报告、文献综述
2012年11月1日~2012年12月1日确定设计方案
2012年12月2日~2013年4月1日进行工艺计算
2013年4月2日~2013年4月10日辅助设备的选型
2013年4月11日~2013年5月10日实习，撰写并修改毕业论文，准备答辩
文献综述（包括：
国外研究理论、研究方法、进展情况、存在问题、参考依据等）
1前言
用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定工艺要求的装置统称为换热器。
随着生产和科学技术的发展，化工、动力机械、原子能工业，特别是汽车、火车、航空等工业部门迫切要求高效、轻巧而又紧凑的换热设备[11]，这就促使新结构形式的热交换设备的出现和不断发展。
固定管板式换热器就是在这种形式下发展起来的新产品。
固定管板式换热器主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱（又称顶盖或封头）和结构后端结构等部件组成。
管束安装在壳体，两端固定在管班上。
管箱和后端结构等部件组成。
管束安装在壳体，两端固定在管班上。
管箱和后端结构分别与壳体两端的法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆卸。
换热器设计的劣势与壳体两端的法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆卸。
换热器的设计优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。
一个传热效率高、紧凑。
成本低、安全可靠的换热器的产生，要求在设计时精心考虑各种问题。
准确的热力设计和计算，还要进行强度校核和符合要求的工艺制造水平。
2主体
2.1管板式换热器的简介[12]
管板式换热器由多片通道板、一片盲板、一片端板和端封及通道密封组成。
换热器的两端分别是盲板和端板，中间部分则全是通道板，密封分别夹在通道板及端板之间，使之形成了许多隔开的容腔，通道板的四角开有圆孔。
允许加热介质和被加热介质在此流过，由于板片是具有特定形状，周边及孔的周围压有密封垫片槽，所以一种介质只能留到隔一个容腔中，而不会留到相邻的容腔中，这样就使加热介质和被加热介质充分接触，从而达到换热目的。
传热部分的人字形波纹板、水平平直波纹板或瘤形板片交成网状，并形成众多触点。
几何形状复杂的板间流道断面使得其具有较高的传热系数，这是因为介质经过时，流动方向和流动速度在不断变化，流速最低时还会产生湍流，强化了传热效果[13]。
2.2管板式换热器的特点[14]
（1）传热系数高：
由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数（一般Re=50~200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的3~5倍。
（2）对数平均温差大，末端温差小：
在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程流动，总体上是错流流动，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流动方式，其修正系数也通常在0.95左右，此外，冷、热流体在板式换热器的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温差小，对水换热可低于1℃，而管壳式换热器一般为5℃。
（3）占地面积小：
板式换热器结构紧凑，单位体积的换热面积为管壳式的2~5倍，也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所，因此实现同样的换热量，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/5~1/10。
（4）容易改变换热面积或流程组合，只要增加或减少几板，即可达到增加或减少换热面积的目的；改变板片排列或更换几板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况，而管壳式换热器的传热面积几乎不可能增加[15]。
（5）重量轻：
板式换热器的板片厚度仅为0.4~0.8mm，而管壳式换热器的换热管的厚度为2.0~2.5mm，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一般只有管壳式重量的1/5左右。
（6）价格低：
采用相同材料，在相同换热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%~60%。
（7）制作方便：
板式换热器的传热板是采用冲压加工，标准化程度高，并可大批生产，管壳式换热器一般采用手工制作。
（8）容易清洗：
框架式板式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进行机械清洗，这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便。
（9）热损失小：
板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计，也不需要保温措施。
而管壳式换热器热损失大，需要隔热层。
（10）容量较小：
是管壳式换热器的10%~20%。
（11）单位长度的压力损失大：
由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。
（12）不易结垢：
由于部充分湍动，所以不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的1/3~1/10。
（13）工作压力不宜过大，介质温度不宜过高，有可能泄露。
板式换热器采用密封垫密封，工作压力一般不宜超过2.5MPa，介质温度应在低于250℃以下，否则有可能泄露。
（14）易堵塞：
由于板片间通道很窄，一般只有2~5mm，当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时，容易堵塞板间通道。
2.3管板式换热器选型时应注意的问题
2.3.1板型选择
板片型式或波纹式应根据换热场合的实际需要而定。
对流量大允许压降小的情况，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。
根据流体压力和温度的情况，确定选择可拆卸式，还是钎焊式。
确定板型时不宜选择单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低，对较大的换热器更应注意这个问题[16]。
2.3.2流程和流道的选择
流程指板式换热器一种介质同一流动方向的一组并联流道，而流道指板式换热器，相邻两板片组成的介质流动通道。
一般情况下，将若干个流道按并联或串联的费那个是连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合[17]。
流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。
尽量使冷、热水流道的对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。
因为在传热表面两侧对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。
虽然板式换热器各板间流速不等，但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。
由于“U”形单流程的接管都固定在压紧板上，拆装方便[18]。
2.3.3压降校核
在板式换热器的设计选型使，一般对压降有一定的要求，所以应对其进行校核。
如果校核压降超过允许压降，需重新进行设计选型计算，直到满足工艺要求为止[19]。
2.4管板式换热器的现状
国外板式换热器的发展是欧美发达于20世纪80年代起开始竞相开发、研制各种型式的板式换热器。
其中具有代表性的为法国Packinox公司，该公司于20世纪80年代首次在催化重整装置中用一台大型板式换热器替代传统的管壳式换热器组。
20世纪90年代末期，Packinox公司又将大型板式换热器用于加氢装置。
该公司的产品得到UOP（美国联合油）的认证,其产品主要用于的催化重整、芳烃及加氢装置。
而板式换热器在中国的起步比较晚。
1999年石油机械研究所研制成功大型板式换热器，该产品（专利号：
ZL98249056.9）具有国际先进水平、首创独特结构的全焊式板式换热器,并已在炼油厂重整装置，化肥厂水解解吸装置及集中供热换热站等场合得到应用[20]。
2.5国管板式换热器的发展趋势
近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。
同时，我国出口的换热器均价平均不到进口均价的一半。
可以想见，我国出口的产品多是附加值低的中、低端产品，而进口的产品多是附加值高的高端产品。
这充分说明我国对高端换热器产品需求旺盛但供给不足的市场现状[21]。
作为一个高效紧凑式换热器，在加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收过程中，除了高温、高压和特殊介质条件外，板式换热器均已替代管壳式换热器。
经试验证明在板式换热器适用围，绝大多数工况时，用不锈钢板式换热器比一般碳钢换热器投资低，而且可以预见板式换热器与管壳式换热器的竞争会更加激烈。
随着科技的进步，板式换热器也有了飞速发展。
自进入21世纪以来，常规对称形、非对称形，高NTU型（浅密波纹型）、免粘型、板式蒸发器、板式冷凝器等国外已有的可拆卸板式换热器均已实现国产化，并成功应用于不同领域。
可拆式板式换热器已成为板式换热器的潮流，他将朝着大规格、多品种、系列化、高性能、高可靠性、低成本以及生产企业的专业化、规模化发展。
未来，随着国市场的需求和国经济发展所带来的良好机遇，以及进口产品巨大的可转化性共同预示着我国板式换热器行业良好的发展前景[22]。
2.6研究意义
目前燃料的能量只有约35%被发电机组转化为电能，约有30%随废气排出，25%被发电机冷却水带走，通过机身散发等其它损失约占10%左右，废气和换热器损失的功率比有用功还多[23]。
在我国，目前占燃气发动机燃料近55%热值的废气和冷却水余热资源基本上被白白浪费掉，发动机余热利用技术的开发和应用尚处于起步阶段，市场前景广阔[24]。
在西方，发动机余热80%以上被利用。
随着人民生活质量提高，制冷和采暖越来越普及，能源消耗越来越大，同时发动机余热资源目前没有得到综合利用，燃油、燃气及电热锅炉和中央空调在广泛使用，消耗了大量能源。
随着能源供应日益紧，节能、降耗、提高能源利用率，越来越引起人们重视，余热利用热电联供已经被列入“十五”规划节能重点投资领域。
发动机余热的利用是必然趋势。
凡是需要热能并且已有机组或燃气资源丰富的地方都可以推广应用，如办公大楼、宾馆、商场的热电联供制冷、供热系统、联合站原油加热、钻井队取暖、加热设备、利用废弃余热的系统相比燃油、燃气、电热锅炉好中央空调有以下优势：
可以显著降低运营费用，经济效率可观，为用户提供双电源供电系统，充分利用油田天然气资源丰富的优势。
发动机的废气余热利用在我国还有一个新兴的科技领域，是发展的必然趋势，我们还要不断学习国外在这方面的先进技术，提高水平，多与广大用户交流和学习，提高余热利用效率，扩大应用围，以使其扩展到更宽的领域。
板式换热器可以有效的利用废气余热，以达到节能的作用。
通过对板式换热器进行合理的参数选择和结构设计：
总管数、程数、管程总体阻力校核；壳体直径；结构设计包括流体壁厚；主要进出口管径的确定包括：
冷热流体的进出口管、传热计算和压降计算、流动阻力计算；设计计算和校核计算。
使其能够最大效率的利用废气的热量，使其热量转化成动力得以输出。
3结语
换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当管饭的单元设备之一。
我国是世界最重要换热、散热、冷却设备市场，据统计，在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30%，在炼油厂中换热器约占全部工艺设备的40%，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。
目前世界各国在换热器理论研究、新技术和新产品开发方面已经进入高层次的探索阶段，涉及领域很广，虽然今年来我国加大了对各种换热器的研发，但在一些高校换热器领域方面与发达还存在一定差距。
因此，我国应借鉴国外先进换热技术，努力赶上国际先进水平。
总的来说，目前换热器换热的研究在理论基础方面还有待深入，在能源日趋紧的今天，特别是地下工程，可依据的换热器设计理论系统和标准对于强化换热和节能意义重大。
在完善换热理论体系上，还需要做大量的理论和实验工作，这方面我们仍然任重道远。
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