新型板壳式换热器结构设计与换热分析

毕业设计论文
姓名：李新会学号：2013402090318
学院：能源与动力工程学院
专业：火电厂集控运行
题目：新型板壳式换热器结构设计与换热分析指导教师：金光远副教授
2016 年 6 月
摘要
换热器是一种在工业生产中，将冷热流体进行热量交换的设备，所以有被称为热交换器。

新型板壳式换热器与板式换热器和管壳式换热器具有许多相似的特点，因为板壳式换热器就是想着的结合而传造出来的新型换热设备。

目前我们所使用的换热器早已经跟不上时代的步伐，满足聊聊科技几部所带来的大范围的设备革新。

为了满足现状的要求，必须解决原有关键换热设备占地面积大、单台设备蘑量大、资金投人大以及能耗高的不足。

大型板壳式换热器的出现克服了目前换热器的这一问题。

它不仅适应了装置增加效率节约能源而且还跟上了化工技术飞速发展的需要。

是新一代的换热设备。

如今换热器经历了多年的发展，换热器的种类和样式日新月异。

在无数人的努力之下，开发出多种多样的换热器设备。

新型板壳式换热器无疑是其中最杰出的设计之一。

换热器的发展历程曲折起伏，目前，仍然存在一些列的问题等待解决。

在本文中，我们队新型板壳式换热器进行了详细的的介绍。

从他的发展背景，发展现状，结构性能上的特点，换热的原理及换热效率等等做了相关的描述。

关键词：换热器；换热效率；管壳
目录
第1章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 新型板壳式换热器 (1)
1.2.1 新型板壳式换热器的基本特征 (2)
1.2.2 新型板壳式换热器存在的问题 (3)
1.2.3 换热器的热工性能分析的研究方法 (4)
1.3 换热器研究的目的和意义 (4)
1.4 论文的主要工作 (5)
第2章三种换热器的性能及换热分析 (6)
2.1 管壳式换热器 (6)
2.1.1 管壳式换热器的总体结构 (6)
2.1.2 壳侧换热及阻力性能研究 (6)
2.2 板式换热器 (7)
2.2.1 板式换热器的总体结构 (7)
2.2.2 板式换热器的性能特点 (7)
2.3 新型板壳式换热器 (8)
2.3.1 板壳式换热器的总体结构 (8)
2.3.2 新型板壳式换热器的性能特点 (10)
第3章换热器的换热性能研究 (10)
3.1 换热器中的场协同原则及它的应用 (10)
3.1.1 对流换热的物理机制 (10)
3.1.2 对流换热中的场协同原则 (10)
3.1.3 换热器中的场协同原理及应用 (10)
3.2 多管程换热器网络的最小温差分析与夹点设计 (10)
3.2.1 多管程换热器网络分析 (11)
3.2.2 多管程换热器网络的夹点设计 (11)
3.3 自然循环换热器壳侧传热及流动的数值模拟 (12)
第4章板壳式换热器的相关研究 (13)
4.1 新型板壳式换热器的结构以及换热过程 (13)
4.2 板壳式换热器的换热理论与原理 (13)
4.3 热准则关系式及求解方法 (15)
结论 (17)
致谢 (18)
参考文献 (19)
第1章绪论
1.1 引言
换热器在上个世纪就已经被发明出来，直至今天，它的使用范围越来越广泛，涉及到的领域千差万别，尤其广泛使用于环工产业当中。

随着科技的不断发展，换热器的研究并没有被世界遗忘，它忍让在各行各业中承担着重要的责任。

人们也越来越看到他的价值所在。

当工业的进步带来越来越多的问题，比如能源的浪费，人们从中看到巨大的可发掘的利益，越来越将眼光着重于节约能源之上。

这也就导致换热器的研究越来越被人们重视起来。

我国地大物博，但人口稠密，虽然资源总量较多，但人均可利用资源远远低于发达国家，所以，对于节约资源的问题，在我国就显得尤为重要。

国家重视有光方面的研究与开发，实施了一项又一项相关的措施，以减少资源的浪费。

可以说，换热器的研究牵动着我国最核心发展战略的一部分。

过去，换热器主要分为板式换热器板壳式换热器两种，它们各有各的优点，适用于不同的工况，各自在自己擅长的领域发展壮大，不断更新换代。

然而时代发展至今，大型工业所能创造的利益相对较大，追逐利益的同时，人们将对换热器的研究方向转移到适用于大型化工业生产。

而已有的两种换热器明显不能胜任这一工作，就在这一社会背景之下，板壳式换热器应运而生了。

板壳式换热器根本上来说就是管壳式与板式换热器的结合，即将原来的园管式板束换成板管的形式。

自从这种形式的换热器问世以来，人们发现了其中所蕴含的更多的可能性，不断地致力于对它的完善与改进，渐渐地发展出越来越多的结构与形式。

目前，国内外的各个化工企业的新上装置以及新改造装置的规模越来越大。

为了实现装置的大型化，就必须要解决一些原有得关键问题。

传统的换热器形式由于结构的限制，造成装置笨重，占地广，难以移动，而且造成的能量耗损非常大。

在增大其体型的情况下并不能带来令人满意的效率，为了满足现代化工生产的需要，板壳式这一新形式的换热器就越来越受到人们的关注，因为它的结构特点恰好可以用来生产大型设备，这也就解决了工业生产大型化装置的需要。

它的特点也在进一步的实际应用中得以体现出来。

它不仅效率高，结构轻巧，可大型化的同时占地面积小，做到了既节省专职费用的同时还能减少生产损耗。

是新一代的伟大发明。

1.2 新型板壳式换热器
板壳式换热器根本上来说就是管壳式与板式换热器的结合，即将原来的园
管式板束换成板管的形式。

它的继承了一部分管壳式换热器和板壳式换热器的结构的同时也继承了他们的一部分优点，即高效紧凑、换热效率高、端部温差小、压降低、节省占地面积、节约工程及设备安装费用、节省装置操作费用[1]。

这样多的优点让它足以适应绝大多数的要求，在各种需求换热器的场合表现优异。

是以成了当今世界最顶级的换热设备的形式。

时代发展至今，大型工业所能创造的利益相对较大，追逐利益的同时，人们将对换热器的研究方向转移到适用于大型化工业生产，过去的两种换热器形式并不能适应时代大潮的发展，而又它们两种结合而产生的新一代的换热设备却能完全满足现代大型化工装置高效节能的要求，可谓相得益彰。

新型板壳式换热器之所以能迅速发展壮大，完全是优胜略汰的结果。

对比其他两种换热器形式，它在方方面面都远胜于另两种换热器。

它结构简单容易清理，这就使装置的结垢性降得很低，还因为结构简单而节省了空间，使它更容易装卸。

它还可以适应高温高压的工作环境，所以，在很多环境下都能代替另两种换热器进行工作，而且效率都只高不低，这就使它的应用范围变得越来越广泛。

1.2.1 新型板壳式换热器的基本特征
新型板壳式换热器高效紧凑，换热效率高、端部温差小、压降低、节省占地面积、节约工程及设备安装费用、节省装置操作费用，是新一代的话热气设备，适合于各种大型化工生产的换热系统[2]。

新型板壳式换热器有别于其他换热器的地方在于在结构上使用了波纹板片取代了原本的传热元件，采用专用程控自动氩弧焊技术焊接板片，使半片的排列更严谨，更适合工况的运行，同时还把全焊接式的板束固定在压力壳之中，这使得整个装置的密封性能更加良好，安全性能更高。

新型板壳式换热器的板片采用的是新式波纹板片，它在流体流过时会形成静搅拌的效果，在流体流体流经波纹板片的时候形成湍流，提高换热器的传热效率。

静搅拌形成的湍流对板片的切应力增加，能够有效地减少装置上的结垢，达到自动清理的效果，使设备长时间不必进行清理，变相提高了换热器的效率。

新型板壳式换热器在换热工作时达到了“纯逆流”换热，这样使得换热器的温差将比一般情况下小得多，这样就提高了换热效率。

板壳式换热器由于板片可以拆卸，而且板束是平整的，所以他的结构设计相对紧凑，因此，达到相同的换热工作和换热量的同时，板壳式换热器的安装会比其他换热器的安装费用更低，而且体积更小，装卸便捷。

新型板壳式换热器的板束安装在压力壳里面，有了压力壳的保护，时换热器密封效果更好，降低了发生事故的概率。

正
是这些更加合理的结构特点和更加优异的性能特点让新型板壳式换热器在各行各业的化工生产过程中占据了举足轻重的地位。

1.2.2 新型板壳式换热器存在的问题
大型新型板壳式换热器研制攻关的主要难点如下所述：
(1) 超大型新型板壳式换热器波纹板片开发及制造技术。

如何保证与超大型新型板壳式换热器相适应的超宽板型的传热与流体力学性能，开发出高精度的模具和成型装备，而且还要求保证板片残余应力小、承压能力高、高强度、高成品率等特点，这就必然使研制的难度大大增加。

(2)建立专用焊接生产线，保证板片焊缝的密封性能及焊缝强度，同时又能满足大批量工业化板片焊接需要。

(3)大型板壳式换热器板束的整体结构设计，包括板束在轴向方向的热膨胀结构和板宽方向的柔性连接结构、均匀高效的进料分布器的结构、基于换热器性能分析和压力试验相结合的板束强度和刚度的研究、板束各部件连接的简洁性研究。

(4)高腐蚀性场合特种材料板片的成形、焊接技术和腐蚀性能研究。

(5)基于可靠性的超大型新型板壳式换热器的制造、检测技术及应用指南。

目前，我国已经可以进行大型换热器的研制，但是，仍然存在这一些技术性的难题等待我们不断克服。

有些问题的解决治标不治本，只能从国外直接引进成型的设备，这无疑大大增加了大型换热器的研制成本，这与追求利益的根本背道而驰。

大型换热器内流体流动和传热的原理特征具有明显的局限性，巨大的内部空间造成了流体可能会发生局部冷凝和整体冷凝。

在大型换热器内实际混合物的冷凝过程介于整体冷凝和局部冷凝之间。

在流体的入口段，目前的工艺条件在保证了较高的流速的同时，致使剪切力起到了主导的作用，同时流体截面的气、液两相相对混合较均匀，可以近似看成是整体冷凝。

而流体的出口处，重力明显起主导作用，这时工艺条件则会造成两相分层，可以哦近似看成是局部冷凝。

冷凝器设计软件的作用主要是运用冷凝侧当地的传热膜系数的准则方程，它可以对气相扩散阻力进行一些比较简单的矫正。

但由于气液两相界面附近存在的气相浓度梯度，在扩散阻力得影响下降低了有效传热膜系数。

尤其当它在比较低的热通量条件之下，会使当地的传热膜系数的准则方程的不确定度升高。

因此设计软件不能反映混合物冷凝的实际传热过程。

同时设计过程当中一般不会考虑壳程冷凝流体所具备的不均匀特性。

换热器流道内的混合物冷凝（例如回流、涡旋、流动死区以及旁路等一些不可避免的现象）可能会造成实际流场发生偏离，原理理想流场。

非理想流场的不确定性因素会使混合物冷凝器的性能大大降低。

超临界混合组的研究分流体在换热器的传热与流
动，由于试验手段的限制，在设计中只能使用纯物质的准则方程代替计算，导致超临界混合组实际工况会和实验数据相差较大。

大型换热器对高效传热元件的采用的原则中，设备运行的安全性往往占据很重要的地位，所以大型管壳式换热器通常采用光滑传热管来保证设备运行的安全可靠性，这导致大型管壳式换热器的节能效果并不明显，我们也许可以从其他方面入手进一步提升其节能性能。

目前大型换热器的可靠性研究面临许多复杂的问题，其中涉及到许多学科，致使难度提高，制造技术方面也存在不少困难。

在目前国际上，换热器的失效破坏主要有4个方面：
1、换热管与管板的连接接头的制造质量；
2、腐蚀环境与传热元件材料、的适应性；
3、换热器的振动破坏；
4、热应力引起的破坏。

大型换热器的换热管要比普通换热器的数目要多许多，换热管的壁相对其巨大的体积来说比较薄，使得壳程和板片的连接难度相对更大，也更容易影响安全性能[3]。

同时大型换热器的换热管相比普通换热器来说较长，这就必须重视对换热器支撑和保护方面的设计，以保证设备运行安全可靠。

由于无支承跨距设计不合理造成的破坏时有发生，它不仅会造成折流板和换热管之间的损伤，也会造成换热管与管板的连接接头的损伤。

同时，在这些因素的综合影响下，大型换热器的安全性能大为降低了。

因此，要充分认识大型换热器的诸多难题，在设计和制造中制定严格的技术对策和控制措施。

1.2.3 换热器的热工性能分析的研究方法
综合评价一台换热器性能包括比较多方面，例如换热器的热工性能(传热和阻力)、经济性、运行安全性等。

评价换热器热工性能主要是根据热力学第一、第二定律的方法。

即分析阻力因子和计算换热系数来对换热器的热工性能进行评价。

后来又以归一化的努赛尔数Nu为标准来对换热器的性能进行评价，这些主要针对换热过程的某一量纲进行比较，清晰明确。

但是，在改善换热性能的同时，流体流动阻力消耗却显著提高，为了避免阻力因素的影响，提出了利用在单位压降下的换热系数以及单位阻力因子下的努赛尔数来评价换热器的热工性能的方法。

但是，随着研究的深入，发现有些传热强化技术不能满足单位压降下的换热提高，而在单位泵功情况下可以得到改善，于是从相同消耗功率下传热的大小出发推导出新的评价准则。

这种综合评价标准目前应用较多。

但是，以上指标只考虑了热量传递的数量而没有考虑热量传递的质量。

基于热力学第二定律的评价指标则考虑了热量传递的质量，表征了传热过程的不可逆
性，因此也具有重要的意义。

还有人在这些已知基础之上提出用熵产来传热性能的方式，也有比较多研究人员采用娴分析法来分析，结果也表明了换热器传递的质量。

值得注意的是，过增元从热电比拟的角度提出了炽的概念，煅代表了热量传递的势能，近年来得到广泛应用。

1.3 换热器研究的目的和意义
大型换热器在我国许多工业生产领域的应用日益增多，促使我们科研设计人员对大型换热器技术研究方面的不懈努力。

大型管壳式换热器结构设计与研究、大型管板的研究设计与装配制造技术等方面的研究都取得了长足进步。

大型多股流缠绕管式换热器、组合结构的低温甲醇洗装置、原料气冷却器等大型缠绕管式换热器相关设备的研发也得到了令人满意的成果。

大型缠绕管式换热器使用了兼顾传热性能与流体分布的换热器板片、整板分次步进模压成型工艺、氩弧焊、电阻焊等焊接先进技术，为大型板壳式换热器的国产化提供了保证[4]。

在高效混合介质的研究、研制高效传热元件等方面获得了巨大成果，研发的过程充满艰辛，但他们的努力无疑给所有研究着指明了研究方向和目的。

随着我国可持续发展战略的实施，国家对单位GDP的能耗控制指标不断细化。

作为化工生产重要过程设备的换热器，它在冶金、核电、石油、化工、建材等等化工生产相关行业的热量回收和综合利用中展现了自己杰出的能力。

随着我国可持续发展战略的实施，我国在能源回收和综合利用等项目的建设中投资力度加大。

和大型化的成套装置相适应，诞生了许多大型的换热设备。

为了提高当前换热设备的传热性能，以达到热量回收和综合利用的目的。

我国在换热设备的研究上进行了大量的研究工作，并且取得了关键性的进展，其中主要包括三个方面的研究：
(1)研究和采用包括高通量换热管在内的各种加强传热能力的元件；
(2)针对大型管壳式换热器的换热性能方面的研究；
(3)对大型板壳式换热器高效传热结构进行研究。

1.4 论文的主要工作
新型板壳式换热器的优势相当非常大，不仅传热系数更高，压降小，结垢性低，结构简单，同时还能大大地降低换热器能量损耗。

在诸多高温高压等特殊工况条件下，可以替代管壳式换热器工作。

国内新型板壳式换热器经过近年来的发展，结构多种多样，应用范围也日益广泛。

但就技术方面相比国外仍然存在不小的差距。

对换热器相关方面的研究应当着眼于针对高温、高压、易腐蚀、易结垢等等恶劣的工况条件下仍能正常有效工作的不同材质的新型换热器
设备，以此来满足越来越复杂的市场需要。

比如采用高分子材料制造换热器等等，或许会对换热器的性能等方面产生较大的变化。

所以，本文主要工作如下：
(1)分析世界各国先进换热器技术的特点，了解这些技术的工作原理和设备的工作特点。

(2)了解掌握各种类型换热器的工作原理和特点。

(3)深入了解新型新型板壳式换热器的工作原理和特点，分析它的发展前景及技术特点。

第2章三种换热器的性能及换热分析当前社会，化工生产中使用的最广泛的换热器即管壳式换热器。

这主要是因为它在单位体积内的传热面积比较大而且传热效果相对较好。

除此之外，管壳式换热器对于各种各样复杂的条件都能很好地工作，它可以选用的制造材料也比较多，组成结构简单，同时它的抗高温、高压能力较强，与大型装置中的适配性能也很好。

板式换热器的主要优点在于组成结构简单，安装紧凑，单位容积内的传热系数比较大、材料损耗少、传热面积大、可调节性能好，同时我们可以任意调整板式换热器的板片数量以此改变它在工作中传热面积的大小[5]。

这使得检修、清洗都显得更加快捷有效，以致使它的适用范围相当广泛。

2.1 管壳式换热器
当前社会，化工生产中使用的最广泛的换热器即管壳式换热器。

管壳式换热器的结构比较复杂，它在很多方面的性能跟它复杂的结构有很大的关系，尤其是它的壳程部分，安装有各种各样形势复杂的折流板。

因此它的研究方向始终在于详细地预测壳程的流动，并且保证对传热特性、经济性良好和安全。

2.1.1 管壳式换热器的总体结构
管壳式换热器还有一个别称叫做列管式换热器，它的组成结构主要有管束、壳体、管板、封头、花板等几部分。

它使用了管型管束作为传热元件，通过设计管束的外形以及材料来影响传热性能的好坏。

传热管在壳体内按照不同的方式组合而成[6]。

传热管两端使用焊接技术或者胀接在管板上，然后再分别焊在外壳的两端，即管板与壳体是刚性连接。

沿着管长方向，装有很多与管束垂直放置的挡板，叫做折流板。

换热器在进行热交换时，流体由连接在管板上的封头的进口管处流入，通过平行管束的管内，从另一端封头出口接管流出，这一段管道称作管程；在换热器换热时，管内的流体由壳体的接管处流入，流经壳体与管束间之间的部分，最后再由另一处接管口流出，这一段管道称为壳程。

管束的表面积被称作是管壳式换热器传热面积。

在管壳式换热器内，流体只通过一次管程的叫做单管程管壳式换热器，只一次通过壳程的叫做单壳程管壳式换热器[7]。

换热的管束通常会根据工作的需要来设计管束程。

2.1.2 壳侧换热及阻力性能研究
在螺旋折流板换热器中，由于螺旋流动产生的离心力和切向的速度分量的作用下形成了涡旋，在涡旋的作用力下，致使管束内的流体产生速度梯度。

在流体中涡旋的中心会产生比较高的速度梯度，这样高的速度梯度可以大大增加
换热效率。

在管束内流动的流体，它们的流动性和边界层厚度，取决于流体流动方向和管束的倾角大小和方向[8]。

所以当改变流体流动方向或者管束的倾角时，换热器的换热效率会产生比较大的改变。

2.2 板式换热器
板式换热器相比于管壳式换热器来说出现的更晚一点，在管壳式换热器大行其道的局面之下，一种新型的换热器就必须具有相当大的优势才能站稳脚跟。

结构紧凑，材料耗量少、传热面积大、传热系数大，可以任意的增加和减少板数以此来调整传热面积，检修、清洗都比较方便快捷，这许许多多的优点让它广泛的占领了换热行业的半壁江山[9]。

2.2.1 板式换热器的总体结构
板式换热器是由板片、固定压紧板、活动压紧板、密封垫片、压紧螺柱和螺母、前支柱以及上下导杆等部件组成的。

结构比较简单。

压紧板、导杆、压紧装置、前支柱等装置合在一起组成了板式换热器的基本结构。

然后将板片按一定顺序整合，即称为板束。

板式换热器的组成简单，通用性广泛，这是它与其他形式的换热器最大的优点。

板式换热器的密封主要是垫片在发挥着作用。

它通常被放置在板片的垫片槽里。

将粘贴好垫片的板片按照相应的排列顺序排列在活动压紧板和固定压紧板之间，然后再用压紧螺柱将活动压紧板、排列好的板片以及固定压紧板夹紧。

板片被叠压在一起时，板片角隅处的孔形成连续通道或导管，使介质从进口进入板叠，并分布到板片的狭窄道中。

板片上的密封垫和板片是交替排列的，在大多数情况下，介质按逆向流动进入流道，有时也会交替的流入流道内。

在流体流经半片的时候，热流体会将热能传递给板片，然后板片将热能传递给的冷流体，实现了换热器的热交换工作。

板式换热器的板片按波纹的类型分为水平平直波纹、人字形波纹、斜波纹等。

垫片也属于板式换热器关键零件之一。

所以板式换热器的工作温度就即垫片的额定温度，它的工作压力主要受到垫片承受能力的约束[10]。

2.2.2 板式换热器的性能特点
板式换热器相比其它两种形式的换热器具有较高的换热系数。

板式换热器中的流体流动的形式比较复杂，流体会在流道内由于波纹板片的作用而受到干扰，使之在流体缓慢的流动时就可以形成湍流，这样就达到了纯逆流换热，使换热器达到了更加合适的传热效率，提高了换热能力[11]。