毕业设计--螺旋折流板换热器开题报告

中国矿业大学

化工学院

毕业论文（设计）开题报告

题目：螺旋折流板式换热器的设计专业：过程装备与控制工程

姓名：桂大强

班级：过控08-2班

学号：06082908

指导教师：朱荣涛

一、概述以及设计目的

折流板是提高换热器工效的重要部件。传统换热器中最普遍应用的是弓形折流板，由于存在阻流与压降大、有流动滞死区、易结垢、传热的平均温差小、振动条件下易失效等缺陷，近年来逐渐被螺旋折流板所取代。理想的螺旋折流板应具有连续的螺旋曲面。由于加工困难，目前所采用的折流板，一般由若干个1/4的扇形平面板替代曲面相间连接，形成近似的螺旋面。在折流时，流体处于近似螺旋流动状态。相比于弓形折流板，在相同工况下，这样的折流板（被称为非连续型螺旋折流板）可减少压降45%左右，而总传热系数可提高20%～30%，在相同热负荷下，可大大减小换热器尺寸。虽然非连续螺旋折流板的加工技术比较成熟，在石化行业也已得到推广应用，但仍存在诸多不足之处。例如，扇形板连接处成非光滑的锐角过渡，对轴向运动的流体存在反压，流体通过时的突然转向会造成能量损失，在螺旋角较大时能耗更严重；相邻两片扇形板空间对接时，必须附加角接板才能填补缝隙，既费工又废料，又增大了流体的阻力。相比之下，具有理想螺旋曲面的连续型螺旋折流板有着更好的传热与流动特性，但在实际应用时必须首先解决其加工难题。

螺旋折流板换热器的提出基于这样一种思想：通过改变壳侧折流板的布置，使壳侧流体呈连续的螺旋状流动。因此，理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。但是，螺旋曲面加工困难，而且换热管与折流板的配合也较难实现。考虑到加工上的方便，采用一系列的扇形平面板(称之为螺旋折流板)替代曲面相间连接，在壳侧形成近似螺旋面，使壳侧流体产生近似连续螺旋状流动。一般来说，出于加工方面的考虑，一个螺距取2～4 块折流板，相邻折流板之间有连续搭接和交错搭接两方式，按流道又可分为单螺旋和双螺旋两种结构。

本次设计的螺旋折流板式换热器是我之前学习所没有接触过的，在传统的学习知识上面添加了一些新的元素，使得设计更具色彩性，同时主线没有改变，依然是列管式换热器。在设计过程中，一方面可以复习和巩固之前学习的知识，另外又可以拓展思维，查阅资料以扩展知识面，培养创新思维，以达到培养创新性人才的目的。

二、螺旋折流板式换热器国内外研究现状和发展趋势

涡旋或螺旋流动一直是强化传热的有效手段, 从壳侧流体由纵向或蛇形横向流动方向改变为螺旋状流动的角度产生了螺旋折流板换热器的构想,但由于连续螺旋曲面的加工及安装难度很大, 20世纪八、九十年代捷克科学家发明了非连续的1/4螺旋形折流板换热器,采用一系列1/4扇形折流平板来代替螺旋曲面。此项技术后被美国AB 公司买断，后又转让给CB& I公司,据ABB Lum musHeat transfer公司公布,自1994~2007年3月该公司共完成349个项目,共计1350台(套)螺旋折流板换热器的设计和制造。我国大庆石油化工机械厂等单位也参与了应用ABB公司技术的部分制造和应用实践。其他另有一些单位则选择自主开发,近几年也得到了一些发展。

不少研究者采用数值模拟和实验研究手段,对螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器进行对比。结果表明,螺旋折流板换热器的单位压降的换热系数性能要优于弓形折流板换热器,并大致确定性能最佳时的螺旋角或倾斜角为40度左右。

在1/4螺旋折流板换热器问世后的近20年里, 未见有国内外同行就1/4螺旋折流板方案不适合正三角形排列布管之事进行质疑,几乎无人考虑布管方式与折

流板结构设计的关联。针对以上问题,陈亚平提出了三分螺旋折流板换热器，其结构如图4所示,并申请了国家发明专利。三分螺旋折流板换热器除秉承了1/4螺旋折流板换热器的诸多优势外,还特别适合于正三角形布管方案,且可减少折流板零件。该项创新将使原先很难大规模应用的螺旋折流板式换热器具有了普及应用的可能。

三、设计研究技术路线和目标

1设计研究技术路线

首先查阅相关文献资料了解螺旋折流板式换热器的基本原理、性质及应用，在化工生产中的地位和作用、换热器应用的现状和发展趋势、设计的理论基础、技术路线及其意义，对螺旋折流板式换热器设计有一个大体上的认识和理解。

然后确定螺旋折流板式换热器的结构和类型、操作条件的选择和操作方式选择。对换热器进行热量衡算、物料衡算、传热面积的确定、压力降计算等，确定各结构部件所需参数，并对各结构部件进行合理安排，确定换热器的基本构成。

紧接着进行换热器壳体、管箱短节、封头厚度确定，容器法兰、螺栓、垫片附件的校核计算，管板厚度的计算，开孔补强计算，确定出换热器的最终形式。

最后，利用AutoCAD软件绘制出固定管壳式换热器的装配图及各个零件图，并编写说明书。

2目标

查阅国内外相关文献资料，完成换热器的工艺计算、结构设计及强度校核。努力提高换热器的换热效率。在设计过程中总结经验教训，并大胆创新，获得更多关于换热器的知识，无论为今后的工作还是现在的学习都能奠定一定的基础。

四、研究内容和拟解决的关键问题

1研究内容

第一部分：准备工作

查阅相关文献资料了解浮头式换热器的基本原理、性质及应用。在化工生产中的地位和作用、换热器应用的现状和发展趋势、设计的理论基础、技术路线及其意义。

第二部分：工艺计算及结构设计

浮头式换热器的结构和类型、操作条件的选择和操作方式选择。热流量计算、传热系数计算、传热面积的确定、壳程阻力及压力降计算。

第三部分：主要受压元件强度计算

换热器壳体、管箱短节、封头厚度确定，容器法兰、螺栓、垫片的校核计算，管板厚度的计算，开孔补强计算。

第四部分：计算机绘图及说明书的编写

利用AutoCAD软件绘制出固定管壳式换热器的装配图及各个零件图，并编写说明书，并完成英文资料翻译的编写。

2 关键问题

换热器性能关键在于换热器的换热效率。所以在本设计中，关键在于如何布置列管以及如何进行螺旋折流板的设计和放置。以求更好的换热效果，尽可能的去参考国内外最新的研究进展。

五、计划安排和预期成果

1计划安排

序号设计各阶段内容时间安排

1 查阅相关资料，确定设计方案和论文结构第6至7周

第8至10周

2 完成开题报告，进行换热器的热力计算和准

备中期答辩

3 完成设计书第11至13周

4 进行图纸的绘制第14至15周

5 书写设计说明书，打印论文、图纸第16至17周

6 准备毕业论文答辩第18周

2 预期成果

（1）设计出满足工艺条件的换热器设计；

（2）用计算机绘出不少于3张零号图纸的设计图；

六、参考文献

[1] 马江权等.化工原理课程设计.中国石化出版社.

[2] 钱颂文等.换热器设计手册.化学工艺出版社.

[3] 朱跃钊等.传热过程与设备.中国石化出版社.

[4] 潘红良等.过程设备机械设计.华东理工大学出版社.

[5] 喻九阳等.压力容器与过程设备.化学工业出版社.

[6] 毛希澜.换热器设计.上海科学技术出版社.