换热器设计开题报告讲解

理工学院毕业设计(论文)开题报告

题目：气-液介质专用换热器设计

学生姓名：石静学号：09L*******

专业：过程装备与控制工程

指导教师：郭彦书（教授）

2013年4月8日

1文献综述

1.1 绪论

换热设备是化工、炼油、动力、能源、冶金、食品、机械、建筑工业中普遍应用的典型设备。一般换热设备在化工、炼油装置中的建设费用比例达20%~50%因此无论从能源利用，还是从工业的投资来看，合理地选择和设计换热器，都具有重要意义。在各种换热器中，由于管壳式换热器具有单位体积内能够提供较大的传热面积、传热效果好、适应性强、操作弹性大、易制造、成本低、易于检修和清洗等特点，因此应用最广泛。管壳式换热器按结构特点分为固定管板式、U型管式、浮头式、双重管式、填涵式和双管板等几种形式。不同的结构各有优缺点，适用于不同的场合。本文介绍的是板式换热器[1]。

1.2 管壳式换热器的特点

管壳式换热器是由一系列具有一定波纹形状的的金属片叠装而成的一种高效换热器。换热器的各板片之间形成许多小流通断面的流道，通过板片进行热量交换，它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多。板式换热器的广泛应用，加速了我国板式换热器行业的迅速发展，但我国板式换热器设计与发达国家之间仍存在着不小的差距。板式换热器是以波纹为传热面，在流道中布满网状触电，流体沿着板间狭窄弯曲、犹如迷宫式的通道流动，其速度大小和方向不断改变，形成强烈的湍流，从而破坏边界层，减少界面膜热阻，并使固体颗粒悬浮，不易沉积，有效地强化了传热，因此，它比管壳式等其他类型换热器具有很多独特的优点。第一，传热系数高，由于换热器的特殊结构及组装方式，使介质在流经相邻两板片间的流道时，流动方向和流速不断变化，在低流速下，形成急剧湍流，强化换热；第二，温差小，由于板式换热器具有较高的传热系数及强烈的湍流，可使热交换器的一、二次流体温度十分接近，温差趋近1~3℃；第三，热损失小，由于板片边缘及密封垫暴露在大气中，所以热损失极小，一般为1%左右，不需采取保护措施。在相同换热面积情况下，板式换热器的热损失仅为管壳式换热器的五分之一，而重量则不到管壳式的一半；第四，结构紧凑，换热板片由薄的不透钢板压制而成，板片间距一般为4mm，板片表面的波纹大大增加了有效换热面积，这样单位容积中可容纳很大的传热面积（每立方米体积可布置250㎡的传热面积），占地面积仅为管壳式的五分之一到十分之一。因此，体积小，节省安装空间。第五，适应性强，可根据产量及工艺要求，方便地增加或减少传热板片，亦可将板片重新排列，改变流程组合；第六，用途广泛，目前已广泛应用于化工、石油、机械、冶金、电力、食品、热水供应、集中供暖等工程领域，完成加热、冷却、蒸发、冷凝、余热回收等工艺过程中截止间的热交换；第七，操作灵活，维修方便，传热板片

及活动压紧板均悬挂在机器的横梁上，压紧板上方设有滚动装置，可方便地打开设备，进行清洗，并能取出一板片，进行检查或更换垫片[2]。一般来说，人字形波纹板片的传热效率高、流体阻力大、承压能力好。人字形波纹片之所以换热效率高，流体阻力降大，其原因是板间流道截面变化十分复杂，易诱发湍流，同时流体在这种多变得流道中流动会更多地消耗能量；而水平平直波纹板片的流道变化则类似于正玄曲线，所以传热系数和流体阻力降都较低[3]。

1.3 管壳式换热器的发展及现状

1.31国内情况

尽管我国在部分重要换热器产品领域获得了突破，但我国换热器技术基础研究仍然薄弱。与国外先进水平相比较，我国换热产业最大的技术差距在于换热器产品的基础研究和原理研究，尤其是缺乏介质物性数据，对于流场、温度场、流动状态等工作原理研究不足。在换热器制造上。我国目前还以仿制为主，虽然在整体制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片压制方面与发达国家还有一定的差距。在设计标准上，我国换热器设计标准和技术较为滞后。目前，我国的管壳式换热器便准的最大产品直径还仅停留在2.5米，而随着石油化工领域的大型化要求，目前对管壳式换热器直径已经达到4.5米甚至5米，超出了我国换热器设计标准范围，使得我国换热器设计企业不得不按照美国TEMA标准设计[4]。板式换热器的优化选型是根据换热器的用途和工艺过程中的参数和传热单元数NTU、温差比、选择板片形状、板式换热器的类型和结构。换热器中常使用换热器的“传热面积”和“传热系数”术语，这是一种习惯的有特定含义的名称。因为换热器间壁两侧的表面积可能不同，所谓“换热器的传热面积”实际上是指约定的某一侧的表面积，习惯上一般把换热系数较小的一侧的流体所接触的壁面表面积称为该换热器的传热面积，相对于该传热面积，单位时间、单位面积、在单位温差下所传递的热流量，称为该换热器的传热系数，因此传热系数也是相对于约定的某一侧的表面积而言的[5]。

目前板式换热器生产厂家均未提供凝结换热和沸腾换热的准则式，在进行板式换热器的设计选型计算时应注意以下一些问题：一般冷凝和沸腾均可在一个流程中完成，因此，相变一侧经常布置成单流程，液体侧可根据需要布置成单程或多程。在暖通空调制冷领域，水侧一般也是单流程为多。对板式冷凝器，设计时一般不要使冷凝段与过冷段并存，因为过冷段的换热效率低，如果需要过冷，原则上应单独设过冷器。板式冷凝器及蒸发器设计同样存在一个允许压降问题。冷凝器内压降大，会使蒸汽的冷凝温度降低，造成对数平均温差小；蒸发器内压降大，会造成出口蒸汽过热度加大，两者都会使换热器面积加大，对换热是不利的。因此，在选择板式蒸发器时，应尽量选阻力较小的板片，且每台板片数不宜过多；尽量使供液分配均匀。板式冷凝器应采用中间隔板向两边分液的方法。在选型时，在无合适型号时可选常用的一般板式换热器。对使用在制冷空调设

备上的板式换热器，由于制冷剂压力高，渗透能力强，宜采用钎焊板式换热器。对于可拆卸板式换热器，垫片的密封性决定了整个换热器的性能。垫片经多次松开和压紧容易破坏，需要更换。板式换热器属于压力容器，必须定期检查，检查腐蚀状态，如有腐蚀，一经发现，必须修理；当腐蚀严重，不可能修复，必须更换新件。板件拆装时顺序不要搞错。此外，板式换热器应定期清洗[6]。一般情况下，两侧流体的流量及四个进、出口温度中的任意三个已给定，板式换热器的设计包括确定板型、板片尺寸、流程与通道的组合、传热面积等。在作设计计算时，设计者应具备以下资料;选范围以内的各种板片的主要几何参数，如单板有效换热面积、当量直径或板间距、通道横截面以及通道长度等；适用介质种类与使用温度，压力范围；传热及压降关联式或以图形式提供的板片性能资料；所用流体在平均工作温度下的有关物性数据，主要包括密度、比热容、导热系数及粘度[7]。

1.32国外情况

近年来，国外板式换热器发展的趋势是向大型化和多品种方向发展，如最大单片换热面积达4.75㎡；单台最大换热面积已达2500㎡；最多板数700片/台，最大单台处理能力为3635m³/h；最高使用压力为2.8Mpa；最高工作温度为250℃；最低工作温度采用合成橡胶为-25℃，采用压缩石棉纤维垫片为-40℃，最高传热系数为7500W/㎡.K。板式换热器有效传热的关键是板片和通道的设计。阿法拉伐公司采用GDA/CAM和数学模型，提供了新的板片技术。导流区位于板片顶部和底部，新设计的导流区保证了流体均匀分布通过板片整个宽度，没有死点。对板片结构如通道的深度和形状、板厚和强度的改进，在板片主要传热区采用新设计的波形，使冲压均匀，且允许采用较薄的板材，同时在要求的压力降下产生最大的湍流，从而提高了传热效果。由于板面积极利用率高，所需板片数量减少，以及板片的减薄，显然降低了换热器的成本[8]。Muley和Manglik 通过实验分析了多种板式换热器的数据，得到了一系列传热及流阻的综合关系式[9]。Mir-AkbarHesami通过两种板片从层流到紊流区的实验，在不改变波纹高度和波纹距离的条件下，比较60°和45°的波纹，指出对于60°波纹人字形板片的努谢尔数和摩擦系数是45°的2倍左右[10]。板式换热器中流体的分布不均匀是影响板式换热器性能的一个主要因素。B Prabhakara Rao等人对板式换热器中不均匀流动做了分析研究。研究表明，在板式换热器流道中流速相等的假设与实验情况有很大出入。他们在实验基础上考虑了非均匀流动分布因素，建立了新的传热与流动阻力公式，其结果与实验吻合较好[11]。

1.4 管壳式换热器的发展方向

近些年板式换热器主要研究方向之一是创新板型以及研究板的几何参数对流换热及流动的影响。板式换热器的板片结构千差万别，其设计的最终目的是要强化板片的换热效果、增加板面刚度、提高板式换热器的承压能力。理想的板型设计，不仅具有较大的传热面积、较低的压力降、较高的传热系数，而且还应具有较好的刚性，以使很薄的