固定管板式换热器设计结构设计说明.docx

固定管板式换热器设计结构设计 第一章 绪论 1 研究的目的和意义 随着现代工业的发展， 以能源为中心的环境、 生态等问题日益加 剧。 世界各国在寻找新能源的同时， 也更加注重了节能新途径的研发。 强化传热技术的应用不但能节约能源、 保护环境， 而且能大大节约投 资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广 泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视， 各种研究成果不断涌现 [1] 。 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备 , 在石油、 化工、 冶金、电力、轻工、食品等行业应用普遍。在炼油、化工装置中换热 器占总设备数量的 40%左右 , 占总投资的 技术的发展 , 换热器的应用领域不断扩大 显著的经济效益 [2] 。 30%一 45%。近年来随着节能 , 带来了 目前 , 在换热设备中 , 管壳式换热器使用量最大。 因此对其进行研 究就具有很大的意义。 换热器换热过程是为了实现下列目的： ⑴通过减小设计传热面积 来减小换热器的体积和质量⑵． 提高已有换热器的换热能力⑶． 使换 热器能在较低额温差下正常工作⑷． 通过减小换热器的流体阻力来减 少换热器的动力消耗 2 国内外发展状况 2.1 管程强化传热研究进展 换热管是管壳式换热器的主要组成部分， 以下是列举的集中国内 外新型高效换热管以及它们的作用 2.1.1 螺旋槽管 螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管 , 管壁上的螺旋 槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数 , 起到双 边强化的作用。 根据在光管表面加工螺旋槽的类型螺旋槽管有单头和 多头之分 , 其主要结构参数有槽深 e、槽距 p 和槽旋角β。美国、英 国、日本从 1970 年至 1980 年间对螺旋槽管进行了大量的研究 [1] 2.1.2 横纹管 华南理工大学曾研究过 1974 年前苏联提出的一种换热管，研究 表明： 在相同流速下， 横纹管的流体阻力较单头螺旋槽管的流体阻力 要小。 [2] 2.1.3 螺旋扁管 梁龙虎 [3] 经实验研究 , 表明螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通 圆管大幅度提高 , 在低雷诺数时最为明显 , 达 2～ 3 倍; 随着雷诺数的 增大 , 通常也可提高传热系数 50%以上。这是由瑞士 Allares 公司首 先提出的一种换热管。 管子具有独特结构 , 流体在管内处于螺旋流动 , 促使湍流程度。 2.1.4 管内插入物 英国 CalGavin 公司研制一种叫 Heatex 的插入物 , 它由一组延伸 至管壁的圆态体组成 , 可使管侧传热效率提高 2～ 15 倍[4] 。 该公司还开发了一种叫 HitranMatrixElements 的花环式插入物 , 能在不增大压降的条件下大大提高传热系数。用于液体工况 , 可使管 壳式换热器管程传热效率提高 25 倍; 用于气体工况 , 可使相应值提高 5 倍。此外 , 与正常流速相比 , 这种插入物使换热管的防垢能力提高 8～ 10 倍 [5] 2.1.5 内翅片管 内翅片管的特点是通过在换热管管内扩大换热面积， 强化管内传 热途径来提高换热效率。该换热管在 1971 年由美国提出，日本，俄 罗斯等国家进行过大量研究， 研究表明： 内翅片管的可以使管内换热 系数提高到光管的 25 倍[6] 2.1.6 缩放管 缩放管是由依次交替的多节渐缩段和渐扩段构成 , 流体在该管结 构的作用下引起湍动 , 从而提高传热效率。缩放管应用于单相流的研 究已开展很多。华南理工大学提出一种改型缩放管 , 将每个缩放单元 段中的扩张段减到最小 , 并采用外凸圆弧、内凹弧和直线相连接的方 式。同时还对该改进型管进行自然对流沸腾换热特性的实验研究 , 表 明了改进型缩放管的自然对流沸腾换热性能优于普通缩放管 [7] 。陈颖 [8,9] 经实验和模拟计算 , 表明该改进型缩放管有较好的强化传热效果。 2.1.7 三维内肋管 三维内肋管是通过专用的工具经过一定的方法对普通圆管内壁 加工而成的高效强化传热元件。 流体在管内受到三维肋的作用而使其 热边界层的厚度减薄 , 从而提高对流传热膜系数。在某些烟气管对流 换热中 , 三维内肋管具有独特的自