丁烷冷卻器的結構設計開題報告文獻綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u177691開題依據(jù) 0233331.1背景介紹 0121871.2課題的意義與價值 1191772文獻綜述 2250562.1折流板 224432.2換熱管 559612.3支座 6165102.4總結 8275233課題研究 9237363.1任務書條件 9163153.2細化研究工作 926834創(chuàng)新點與難點分析 10183825工作進度安排 103148參考文獻 111開題依據(jù)1.1背景介紹換熱器是用于在冷流體和熱流體之間傳遞熱能的裝置。液體可以用固體壁隔開以防止混合，也可以直接接觸。在日常生活中，換熱器通常被用作冷凝器、蒸發(fā)器、空間供暖等。在工業(yè)上，應用于采暖、制冷、空調、電站、石油化工、化工、制藥、天然氣處理和廢水處理等領域[1]。不同的因素影響換熱器的設計，如流體流動條件（溫度、壓力、腐蝕性、液相、粘度等），以及維護和經濟考慮。各種類型的換熱器被用于冷卻和加熱過程。根據(jù)傳熱原理的不同，換熱器能夠分為直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器、中間載熱體式換熱器等幾大類。其中，管殼式換熱器是最常用的。兩種不同起始溫度的液體流過換熱器。一個流過換熱管，另一個在管外但在殼內流動。熱量通過管壁從一種流體傳遞到另一種流體，從管側傳遞到殼側，反之亦然。在殼側或管側，流體可以是液體或氣體。為了有效地傳遞熱量，需要使用較大的傳熱面積，因此需要使用許多管子。這樣，廢熱就可以利用了。這是節(jié)約能源的有效方法。管殼式換熱器是化工、發(fā)電、煉油、制冷、空調等行業(yè)中應用最為廣泛的換熱器。由于堅固的結構幾何結構以及易于維護和升級的可能性，現(xiàn)代工程行業(yè)中使用的換熱器超過35–40%為管殼式換熱器。在管殼式換熱器中，傳熱能力取決于管板上管的布置、折流板的數(shù)量、管的數(shù)量和長度等參數(shù)。本次設計的是管殼式換熱器中的浮頭式換熱器（如圖1.1），浮頭式換熱器的兩端只有一端通過法蘭連接殼體，稱為固定端。而另一端并不固定，可與殼體相對滑動，稱為浮頭端。浮頭式換熱器的優(yōu)勢是管束的受熱膨脹不受約束，管束與殼體之間不會產生差脹導致的熱應力。圖1.1浮頭式換熱器1.2課題的意義與價值隨著化工行業(yè)的發(fā)展，換熱器作為工業(yè)生產中最重要的熱交換裝置也越加凸顯其重要地位。換熱器在工業(yè)中廣泛應用于大型工業(yè)過程的冷卻和加熱。所用換熱器的類型和尺寸可根據(jù)流體類型、相、溫度、密度、粘度、壓力、化學成分和各種其他熱力學性質進行調整，以適應工藝。在現(xiàn)代工業(yè)高度發(fā)達的今天，換熱器面對著越來越多的挑戰(zhàn)。產品品質、對能量的使用效率和性價比都取決于換熱器性能的高低。管殼式換熱器構造簡單，價格低廉，應用廣泛。影響其性能的主要因素是湍流，壓降、傳熱系數(shù)、污垢、管側到殼側的表面流速比、換熱器長度和折流板類型。通過增加湍流強度，可以減小流動阻力的增加，有效地增強了傳熱。然而雖然較高的壓降提高了傳熱速率，但會導致功耗因為傳熱速率的增加而增加，這是它的主要缺點。所以在設計時應該綜合考慮傳熱速率、壓降以及耗電量。傳熱系數(shù)越大，傳熱速率就越大。可以通過增加殼程和管程的流量、換熱管直徑等方式提高傳熱系數(shù)。換熱系數(shù)與壓降之比隨換熱器長度減少而增大。因此，湍流越強，壓降越低，傳熱系數(shù)越高，壓力越小。傳統(tǒng)結構的弓形折流板換熱器常常出現(xiàn)漏流、壓降大、積垢和較大的振動等問題，而且傳統(tǒng)結構的管殼式換熱器的傳熱系數(shù)較低，常難以達到工業(yè)生產的要求。螺旋式折流板換熱器殼程的阻力低、傳熱系數(shù)大，并且積垢與振動問題大幅減少，因此在化學工業(yè)等行業(yè)應用廣泛。而常見的螺旋換熱器常常使用四分之一圓的扇形作為折流板，相近兩塊扇形折流板之間會形成三角漏流區(qū)[2]。本次設計的課題是設計換熱器中的丁烷冷卻器，設計此丁烷冷卻器的目的是尋找普通螺旋式折流板換熱器由于三角漏流區(qū)所導致的殼程流體滲漏降低換熱器性能的解決方法。并希望通過本次換熱器的設計熟練掌握運用大學四年中所學習的知識，以便在未來的設計工作中能夠做到游刃有余。2文獻綜述換熱器作為一種熱交換裝置在工業(yè)生產中極為重要，因此如何提高換熱器的性能也廣泛地被國內外關注著。70年代的世界能源危機以來，換熱器性能的強化不可避免地被大力發(fā)展起來。為了提高工業(yè)生產中的經濟效益，降低能源消耗，各式各樣的換熱設備被研發(fā)了出來。本次設計的浮頭式換熱器主要由支座、分程隔板、管箱、殼體以及換熱管束等組成。換熱管束包含換熱管、折流板、管板、支持板等。其中換熱管最常見的是光管，也有各種帶翅片的翅片管，還有在食品行業(yè)運用廣泛的波紋管等。折流板最常見的是弓形折流板，最近幾年螺旋折流板也被廣泛應用于各行業(yè)的換熱器中。殼體大多為圓筒形或者方形。管箱也可稱作分水器或管罐，一般分為平蓋管箱、橢圓封頭管箱及球形封頭管箱。分程隔板的作用是將換熱器管程分為多流程。支座是對臥式容器起支撐作用的部件因此尤為重要，鞍式支座是最常見的支座，其材料與布置方式都影響著支座的支撐能力。最近這些年來，對傳熱技術的強化以及各種換熱元件的開發(fā)在中外各國的方針之中越來越重要，以下是近些年來一些比較前沿的換熱元件型制。2.1折流板管殼式換熱器配有折流板，折流板有助于提高傳熱效率。折流板也有能夠為管道提供支撐作用，并通過管束以獲得更高的傳熱率。在分段折流板的情況下，由于回流，沿殼側的流動非常復雜，漏流、旁流，甚至流體會對管束產生橫向沖擊從而降低其使用壽命。不僅如此，分段折流板由于流體的方向改變，產生快速地膨脹和收縮對換熱器殼測有顯著壓降的影響[3]。由數(shù)塊不完整圓板均勻分布于殼體中所組成的折流板叫弓形折流板（如圖2.1），如圖2.1.1。流體在弓形折流板中呈“z”型流過，流體并非指向一定地勻速通過這些不完整圓板，這導致了在這些弓形折流板之間存在了許多流動盲區(qū)，從而形成傳熱死區(qū)，導致傳熱效率低；且殼程壓降因為弓形折流板的阻礙而明顯增大。圖2.1弓形換熱板結構折流桿（如圖2.2）是使用桿替代弓形折流板支持管束的新型折流板替代品，折流桿生產和裝配都相對折流板更加簡單，重量更輕，成本更少。而且殼程中的流體與管束同向而行，即使流體粘度較大也不會過度導致管束振動，殼程阻力降低，從而升高了傳熱效率[4]。圖2.2折流桿結構螺旋式折流板是上世紀末以來國內外研究較多的一種換熱板類型，螺旋折流板可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)弓形折流板，提高換熱效率，減少壓力損失。與弓形折流板相比，螺旋折流板有以下優(yōu)勢：流體在殼程中螺旋流動，流動沒有死區(qū)。壓降與傳熱系數(shù)之比小，能耗低。流體流過之后產生的污垢少，延長了換熱器使用壽命[5]。螺旋折流板的原理（如圖2.3）基于想要使流體以螺旋狀連續(xù)在殼側流動而改變折流板的布置。最為理想的螺旋折流板是布置為連續(xù)旋轉的曲面。但是由于現(xiàn)實中的加工不易實現(xiàn)，一般采用以四分之一殼程橫截面大小的扇形，角度向著換熱器的軸線布置，并與其保持特定傾斜角。鄰近螺旋折流板的邊緣處延長相接，延長線與扇形邊緣構成連續(xù)螺旋線。圖2.3螺旋折流板原理自二十世紀八十年代末美國學者提出螺旋折流板的概念開始，對于螺旋折流板的研究已經愈演愈烈。國內梁帥[6]等人對于不同螺旋角折流板換熱器的流動與傳熱性能進行了數(shù)據(jù)分析與研究。他們分析時在考慮到殼的直徑、中心管的大小、螺旋折流板的加工情況和流體的分布狀況后，考慮以特征螺旋角來分析連續(xù)螺旋折流板換熱器的流動情況和傳熱性能。利用分析“場”來獲取螺旋折流板換熱器中的流體在殼程中呈周期螺旋性流動，速度均勻分布。特征螺旋角越大的換熱器，其綜合性能約佳（如圖2.4）。而殼程流體Re越大，相對于傳熱系數(shù)，特征螺旋角影響傳熱系數(shù)更甚。所以在殼程流體Re高（即流體粘度大）的換熱器中，應該在適宜的流量大小之中選擇使用特征螺旋角更大的換熱器。圖2.4不同特征螺旋角下?lián)Q熱器綜合性能變化情況近年來文鍵[7]提出的一種性能更為優(yōu)越的新型螺旋折流板——旋梯式折流板換熱器（如圖2.5），通過使相鄰兩塊扇形折流板彎折并連接在一起，從而消除了三角漏流區(qū)。文鍵通過模擬分析的方法對比旋梯折流板與扇形折流板換熱器的殼程壓降、傳熱系數(shù)等換熱性能，發(fā)現(xiàn)換熱器總傳熱系數(shù)增加了約50%~66%，并且旋梯式折流板還具有定位和安裝簡便等優(yōu)點，是一種在設計換熱器時更加節(jié)能優(yōu)化的選擇。圖2.5旋梯式折流板2.2換熱管化學工業(yè)中最常用的換熱器是使用光管（如圖2.6）的換熱器。這種裝置廣泛應用于工業(yè)領域，如食品加工行業(yè)，它們主要用于相對較低的流量應用。一般來說，其特點是結構簡單且成本低廉，但需要使用其他技術來減少工業(yè)應用中的能源消耗。為了提高這些裝置的傳熱性能，有幾種方法可以通過在流動中插入元件或對管道進行表面改性來提高對流傳熱系數(shù)。在這些方法中，增加對流系數(shù)會導致壓降的增加，這會增加對泵功率的要求，增加能源成本，而這取決于使用的泵的類型。因此，開展在盡可能小的壓降范圍內來提高傳熱效率的研究是非常重要的。圖2.6光管而相對于光管來說，翅片管（如圖2.7）具有更大的表面積，雖然看似為第一次強化傳熱，但隨著換熱表面積提升而提升了傳熱性能，從而造成了二次強化傳熱的效果。翅片管的特點是制造難度和性能相對光管并沒有顯著增加，但是傳熱面積大大增加從而增加傳熱系數(shù)。翅片管的材料根據(jù)條件不同進行選擇，比較常見的材料一般有黃銅、銅、鋁合金、鋁、鈦、鎳、鋼、因康鎳合金等等，一般最常用的金屬是鋁及其合金。翅片管在選材的時候一般要考慮到材料的成形性、釬焊性、導熱性與耐腐蝕性。鋁及其合金完全符合這些條件，而且其延展性與抗拉強度與溫度成反比，由此在世界范圍內，特別是低溫環(huán)境的換熱器中，鋁及其合金被大量應用。換熱器使用的翅片管分外翅片管和內翅片管，外翅片管相對于內翅片管應用更廣泛，外翅片管一般以光管為原型在外表面加工出一定形式的翅片。翅片管形式包括板翅式翅片管、套裝翅片管、螺旋翅片管和滾軋式翅片管等[8]。圖2.7幾種形式的翅片管另一種最廣泛的換熱管類型是波紋管（如圖2.8），因為波紋增加了濕周，保持了恒定的橫截面積，從而增加了對流表面積[9]。這種方法在食品工業(yè)中尤其常見，當使用在層流狀態(tài)下工作的高粘度流體時，可以促進層流或光滑管中的過渡流轉變?yōu)橥牧?，改善傳熱性能，同時增加壓降。對于湍流，因為它有助于干擾熱邊界層，波紋也用于增加傳熱性能。一些研究對換熱器中波紋管的影響進行了實驗分析。研究了平行流波紋內管環(huán)空單相換熱。分析了波紋管間距對R134a制冷劑冷凝傳熱和壓降的影響，他們發(fā)現(xiàn)波紋管的傳熱系數(shù)和摩擦壓降之比為50%，比光管高70%。實驗分析了螺距和高度對同心管換熱器強化傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)和努塞爾數(shù)分別是光滑管的2倍和3倍。一項實驗研究重點研究了換熱器的傳熱性能和壓降，他們發(fā)現(xiàn)，使用波紋管作為內管會使努塞爾數(shù)增加10%到52%，而管與管之間的摩擦系數(shù)增加到150%到190%[10]。圖2.8波紋管結構2.3支座對于臥式容器來說還有一重要結構便是支座，支座是對臥式容器起支撐作用的部件。主要承受物料和容器的重量，當設備安置在室外時還要考慮地震載荷與風載荷。圈式支座（如圖2.9）在實際的工程中使用較少，一般應用在大型薄壁容器或者真空容器因為自重過大而導致的過度撓曲變形的情況，可以幫助容器支座處的局部剛度的提升。圖2.9圈式支座臥式換熱器及其他臥式容器最常用的支座形式之一為鞍式支座（如圖2.10），鞍式支座設計的安全性與可靠性是換熱器設計的重中之重，特別是近年來臥式壓力容器越來越大，對鞍式支座的設計的進一步研究越發(fā)重要。圖2.10鞍式支座當管殼式換熱器大型化時，設計師使用的鞍式支座之間間距加大，壓力容器截面擾度隨之增加，而壓力容器所受應力也隨之增強，毫無疑問這降低了換熱器安全運行的可能性。對此，可以采用多支撐鞍座來減小應力。而對于換熱器多支撐結構支座應力（如圖2.11）的求解，一般用的是三彎矩方程，而能夠使用三彎矩方程的前提是能把此換熱器簡化為彎曲梁[11]。三彎矩方程的一般性公式為：Mn-1ln+2Mn(ln+ln+1)+Mn+1ln+1=-(6ωnan)/ln-(6ωn+1bn+1)ln+1（2.3.1）圖2.11多支座彎曲梁受力臥式容器所使用的鞍式支座分為滑動端和固定端兩種，而滑動式鞍式支座的安裝質量與方式直接影響了溫度變化時罐體是否能夠自由熱脹冷縮，從而決定了壓力容器的安全性。吉慶林在現(xiàn)有的安裝方式上提出了以聚四氟乙烯PTFE墊板作為滑動端摩擦副的安裝方法（如圖2.12），提升了容器安全性，同時還能避免后期的維護[12]。PTFE作為人工合成的高分子非金屬材料具有耐酸堿性、耐有機溶劑、能在高溫中保持力學性能、摩擦因素低及力學性能優(yōu)良等性質。這些性質使得PTFE墊板很適合作為滑動端鞍座的安裝。圖2.12滑動鞍座PTFE墊板結構設計方案2.4總結換熱器作為化學工業(yè)中重要的熱交換裝置在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)達的今天越來越受重視，提高換熱器的傳熱性能更是換熱器研究中的重中之重。自上個世紀以來，各國對換熱器性能強化的研究已經愈發(fā)成熟，有使用各種新材料如聚四氟乙烯制造換熱器支座的，也有使用波紋換熱管、螺旋折流板等新結構組成換熱器的。除此之外，換熱器管程結構中的管板、管箱、管束分程及換熱管與管板的連接；殼程結構中折流桿、防短路結構及殼程分程等都是在設計換熱器過程中需要仔細斟酌經濟性和傳熱性能的設計要點。3課題研究3.1任務書條件原始條件及數(shù)據(jù)：介質溫度/℃壓力/MPa換熱面積/m2進出進出管程冷卻水33403.40.325殼程丁烷624028.22.79668設計的技術要求：要求設計一浮頭式換熱器，以其進行結構設計、強度計算，并分析設計可靠性。3.2細化研究工作步驟一：預準備大量查找浮頭式換熱器相關資文獻，了解浮頭式換熱器的發(fā)展歷程，掌握浮頭式換熱器的基本機構、性質、原理及應用。根據(jù)工藝條件確認設計設計方案與流程。步驟二：熱力計算定性溫度和物性參數(shù)計算；初選結構，管程換熱計算及流量計算，殼程換熱計算，傳熱系數(shù)、管程壓降、殼程壓降計算及強度校核。步驟三：結構設計浮頭式換熱器管子排列方式的確定，對管子排列方式的選擇需要考慮到應力分布的均勻、清潔的方便以及管子排布對整體構造的影響。殼體厚度設計計算，封頭、箱殼壁厚計算強度校核，墊片、螺栓、法蘭計算校核，開口補強計算。固定管板與分程隔板的選用既要考慮拆卸方便，也要考慮密封效果。折流板、拉桿的選擇，其中折流板是本次設計的重點，對折流板形式對傳熱性能的影響將通過模擬分析體現(xiàn)。進出口管的選擇與流體及流速有關，浮頭箱與浮頭的計算，補強圈與各法蘭的選擇校核計算，支座的選擇，管箱殼體的強度校核計算，開孔補強計算。結構設計是本次浮頭式換熱器設計工作中的重中之重，亦是考驗學生四年機械設計學習的重要考卷，應當認真、嚴謹?shù)赝瓿擅恳徊皆O計工作，并且反復檢驗校核，爭取做到設計出的浮頭式換熱器能真正投入生產使用的水平。步驟四：AUTOCAD制圖在計算機上使用AUTOCAD繪制浮頭式換熱器的裝配圖及零件圖。步驟五：數(shù)值分析使用FLUNT軟件對比扇形螺旋折流板換熱器與旋梯式折流板換熱器的傳熱性能并進行數(shù)據(jù)分析與研究。4創(chuàng)新點與難點分析本次設計的創(chuàng)新點主要在于討論了折流板與換熱管的新型結構對于換熱器的傳熱性能的影響。螺旋折流板的原理基于想要使流體以螺旋狀連續(xù)在殼側流動而改變折流板的布置。螺旋式折流板可以降低壓降，提升傳熱系數(shù)，在熱負荷不變的狀況下大幅降低換熱器尺寸。本次設計的難點主要在于結構設計涉及大量計算、校核與檢驗工作，可能上手較慢，需要多次重復及修改才能完成結構設計任務。其次，對于旋梯式螺旋折流板換熱器與扇形螺旋折流板換熱器傳熱系數(shù)對比的模擬分析涉及到FLUENT、solidworks等多種軟件進行建模、劃分網(wǎng)格并設定不同流體體積流量進行模擬分析。整個過程繁復雜亂，需要熟練運用多種軟件，并且某個小數(shù)據(jù)的錯誤可能導致模擬分析結果完全偏離準確值。需要耐心、細心以及大量時間來完成。5工作進度安排1月11日-1月22日：查資料，寫開題報告1月23日-3月3日：文獻翻譯，總體方案確定，材料選擇3月4日-3月17日：結構設計、強度和穩(wěn)定性計算3月18日-3月31日：零部件設計選用4月1日-4月14日：建模，完成力學或流體分析4月15日-4月28日：繪制裝配圖4月29日-5月12日：繪制零件圖5月13日-5月30日：撰寫畢業(yè)論文（或說明書）5月31日-6月6日：畢業(yè)答辯資格審查，畢業(yè)設計資料的修改和完善6月7日-6月11日：畢業(yè)答辯，及答辯后的圖紙和論文修改、裝訂和整理參考文獻[1]SunilShinde，UmeshChavan．Numericalandexperimentalanalysisonshellsidethermo-hydraulicperformanceofshellandtubeheatexchangerwithcontinuoushelicalFRPbaffles．ThermalScienceandEngineeringPr