螺旋板式換熱器的設計【說明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真】

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一個具有新的傳熱特性的螺旋翅片管換熱器 摘要 在本研究中，熱傳遞特性在干燥的表面上的一個新的在不同的熱條件下?lián)Q熱器器，即一個螺旋翅片管換熱器器。實驗研究，SHI實驗段，這是一個螺旋處以管式的換熱器，由一個外殼和一個螺旋線圈單元。螺旋線圈單元由四個同心螺旋盤繞管不同的直徑組成，每一個通過彎曲管構成成螺旋線圈的直銅管。鋁壓接螺旋翅片厚度為0.5mm，外徑管周長28.25毫米。在鰭的邊緣內徑波紋。周圍的空氣被用作而熱水用于工作流體在殼側管側，完成測試運行的空氣質量流率介于0.04和0.13千克/秒。水流量率范圍是??0.2％和0.4千克/秒。是在40℃和50℃之間的水溫條件的影響兩個工作流體流過的熱熱交換器的傳熱系數(shù)進行的研究。在長期的空氣的傳熱系數(shù)考爾j數(shù)目成正比于入口水溫和水的質量流率。該熱交換器為提高水的質量流量往往會增加流速，也稍微增加而增加入口水的溫度。 標志目錄 A 區(qū)域() Cp 比熱[kJ/(公斤K)] D 管直徑(m) D 曲度的直徑(m) Dc 卷的直徑(m) f 摩擦因子 F 修正系數(shù) G 量流量[公斤(m2 s)] H 傳熱系數(shù)[與(m2 K)] I 焓(kJ/kg) Io 修改過的貝賽爾第一種類的作用解答，定義 第一種類的0種 I1 修改過的貝賽爾作用解答，定義 第二種類的1種 J Colburn j因素Ko修改過的貝賽爾作用解答，定義 第二種類的0種 K1 修改過的貝賽爾作用解答，定義 第二種類的1種 K 導熱性[與(m K)] L 管長度(m) M 質量流率(kg/s)螺線卷(m) Pr Prandtl數(shù)字 Q 熱傳遞率(w) R 管的半徑(m) Nu Nusselt 數(shù)字P 瀝青關于雷諾數(shù) T 溫度( C) U 總傳熱系數(shù)[與(m2 K)] V 平均速度(m/s) D 厚度(m) G 飛翅有效率是整體表面有效率 L 動力粘度(Pa s) q 密度(kg/m3) e 有效率 Subscripts a 空氣 ave 平均 b 基本的 c 螺線卷 f 飛翅 I 里面 In 在入口 l 平均溫差 LM 日志平均溫差 Max 最大值 min 極小值 o 外部 out 出口 wall 墻壁表面 t T形管 tot 共計 w 水 1 介紹 由于高溫傳遞系數(shù)和更小的空間需要在幾種熱傳遞應用和平直的管相比，彎曲的管是最用途廣泛的管。一支螺線卷起的管是用于產(chǎn)業(yè)品種的其中一個彎曲管的知名最廣的類型。對螺線卷起的管的分析和實驗性地學習與應用如Dravid等。[1]在層流熱傳遞數(shù)字上調查了次要流程的作用在螺旋管在充分廣闊的區(qū)域和在熱量入口區(qū)域,被預言的結果是在他們重疊的范圍確認了從實驗獲得的那些重要參數(shù)如 Patankar等。 [2]在開放在摩擦因子和熱傳遞認識到其數(shù)字和螺管的發(fā)展中的作用。從實驗獲得的溫度為軸向地一致的熱流事例以演算得到的一個等溫模型。在以上提到的模型，扭力的作用和Prandtl數(shù)字未被考慮到。如楊和Ebadian等[3]在一個短的圓剖面螺旋管以k-e模型分析充分發(fā)生動蕩對換熱流與有限瀝青面積的關系。結果在橫斷面上表示，當卷的瀝青增加了，橫截面內的溫度分布是不對稱的。在層流的情況下，增加普朗特數(shù)會減少扭轉的了熱傳遞。此外，我們發(fā)現(xiàn)其間距隨著流量的增加，將增強熱流傳熱效果。后來，林和Ebadian [4]采用標準k-E模型研究三維湍流發(fā)展對流換熱螺旋管道有限間距，曲率比和雷諾數(shù)的影響的有效熱導率和溫度場，局部和平均努塞爾數(shù)進行了研究討論。從模型得到的結果分別為在現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)吻合良好。如鑫等人[5]實驗研究了單相和二相流的壓降在環(huán)形螺旋管道。郭等人[6]進行實驗研究蒸了汽 - 水的振蕩在一個均勻的二相流螺旋加熱管。研究表明，重力振蕩邊界上有一個小的影響。他們也提出了新的方法來消除壓力下降的振蕩。菊等人[7]彎曲半徑小螺旋盤管。公式推導單相流結構的雷諾數(shù)，和獲得了單相和二相流的摩擦系數(shù)。阿里[8]提出的壓降相關性流體流經(jīng)定期螺旋盤管。廣義壓降中相關的歐拉數(shù)，雷諾數(shù)和幾何組。趙等人[9]研究了壓力降和沸騰傳熱特性??的水蒸汽兩相流在小型臥式螺旋連續(xù)油管蒸汽發(fā)生器。研究表明，兩者成核機理和連接機構重要的強制對流沸騰傳熱在小螺旋盤繞管的全方位系數(shù)。庫馬爾和Nigam [10]介紹了一種新設備在離心力的作用下，通過改變反轉螺旋管的方向。得到流場和溫度等數(shù)據(jù)，其特征在于使用計算流體動力學軟件。結果從本研究獲得的可用于模擬彎管發(fā)生的流體流動。 Rennie和Raghavan [11]進行了雙重管子螺旋線熱轉換器的一項實驗性研究。Parallelflow與.Nusselt進行了逆流程配置設備中得到的數(shù)據(jù)相比較比較.Cioncolini和Santini [12]在螺線管實驗學習從層流與湍流。用不同的卷直徑比與管直徑相比較,相互作用從中獲得的摩擦因子被分析。Cui[13]提出了R134a的熱傳遞交互作用在煮沸在流程期間有螺線管討論。Wongwises和Polsongkram [14]在光滑的螺線卷起的同心管在在蒸發(fā)期間的管熱轉換器里面，調查了HFC- 134a兩相傳熱系數(shù) 和降壓。他們在一支螺旋的同心管也使用同一個實驗性設定揭露熱傳遞和HFC134a降壓在管熱轉換器中的影響[15]。結果從當前實驗與從平直的管獲得的那些比較性報告。提出了新的交互作用為蒸發(fā)與結露傳熱系數(shù)和降壓在實際中的應用。 雖然用一定數(shù)量的紙是可以得到的在螺旋管，但是它可以得到，在發(fā)現(xiàn)的理論和實驗性調查中，描述以集中于熱傳遞和流程的研究在一支唯一螺旋面的管或在同心雙重管螺線卷，從殼和螺線被盤繞的管所制造的熱轉換器的熱傳遞和流程的特征。在本研究中，主要關心的是實驗性學習熱傳遞的特征，即螺旋的熱轉換器的一個新型的特征，有鰭管熱轉換器在drysurface之下適應。 各種各樣的相關的參量之間的關系被研究探索。在之前從未發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在提出實驗性結果。 2 實驗性用具和方法 圖1顯示實驗性用具的一張概要圖。系統(tǒng)的主要成份包括測試部分、熱水圈、空氣圈和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。水和空氣當工作流體使用。測試部分是螺旋的翅片管熱轉換器。在加法對圈組分，在電路上，儀器溫度和所有流體的流速的測量和控制安裝在首要的節(jié)點。 打開類似的風洞用于模擬氣流通過熱轉換器。通道為300毫米長，直徑為12 m。輸送管墻壁絕緣與6.4毫米thickAeroflex標準板料制成。 熱轉換器的進入的和退出的氣溫由類似的延伸在氣流的空氣通道里面的T銅康銅熱電偶測量。 1毫米直徑的熱電偶探頭順時針位于在不同的四個位置的同一個橫斷面上， 60 cm逆流熱轉換器入口的四個位置在50 cm熱轉換器的出口。 閉環(huán)熱水包括一個0.3 m3儲存箱，一臺調整控制電壓的電暖氣，絞拌器，并且在儲存箱里面有一支冷卻旋管。R22作為冷凍劑使用為使水變冷。一臺離心吹風機釋放空氣入通道和通過直挺器，導葉，測試部分，然后被釋放給大氣。直挺器的目的是避免空氣的畸變離心吹風機的速度是由變換器控制的。 Fig. 1 實驗性用具1張概要圖 空氣從管口獲得，流速是一定的。在調整水的溫度達到期望水平之后，熱水抽到儲存箱外面，通過過濾器，流量計，測試部分，然后返回到儲存箱。旁路是通過過量水的循環(huán)使用回到儲水箱達到最低水位的流速實驗。水的流速由一支流量計測量，在0-10 GPM的范圍。 如所顯示。 2.熱轉換器包括一根鋼毛管和一個螺旋翅片管單位。螺線盤繞單位包括螺旋的有鰭的銅管四卷。每支管通過彎曲一個平直的9.4毫米外部直徑的銅管制造的七層螺線卷。每個螺線盤繞直徑分別是115， 205， 285和365毫米，鋁的飛翅以0.5毫米和28.25毫米外直徑的厚度在管附近安裝維螺線。飛翅邊緣在內在直徑是波紋狀的。用于本研究的螺旋翅片管為單位的相片顯示在上圖。3.飛翅概要圖也顯示在上圖。4. 每卷的水的入口和出口末端到連接到水平的多頭的用28.5毫米外面直徑的管。銅-銅熱電偶安裝在第一，第四和第七層，從最高的層數(shù)起記每卷，其中用二對熱電偶測量水溫和墻壁溫度。安裝了熱電偶顯示在如圖位置。2. 水溫是用被在管里面的1毫米直徑探針測量的，在水流量的測量亦如此。 熱電偶在一個小孔被焊接的0.5毫米深入管墻壁表面，固定與特別膠漿被應用于管材外表面。以這個方法的熱電偶沒有由可變的溫度偏心。熱轉換器的維度在表1被列出。 在實驗中，整體能量平衡估計所有熱耗或獲取的程度從中圍攏。滿足能量衡的數(shù)據(jù)適應; |Qw - Qa|/Qave少于0.05，用于分析是。變濃熱轉學比例，Qave，空氣的熱傳遞率、Qa熱傳遞率，Qw平均熱傳遞率。試驗做了以空氣和熱水測試部分的不同的流速。當空氣流動率，入口熱水溫度都保持恒定時，熱水流速隨的速度增加而增加。使用溫度調解器控制的電暖氣可以調整熱水溫度以達到期望水平。在所有數(shù)據(jù)被記錄了之前，系統(tǒng)允許接近穩(wěn)定。試驗條件的范圍在這其中測量的研究和不確定值分別在表2和3被測量。 表1 螺旋翅片管熱轉換器的維度 參量 大小 外直徑管(毫米) 9.4 內直徑管(毫米) 8.6 直徑 115.0 直徑螺旋卷2 (毫米) 205.5 直徑螺旋卷3 (毫米) 285.0 直徑螺旋卷4 (毫米) 365.0 螺線簧圈節(jié)距(毫米) 16.38 殼直徑(毫米) 430 卷輪的數(shù)字 7 螺線卷的數(shù)字 4 每卷之間的距離(毫米) 42 殼的長度(毫米) 355 進氣口的孔直徑 (毫米) 298 飛翅的每米數(shù)值 500 飛翅高度(毫米) 18.64 飛翅外部直徑(毫米) 28.25 飛翅高度(毫米) 2 飛翅厚度(毫米) 0.5 表2試驗條件 可變物 范圍 入口空氣溫度 四周 入口水溫度(k) 313–323 (40–50_C) 空氣流量率(kg/s) 0.04–0.13 水質量流率(kg/s) 0.20–0.40 測量表3不確定性 儀器 準確性(%) 不確定性(%) 管口米(空氣速度m/s) 2.0 ±0.23 轉子流量計(水質量流率kg/s) 0.2 ±0.003 熱電偶T類型， 0.1 ±0.03 數(shù)據(jù)列表(k) 0.04 濕氣發(fā)射機 0.5 ±0.22 3 數(shù)據(jù) 為了確定熱傳遞典型的熱轉換器從被記錄數(shù)據(jù)的穩(wěn)定情況在每次測驗運行期間，修正系數(shù)對數(shù)的方法運用于溫度確定UA。 可以給空氣的熱傳遞率 那是，空氣流量率是入口空氣的焓，是出口空氣的焓。 可以給的空氣的熱傳遞率 那是水的質量流率，控制點，w是水，Tw比熱，并且Tw，分別為入口和出口水的溫度。 用于演算的熱傳遞的總率從空氣邊和海濱平均值 空氣邊傳熱系數(shù)熱轉換器從整體熱傳遞關系是恒定的 那總傳熱系數(shù)可以被確定為 那對數(shù)意味溫度區(qū)別為 且F是修正系數(shù)。 管邊傳熱系數(shù)，從Gnielinski semi-empirical交互作用得到的Nusselt數(shù)字被評估[16]為。 Prandtl數(shù)值，Pr，被評估為可變的溫度，并且被評估為墻壁溫度。因素被介入原始的等式，由Schmidt [17]考慮到有形的溫度的依賴性。為湍流在螺旋管摩擦因子[18] 那是曲度，D的直徑，與卷直徑Dc和高度，P有關，螺線卷 動力粘度，μ，是水在絕對水溫，且動力粘度，是在墻壁溫度。雷諾茲數(shù)值計算從 那是水密度，是水動力粘度， d是螺線卷(8.6毫米)的內直徑，且是平均速度，水的螺線卷。 整體表面的有效率，，被定義為有效熱調動區(qū)域比與變濃熱調動區(qū)域，可以被飛翅有效率、飛翅表面 總表面積，，如以下： 在中，是基本的區(qū)域。飛翅有效率ρ，取決于提議的方法。[19]如下 是從管的中心的到飛翅表面的距離， 是從管的中心的到飛翅內側的距離， 是第一種類，修改過的貝賽爾作用解答，0， 是第一種類，修改過的貝賽爾作用解答，1， 是第二種類，修改過的貝賽爾作用解答，0， 是第二種類，修改過的貝賽爾作用解答，1， 是從 其中是飛翅厚度和是飛翅的導熱性。 要獲得空氣的傳熱系數(shù)，，一個是解決。 (4)–(12). 熱轉換器的空氣的傳遞特征如下被提出用Colburn j因素 如： 用于有效率評估螺線卷起的熱轉換器的效果: 4 結果和討論 圖5在顯示水溫和管墻壁溫度在不同的位置在和在上圖顯示的卷數(shù)字，用于辨認被考慮的卷，即卷第1和4代表，各自最內層的卷和最外層的卷。水和管墻壁溫度被測量在每卷的最高的層數(shù)(層數(shù)1)和最低的層數(shù)(層數(shù)7)。 熱水進入最最低的層數(shù)被分離到每卷，沿每卷流動并且流動在最高的層數(shù)(層數(shù)1)?？諝膺M入熱轉換器在殼的上面和中心并且橫跨流動在水軸向地流動在熱轉換器之前在排氣口部分，在熱轉換器的底部。，水溫和管墻壁溫度總高于預計的同一個位置。在熱水流程期間中沿每卷從更低的層數(shù)到上層，熱水將逐漸轉移到空氣，導致水和管墻壁溫度減退在上層。 圖6顯示水溫和管墻壁在層數(shù)每螺線卷、和= 0.085 kg/s為另外入口水溫42，。 它能清楚地被看見水溫和管墻壁溫度在每卷增加以在入口水溫的增量。 他們從內在卷逐漸也減少到外面卷。 圖7顯示水溫和管墻壁溫度在層數(shù)每螺線卷1的Tw，在為0.33， 0.37 kg/s.的水質量流率。應該注意到它，當入口水溫，入口氣溫，空氣流量率是常數(shù)，并且管墻壁溫度以最低水位質量流率相比。 。 圖5 水溫的變化和管圍住溫度在層數(shù)1和層數(shù)7數(shù)值 圖6 水溫和管墻壁溫度的變化在層數(shù)1以卷數(shù)為不同的入口水溫度 圖7 水溫和管墻壁溫度的變化在層數(shù)1以卷數(shù)化為水質量流率 圖8顯示水溫和管墻壁溫度在層數(shù)每螺線卷1在Tw，在， 0.071， 0.11 kg/s.的另外空氣流量率。 隨著空氣流量率的增加，水溫和管墻壁溫度傾向于減少。 然而，它能被看見空氣流量率的作用在水溫和管墻壁溫度是非常低的。 圖9顯示出口氣溫的變化以空氣流量率為Ta，在為入口水溫40，45，。 在具體入口氣溫，入口水溫，澆灌質量流率和結果得到。 8空氣流量率影響水溫，保持熱傳遞率單程與水邊相等，當增加時空氣流量率是通過減少出口氣溫。所以，它能清楚地被看見為特定水質量流率、入口水溫和入口氣溫，出口氣溫傾向于減少以質量流率。另外，以平靜的空氣質量流率，出口氣溫在更高的入口水溫那橫跨空氣流量率的范圍。 圖10顯示在出口氣溫和空氣流量率之間Ta，在= 32  C， Tw，在= 50  C為0.21， 0.25， 0.29， 0.33， 0.37 kg/s.的另外的水質量流率。以平靜空氣質量流率，出口氣溫，以水位高質量流率橫跨空氣流量率。 當空氣流量率在Ta，另外入口水溫40， 45， 50  C.，圖11在出口水溫顯示的變化。 在上這個圖顯示的結果對應與那些在數(shù)值。 4. 出口水溫傾向于輕微地減少在空氣流量率的增量。 圖8水的溫度和管壁溫度的變化在第一層線圈數(shù)不同的空氣質量流率 圖9出口空氣的溫度與空氣質量流率的變化針對不同的入口水溫 圖10出口空氣的溫度與空氣質量流量的變化在不同的水的質量流率 圖11出口水溫的變化與空氣質量流率在不同的入口水溫 圖12與空氣質量流量的平均傳熱率的變化在不同的水的質量流率率 圖12在= 32  C， Tw顯示平均熱傳遞率被反對空氣流量率Ta，在= 45 C為0.21， 0.25， 0.29， 0.33， 0.37 kg/s.的水質量流率。熱傳遞率與空氣流量率和水質量流率地比例。水質量流率的在熱傳遞率能清楚地看到的更高的空氣流量率。 圖13管側的傳熱系數(shù)與水的變化質量流率不同的入口的水的溫度 圖13顯示的平均管側的變化傳熱系數(shù)計算出來的數(shù)據(jù)獲得的與水的質量流率在本實驗中各種進水溫度。正如預期的那樣，隨平管側的傳熱系數(shù)的增大而增加的水的質量流率。在一個給定的水的質量流率，平均管側的熱傳遞系數(shù)較高的高于較低的進口水溫。此外，我們的實驗結果表明，管側傳熱的空氣質量流率的影響系數(shù)。 圖14與空氣的空氣側的傳熱系數(shù)的變化質量流率不同的入口的水的溫度 圖15與空氣的空氣側的傳熱系數(shù)的變化得不同的水的質量流率的質量流量 圖14和15示為不同的空氣質量流率的傳熱系數(shù)與入口的水的溫度和水的質量流率外端的變化，外側的傳熱系數(shù)迅速地增加與空氣的質量流率。入口的水的溫度和水的質量流率，顯示出顯著的作用，對外側的傳熱系數(shù)。 圖16，17和18顯示科爾伯恩j數(shù)與空氣側雷諾茲數(shù)?？諝鈧鹊睦字Z數(shù)計算，REA = qaVaD的/拉QA為空氣的密度，la是空氣的動力粘度。兩密度和動態(tài)粘度的基礎上，測得正確的空氣溫度。 D是入口部分的熱交換器的直徑（D = 0.298米）。 Va是流動的空氣的熱量通過入口交換率的平均速度。如圖所示，科爾伯恩?因素隨空氣側的雷諾數(shù)的增加水側的雷諾數(shù)。從圖中觀察到的水的質量流量和進水溫度有重大影響的特點。從該圖可以看出，由于空氣雷諾數(shù)的增加，所有的曲線變得平坦并傾向于接近一個特定的科爾伯恩j數(shù)。 圖16科爾伯恩因素變化與空氣側雷諾茲數(shù)不同的入口水溫 圖17科爾伯恩因素的變化與空氣側雷諾茲不同的入口水溫 圖18科爾伯恩因素變化與空氣側雷諾茲不同的水的質量流率數(shù) 圖19熱交換器的變化與空氣側的有效性雷諾數(shù)得到的不同的入口的水的溫度 圖20熱交換器的變化與空氣側的有效性雷諾數(shù)得到的不同的水的質量流率 圖19，20顯示的空氣側雷諾數(shù)的有效性變化。用于估計螺旋換熱器的性能是由式確定。（15）。 在本研究中使用，在整個范圍內的水的質量流量和氣團的流速，熱容量率，水（MCP）w是一般高于空氣（MCP）。因此，熱水的容積率是最低的容量率（MCP）式中的最小值。 （15）。可以清楚地看到，隨這個數(shù)字的有效性降低，而增加空氣側雷諾數(shù)。在一個給定的空氣側的雷諾數(shù)，較高的進水溫度，水的質量和較高的流速往往導致有效性增加。然而，可以注意到，在一個特定的空氣側雷諾數(shù)值，有效性的差異變得相對入口的水的溫度較之升高。 5 結論 本文介紹了一種新型的熱傳遞換熱器，即一個螺旋翅片管換熱器。熱交換器由四個螺旋盤繞翅片銅管，每一個有七個回合。鋁周圍的銅螺旋卷曲翅片放置管中。相對的有關的實驗條件，給出如下結論： ?管側空氣質量流率沒有影響傳熱系數(shù)。 ?入口水溫和水的質量流率顯示出的效果，如輸出側傳熱系數(shù)。 ?科爾伯恩j數(shù)和效益是成反比，與空氣側雷諾數(shù)成比例，而是水的質量流量和進水溫度成正比的。 致謝作者 我想表達自己的感謝，為泰國研究基金會（TRF）提供財務支持這項研究。作者希望Jittaphoom先生Inphiban他們協(xié)助Panaphot Youngsuk先生在此工作。 參考文獻 1. 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ASME J Heat Transf 119:109–117 長江大學畢業(yè)設計(論文)任務書 學院（系） 機械工程學院 專業(yè)過程裝備與控制工程 班級 裝備10901 學生姓名 李遠江 指導教師/職稱 張慢來 1． 畢業(yè)設計(論文)題目： 螺旋板式換熱器的設計 2．畢業(yè)設計（論文）起止時間： 2013 年3月20日～2013年6月13日 3．畢業(yè)設計(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導教師選定部分） 畢業(yè)設計所需資料： （1）錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002 （2）史美中,王中錚.熱交換器原理與設計[M].南京：東南大學出版社，1989 （3）潘國昌,郭慶豐.化工設備設計[M].北京：清華大學出版社，1996 （4）尾花英朗著,徐忠權譯.熱交換器設計手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社,1982 原始數(shù)據(jù)： 設計要求：換熱器換熱面積為20平方米; 介質 溫度(℃) 工作壓力（MPa） 粗苯 貧油 進口 180 出口 165 1 富油 90 140 粗苯產(chǎn)量 8.25噸/每天 4．畢業(yè)設計(論文)應完成的主要內容 1）換熱器發(fā)展概述 2）方案設計 3）換熱計算 4）結構設計 5）換熱性能預測及分析 6）殼體的有限元分析 5．畢業(yè)設計(論文)的目標及具體要求 畢業(yè)設計文說明書：字數(shù)不少于1.2萬字或1.2萬字篇幅的內容；翻譯：與研究課題有關的譯文不少于3千漢字（或2萬印刷字符的外文原文的翻譯）；閱讀與研究課題相關的有代表性的參考文獻資料15篇以上。 繪圖要求： （1）總裝圖1張， （2）零件圖4張 （3）實體圖 6、完成畢業(yè)設計(論文)所需的條件及上機時數(shù)要求 AutoCAD、Aspen Plus、Ansys上機200小時。 任務書批準日期 2011 年 3 月 20 日教研室(系)主任(簽字) 任務書下達日期 2011年 3 月 28 日 指導教師(簽字) 完成任務日期 年 月 日 學生（簽名） III 長江大學 畢業(yè)設計開題報告 題 目 名 稱 螺旋換熱器的設計 院 （系） 機械工程學院 專 業(yè) 班 級 過程裝備與控制工程10901班 學 生 姓 名 李遠江 指 導 教 師 張慢來 輔 導 教 師 開題報告日期 2011年4月19日 17 螺旋換熱器的設計 學生：李遠江 長江大學機械工程學院（過程裝備與控制工程） 指導老師：張慢來 長江大學機械工程學院 1 題目來源 題目來源于生產(chǎn)實際。 2 研究目的和意義 管殼式換熱器是石油、化工、輕工、食品、冶金及動力等工業(yè)部門廣泛應用的節(jié)能設備。相對水- 水管殼式換熱器而言，一般殼程流體流速較低，換熱熱阻較大，因此增強殼程換熱效果顯得尤為重要。近年來，人們采用各種各樣的管束支撐結構來改變殼程流體的流動形態(tài)，以求增強殼程換熱。其中螺旋折流板支撐結構以其高效傳熱、低流阻的特點得到了人們的廣泛關注。 螺旋流換熱器是一種利用流體的渦旋流動來強化殼程傳熱的換熱設備。渦旋流動是流體沿一定螺旋角方向的曲線運動，因而是一種以較少能量克服流動阻力的運動方式，在換熱器中采用螺旋折流板結構時，可使殼程流場與溫度場實現(xiàn)協(xié)同而獲得較高的強化傳熱效果。 換熱設備按照其功能可命名，如冷凝器、蒸發(fā)器、再熱器、過熱器等，按換熱部件的特點可分為：管殼式換熱器、翅片管式換熱器、板式換熱器（包括板片式換熱器和板翅式換熱器）。對于各型換熱器的強化換熱技術的研究，主要集中在對換熱器內流體流態(tài)變化以及對各部件的參數(shù)優(yōu)化研究兩方面，而對換熱器部件參數(shù)的主要研究對象就是換熱管（板）排列方式（順排或叉排）、換熱管（板）排數(shù)、換熱管（板）間距大小、肋片布置間距、肋片形狀等。通常的研究方法包括：數(shù)值模擬計算、實驗方法研究、理論研究三類 本文通過設計一種合理結構的螺旋換熱器，可以大大提高換熱效率，節(jié)省能耗，因此，具有明顯的經(jīng)濟效益。是一種高效的換熱元件，廣泛應用于各種換熱設備中，不僅可以強化傳熱，而且可以減少流動阻力，熱效率比較高。 3 閱讀的主要參考文獻及資料名稱 【1】郭丙然．最優(yōu)化技術在電廠熱力工程中的應用[M]．北京：水利電力出版社，1986． 【2】馬重芳，顧維藻& 強化傳熱［M］( 北京科學出版社) 【3】張敏.唐曉初螺旋扭曲橢圓扁管的數(shù)值模擬[期刊論文]-制冷空調與電力機械 2011(1) 【4】金曉明.高磊.張瑩瑩.王娜.王旭光無折流板扭曲扁管熱交換器傳熱與流阻特性試驗研究[期刊論文]-石油化工設備 2011(1) 【5】鮑偉.馬虎根.張希忠流體在螺旋管內對流換熱和壓降性能的數(shù)值模擬[期刊論文]-上海理工大學學報 2011(1) 【6】于洋.朱冬生.曾力丁.鄒靜扭曲管強化傳熱性能實驗研究[期刊論文]-化學工程 2011(2) 【7】楊勝.張頌.張莉.徐宏螺旋扁管強化傳熱技術研究進展[期刊論文]-冶金能源 2010(3) 【8】劉慶亮.朱冬生.楊蕾螺旋扭曲扁管換熱器的研究進展與工業(yè)應用[期刊論文]-流體機械 2010(3) 【9】馬程華扭曲片管強化傳熱技術在SRT-Ⅳ型裂解爐上的應用試驗[期刊論文]-中外能源 2010(10) 【10】楊勝.張莉.徐宏.趙力偉螺旋扁管管外蒸汽冷凝雙側強化傳熱試驗研究[期刊論文]-低溫與超導 2010(10) 【11】羅朝陽管殼式換熱器強化傳熱技術的研究與進展[期刊論文]-化學工程與裝備 2010(10) 【12】金弋螺旋隔板換熱器研究進展[期刊論文]-化肥設計 2009(2) 【13】李安軍.邢桂菊.周麗雯換熱器強化傳熱技術的研究進展[期刊論文]-冶金能源 2008(1) 【13】劉敏珊.宮本希.董其伍.Dong Qiwu 螺旋扁管的換熱性能研究[期刊論文]-石油機械 2008(2) 【14】劉乾.劉陽子管殼式換熱器節(jié)能技術綜述[期刊論文]-化工設備與管道 2008(5) 【13】高學農.鄒華春.王端陽.陸應生高扭曲比螺旋扁管的管內傳熱及流阻性能[期刊論文]-華南理工大學學報（自然科學版） 2008(11) 【14】李安軍.邢桂菊.周麗雯換熱器各種管束支撐的結構與傳熱性能[期刊論文]-化工設備與管道 2008(2) 【15】卿德藩.鄒家柱螺旋扁管在油冷卻器中的污垢特性實驗研究[期刊論文]-電站系統(tǒng)工程 2008(2) 【16】卿德藩.段小林.劉尹紅扭曲扁管在蒸發(fā)器中的運行特性實驗研究[期刊論文]-化學工程 2008(7) 【17】高鵬.王晨.桑芝富螺旋扁管換熱器溫度串級模糊控制試驗研究[期刊論文]-石油機械 2008(11) 【18】卿德藩.鄒家柱螺旋扁管冷凝器強化傳熱評價與應用[期刊論文]-流體機械 2007(1) 【19】lncropera and de Witt, Fundamentals of heat and mass transfer, Wiley ed., (1990). 【20】J. 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Korotaev，Author'sCertificateNo.370444,Otkrytiya,Izobreteniya,Promyshiennye Obraztsy,Tovarnye Znaki, No. 11 (2006). 4 國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 4.1 國內換熱器研究現(xiàn)狀 我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標準，形成了系列。換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽機裝置中的航天火箭上的冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。他的主要功能是保證工藝過程對戒指所要求的待定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。換熱器即可是一種單元設備，如加熱器、冷卻器等，也可是工藝設備的組成部分，如氨合成塔內的換熱器。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設備，根據(jù)統(tǒng)計，熱交換熱的噸位約占整個工藝設備的20%有的甚至高達30%，其重要性可想而知。 4.2 國外研究現(xiàn)狀 美國傳熱研究（Heat?Transfer?Research?Inc.）即HTRI，是1962年發(fā)起組建的一個國際性、非贏利的合作研究機構，會員數(shù)百家，遍及全球，取得了大量的研究成果，積累了換熱器設計的豐富經(jīng)驗，在傳熱機理、兩相流、振動、污垢、模擬及測試技術方面作出了巨大貢獻。近年來，該公司在計算機應用軟件開發(fā)上發(fā)展很快，所開發(fā)的網(wǎng)絡優(yōu)化軟件、各種換熱器工藝設計軟件計算精度準確，不僅節(jié)省了人力，提高了效率，而且提高了技術經(jīng)濟性能。目前國內有近20家成為HTRI會員。 英國傳熱及流體服務中心（Heat?Transfer?andFluid?Flow?Service）即HTFS，于1967年成立，隸屬于英國原子能管理局。該中心有會員數(shù)百家，長期從事傳熱與流體課題的研究，所積累的經(jīng)驗和研究成果不僅廣泛用于原子能工業(yè)，而且用于一般工業(yè)。它最大特點是與各大學和企業(yè)合作，進行專門的課題研究，研究成果顯著。在傳熱與流體計算上更精確，開發(fā)的HTFS、TASC各類換熱器微機計算軟件備受歡迎，國內有30多家企業(yè)成為會員。 4.3 發(fā)展趨勢 在二十世紀初，對于管殼式換熱器的開發(fā)設計就被科學家提出，當時對于這種新型的換熱設備開發(fā)設計的目的是為了滿足大型電廠對在較高壓力操作環(huán)境下運行的需要。經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，對于管殼式換熱器設計生產(chǎn)制造已經(jīng)有了質的飛躍，其已經(jīng)擁有比較完善的設計和生產(chǎn)加工方法，同時其工作性能可以較好地滿足各種工藝需要。其中Bell-Delaware設計和Tinker的流路分析法是工藝設計領域地位最高的兩種方法。 但是，隨著高科技手段在換熱設備之中不斷引入，對于換熱器在特殊環(huán)境下的適應性的要求越來越高，而且對于設備本身的結構設計要求越來越苛刻，但是管殼式換熱器所具備的優(yōu)勢越趨明顯，因為其本身的設計初衷就是為了滿足在這些苛刻的工作條件。換熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應用相當廣泛的單元設備之一。據(jù)統(tǒng)計,在現(xiàn)代化學工業(yè)中換熱器的投資大約占設備總投資的30%,在煉油廠中占全部工藝設備的40%左右,海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。對國外換熱器市場的調查表明,雖然各種板式換熱器的競爭力在上升,但管殼式換熱器仍占主導地位約64%。新型換熱元件與高效換熱器開發(fā)研究的結果表明,列管式換熱器已進入一個新的研究時期,無論是換熱器傳熱管件,還是殼程的折流結構都比傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了較大的改變,其流體力學性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結構設計等方面也均有了新的進步。 5 主要研究內容、需重點研究的關鍵問題及解決思路 5.1 畢業(yè)設計(論文)應完成的主要內容 1）換熱器發(fā)展概述 2）方案設計 3）換熱計算 4）結構設計 5）換熱性能預測及分析 6）殼體的有限元分析 5.2 畢業(yè)設計(論文)應知的研究方向 5.2.1 旋風除塵器的優(yōu)點 換熱器傳熱與流體流動計算的準確性，取決于物性模擬的準確性。因此，物性模擬一直為傳熱界重點研究課題之一，特別是兩相流物性模擬。兩相流的物性基礎來源于實驗室實際工況的模擬，這恰恰是與實際工況差別的體現(xiàn)。實驗室模擬實際工況很復雜，準確性主要體現(xiàn)與實際工況的差別。純組分介質的物性數(shù)據(jù)基本上準確，但油氣組成物的數(shù)據(jù)就與實際工況相差較大，特別是帶有固體顆粒的流體模擬更復雜。為此，要求物性模擬在實驗手段上更加先進，測試的準確率更高。從而使換熱器計算更精確，材料更節(jié)省。物性模擬將代表換熱器的經(jīng)濟技術水平。 5.2.2 分析設計的研究 分析設計是近代發(fā)展的一門新興學科，美國ANSYS軟件技術一直處于國際領先技術，通過分析設計可以得到流體的流動分布場，也可以將溫度場模擬出來，這無疑給流路分析法技術帶來發(fā)展，同時也給常規(guī)強度計算帶來更準確、更便捷的手段。在超常規(guī)強度計算中，可模擬出應力的分布圖，使常規(guī)方法無法得到的計算結果能更方便、快捷、準確地得到，使換熱器更加安全可靠。這一技術隨著計算機應用的發(fā)展，將帶來技術水平的飛躍。將會逐步取代強度試驗，擺脫實驗室繁重的勞動強度。 5.2.3 大型化及能耗研究 換熱器將隨裝置的大型化而大型化，直徑將超過5m，傳熱面積將達到單位10000m2，緊湊型換熱器將越來越受歡迎。板殼式換熱器、折流桿換熱器、板翅式換熱器、板式空冷器將得到發(fā)展，振動損失將逐漸克服，高溫、高壓、安全、可靠的換熱器結構將朝著結構簡單、制造方便、重量輕發(fā)展。隨著全球水資源的緊張，循環(huán)水將被新的冷卻介質取代，循環(huán)將被新型、高效的空冷器所取代。保溫絕熱技術的發(fā)展，熱量損失將減少到目前的50％以下。 5.2.4 強化技術研究 各種新型、高效換熱器逐步取代現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品。電場動力效應強化傳熱技術、添加物強化沸騰傳熱技術、通入惰性氣體強化傳熱技術、滴狀冷凝技術、微生物傳熱技術、磁場動力傳熱技術將會在新的世紀得到研究和發(fā)展。同心管換熱器、高溫噴流式換熱器、印刷線路板換熱器、穿孔板換熱器、微尺度換熱器、微通道換熱器、流化床換熱器、新能源換熱器將在工業(yè)領域及其它領域得到研究和應用。 5.2.5 新材料研究 材料將朝著強度高、制造工藝簡單、防腐效果好、重量輕的方向發(fā)展。隨著稀有金屬價格的下降，鈦、鉭、鋯等稀有金屬使用量將擴大，CrMo鋼材料將實現(xiàn)不預熱和后熱的方向發(fā)展。 5.2.6 控制結垢及腐蝕的研究 國內污垢數(shù)據(jù)基本上是20世紀60～70年代從國外照搬而來。四十年來，污垢研究技術發(fā)展緩慢。隨著節(jié)能、增效要求的提高，污垢研究將會受到國家的重視和投入。通過對污垢形成的機理、生長速度、影響因素的研究，預測污垢曲線，從而控制結垢，這對傳熱效率的提高將帶來重大的突破。保證裝置低能耗、長周期運行，超聲防垢技術將得到大力發(fā)展。腐蝕技術的研究將會有所突破，低成本的防腐涂層特別是金屬防腐鍍層技術將得到發(fā)展，電化學防腐技術成為主導。 6 完成畢業(yè)設計所必備的工作條件及解決辦法 6.1 完成畢業(yè)設計所需的工作條件 復習大學四年所學的有關力學和過程裝備及計算機等專業(yè)知識，學習有關換熱器及其各個零件的加工、制造和裝配知識，結合三次生產(chǎn)實習及實踐和市場考察，充分了解與換熱器有關的設計知識，通過科學的組織調研，計算分析，設計，繪圖，從而把方案設想轉化為設計思路及方法，可以加工為產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品。 6.2 工具書與計算機輔助設計軟件 化工設計手冊和化工漢英詞典、AutoCAD2007 Solidworks ANSYS 等等計算機輔助軟件。 7 工作的主要階段、進度，與時間安排 第一周 3月15-21日 選題，定畢業(yè)設計 第二周 3月22-28日 查找資料，外文翻譯 第三周 4月1-18日 寫開題報告 第四周 4月19-26日 撰寫開題報告找老師修改 第五周 4月27-30日 螺旋換熱器的設計 第六周 5月1-6日 螺旋換熱器的設計 第七周 5月7-14日 螺旋換熱器的設計 第八周 5月15-20日 學習相關軟件 第九周 5月21-25日 做出設計方案 第十周 5月26-30日 繪制零件圖與裝備圖 第十一周 6月1-5日 撰寫畢業(yè)論文并修改 第十二周 寫畢業(yè)論文及修改審查 8 指導老師審查意見 長江大學畢業(yè)設計指導教師評審意見 學生姓名 李遠江 專業(yè)班級 裝備10901班 畢業(yè)論文 (設計)題目 螺旋板式換熱器的設計 指導教師 張慢來 職 稱 評審日期 評審參考內容：畢業(yè)論文(設計)的研究內容、研究方法及研究結果，難度及工作量，質量和水平，存在的主要問題與不足。學生的學習態(tài)度和組織紀律，學生掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設計)是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。 評審意見： 指導教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分 長江大學畢業(yè)設計評閱教師評語 學生姓名 李遠江 專業(yè)班級 裝備10901班 畢業(yè)論文 (設計)題目 螺旋換熱器的設計 評閱教師 職 稱 評閱日期 評閱參考內容：畢業(yè)論文(設計)的研究內容、研究方法及研究結果，難度及工作量，質量和水平，存在的主要問題與不足。學生掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設計)是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。 評語： 評閱教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分 長江大學畢業(yè)設計答辯記錄及成績評定 學生姓名 李遠江 專業(yè)班級 裝備10901班 畢業(yè)論文 (設計)題目 螺旋換熱器的設計 答辯時間 年 月 日 ～ 時 答辯地點 一、答辯小組組成 答辯小組組長： 成 員： 二、答辯記錄摘要 答辯小組提問（分條摘要列舉） 學生回答情況評判 三、答辯小組對學生答辯成績的評定（百分制）：_______分 畢業(yè)論文(設計)最終成績評定(依據(jù)指導教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學校關于畢業(yè)論文(設計)評分的相關規(guī)定) 等級(五級制)：_______ 答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 年 月 日 院(系)答辯委員會主任(簽名)： 院(系)(蓋章) 螺旋板式換熱器的設計摘要 學生：李遠江，機械工程學院（過程裝備與控制工程） 指導教師：張慢來，機械工程學院 [摘要] 螺旋板式換熱器是一種低壓將換熱器，雖然螺旋板式換熱器在國內的應用越來越多，但很多工藝計算往往以來外國公司，主要原因是實驗數(shù)據(jù)少，不足以歸納出螺旋繞流流動和傳熱關聯(lián)式。本論文針對螺旋板式換熱器，采用計算與數(shù)值模擬的方法研究其殼程流體的換熱性能和流動阻力，提出螺旋流流動傳熱系數(shù)及阻力關聯(lián)式，豐富流體流動和傳熱理論，并為螺旋板式換熱器的工程設計和應用提供參考。 在計算方面，設計了不同進出口液體的溫度，得到了熱液體在定性溫度下，熱貧油與熱富油的物理參數(shù)，做了傳熱工藝等計算。為了改善外殼與螺旋板的連接結構，提高外殼的承壓能力，設計了由兩圈環(huán)組合焊接而成的圓筒作為螺旋板式換熱器的外殼，又通過合理的焊接，有效避免了角焊接的存在，提高了可拆式螺旋板換熱器的結構可靠性。 在數(shù)值模擬部分，利用CFD軟件，分析了圓形、橢圓形、方形和棱形定距柱螺旋通道的傳熱及流動特性，并將其綜合性能進行了比較。數(shù)值模擬結果表明：1）三角形排列沿長軸繞流時的橢圓形定距柱螺旋通道的綜合性能高于圓形定距柱螺旋通道的綜合性能，當a/b=2.0~2.5時，橢圓形定距柱螺旋通道的綜合性能指數(shù)最高；2）對于沿長軸繞流時的橢圓形定距柱，三角形排列時的綜合性能高于正方形排列時的綜合性能；3）沿長軸繞流時的綜合性能高于沿短軸繞流時的性能；4）在同樣的排列方式，方形和棱行螺旋通道的綜合性能均不如圓形定距柱螺旋通道的綜合性能。 綜合計算結果和數(shù)據(jù)模擬結果，橢圓形定距柱螺旋板式換熱器的綜合性能優(yōu)于圓形距柱的綜合性能，在a/b=2.0~2.5時綜合性能最優(yōu)。 [關鍵詞] 螺旋板式換熱器 強化傳熱 定距柱 壓力降 數(shù)值模擬 The design summary of the Spiral plate heat exchange [Abstract] Spiral plate heat exchanger is a low pressure heat exchangers,although more and more spiral plate heat exchangers are being applicated in the country,but many technology are relying on the computing technology,the main reason is that the experimental datas are so less ,which can not enough to sum up the flount of the spiral arounding flow .In In this thesis, the main purpose is to research spiral plate heat exchangers, wei use computational methods and numerical simulations to study the shell-side fluid flow resistance and heat transfer performance ,of which proposed helical flow resistance of flow and heat transfer coefficient and the relational, rich fluid flow and heat transfer theory, and spiral plate heat exchanger for the engineering design and application of reference. In computing terms, the design temperature of the liquid of different export obtained qualitative temperature hot liquid, hot lean physical and thermal parameters of the oil-rich, so the heat transfer process and other computing. In order to improve the connection between the shell and the spiral plate structure, improve the ability of the pressure shell, designed by the combination of two laps ring welded cylinders as spiral plate heat exchanger shell, but also through reasonable welding, effectively avoiding the fillet weld presence, improved detachable spiral plate heat exchanger structure reliability. In the part of computer calculation ,it is carried out by virtue of computatonal Fliud Dynamics (CFD) SOFTWARE.An investigation has been performed to analyze the heat transfer characteristics and flow behavioas in the spiral channel with staggered concleded as major axis with triabgle arrangement is higher than of circular pin fins and the overrall number k of a/b=2.0~2.5 elliptic pin fins of circular pin fin and the triangle arrangement is higher than that of square arrangement ;c)overall capability of the spiral channel with ellipitic pin fins of the spiral channel with cube-shaped and diamond-shaped pin fins is lower than that of circular pin fins with the same arrangement way . As a result ,overall capability of heat transfer and flow of the speral plate heat exchjanger with elliptic pin fins superior to that of circular pin fins,and the overall capability number k of a/b=2.0~2.5 ellipitic pin fins spiral channel is the highest. [Key Words] spiral plate heat exchanger , heat transfer enhancement , pin fins ,dropping pressure the simulationcal numercal '