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長(zhǎng)江大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告 題 目 名 稱 螺旋板式換熱器的設(shè)計(jì) 院 （系） 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 裝備10901班 學(xué) 生 姓 名 李遠(yuǎn)江 指 導(dǎo) 教 師 張慢來(lái) 輔 導(dǎo) 教 師 張慢來(lái) 開(kāi)題報(bào)告日期 2013年4月19日 螺旋板式換熱器的設(shè)計(jì) 學(xué)生：李遠(yuǎn)江 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 指導(dǎo)老師：張慢來(lái) 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 1 畢業(yè)論文題目來(lái)源 生產(chǎn)實(shí)踐 2 畢業(yè)論文選題目的和意義 管殼式換熱器是石油、化工、輕工、食品、冶金及動(dòng)力等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的節(jié)能設(shè)備。相對(duì)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(qiáng)殼程換熱效果顯得尤為重要。近年來(lái)，人們采用各種各樣的管束支撐結(jié)構(gòu)來(lái)改變殼程流體的流動(dòng)形態(tài)，以求增強(qiáng)殼程換熱。其中螺旋折流板支撐結(jié)構(gòu)以其高效傳熱、低流阻的特點(diǎn)得到了人們的廣泛關(guān)注。 螺旋流換熱器是一種利用流體的渦旋流動(dòng)來(lái)強(qiáng)化殼程傳熱的換熱設(shè)備。渦旋流動(dòng)是流體沿一定螺旋角方向的曲線運(yùn)動(dòng)，因而是一種以較少能量克服流動(dòng)阻力的運(yùn)動(dòng)方式，在換熱器中采用螺旋折流板結(jié)構(gòu)時(shí)，可使殼程流場(chǎng)與溫度場(chǎng)實(shí)現(xiàn)協(xié)同而獲得較高的強(qiáng)化傳熱效果。 換熱設(shè)備按照其功能可命名，如冷凝器、蒸發(fā)器、再熱器、過(guò)熱器等，按換熱部件的特點(diǎn)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(duì)于各型換熱器的強(qiáng)化換熱技術(shù)的研究，主要集中在對(duì)換熱器內(nèi)流體流態(tài)變化以及對(duì)各部件的參數(shù)優(yōu)化研究?jī)煞矫?，而?duì)換熱器部件參數(shù)的主要研究對(duì)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(jì)算、實(shí)驗(yàn)方法研究、理論研究三類 本文通過(guò)設(shè)計(jì)一種合理結(jié)構(gòu)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(jì)效益。是一種高效的換熱元件，廣泛應(yīng)用于各種換熱設(shè)備中，不僅可以強(qiáng)化傳熱，而且可以減少流動(dòng)阻力，熱效率比較高。 3 閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱 【1】郭丙然．最優(yōu)化技術(shù)在電廠熱力工程中的應(yīng)用[M]．北京：水利電力出版社，1986． 【2】馬重芳，顧維藻& 強(qiáng)化傳熱［M］( 北京科學(xué)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(diào)與電力機(jī)械 2011(1) 【4】金曉明.高磊.張瑩瑩.王娜.王旭光無(wú)折流板扭曲扁管熱交換器傳熱與流阻特性試驗(yàn)研究[期刊論文]-石油化工設(shè)備 2011(1) 【5】鮑偉.馬虎根.張希忠流體在螺旋管內(nèi)對(duì)流換熱和壓降性能的數(shù)值模擬[期刊論文]-上海理工大學(xué)學(xué)報(bào) 2011(1) 【6】于洋.朱冬生.曾力丁.鄒靜扭曲管強(qiáng)化傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究[期刊論文]-化學(xué)工程 2011(2) 【7】楊勝.張頌.張莉.徐宏螺旋扁管強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究進(jìn)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(jìn)展與工業(yè)應(yīng)用[期刊論文]-流體機(jī)械 2010(3) 【9】馬程華扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)在SRT-Ⅳ型裂解爐上的應(yīng)用試驗(yàn)[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(cè)強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)研究[期刊論文]-低溫與超導(dǎo) 2010(10) 【11】羅朝陽(yáng)管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究與進(jìn)展[期刊論文]-化學(xué)工程與裝備 2010(10) 【12】金弋螺旋隔板換熱器研究進(jìn)展[期刊論文]-化肥設(shè)計(jì) 2009(2) 【13】李安軍.邢桂菊.周麗雯換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究進(jìn)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(jī)械 2008(2) 【14】劉乾.劉陽(yáng)子管殼式換熱器節(jié)能技術(shù)綜述[期刊論文]-化工設(shè)備與管道 2008(5) 【13】高學(xué)農(nóng).鄒華春.王端陽(yáng).陸應(yīng)生高扭曲比螺旋扁管的管內(nèi)傳熱及流阻性能[期刊論文]-華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2008(11) 【14】李安軍.邢桂菊.周麗雯換熱器各種管束支撐的結(jié)構(gòu)與傳熱性能[期刊論文]-化工設(shè)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(shí)驗(yàn)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(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)研究[期刊論文]-化學(xué)工程 2008(7) 【17】高鵬.王晨.桑芝富螺旋扁管換熱器溫度串級(jí)模糊控制試驗(yàn)研究[期刊論文]-石油機(jī)械 2008(11) 【18】卿德藩.鄒家柱螺旋扁管冷凝器強(qiáng)化傳熱評(píng)價(jià)與應(yīng)用[期刊論文]-流體機(jī)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向 美國(guó)傳熱研究（Heat?Transfer?Research?Inc.）即HTRI，是1962年發(fā)起組建的一個(gè)國(guó)際性、非贏利的合作研究機(jī)構(gòu)，會(huì)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(shè)計(jì)的豐富經(jīng)驗(yàn)，在傳熱機(jī)理、兩相流、振動(dòng)、污垢、模擬及測(cè)試技術(shù)方面作出了巨大貢獻(xiàn)。近年來(lái)，該公司在計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)上發(fā)展很快，所開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化軟件、各種換熱器工藝設(shè)計(jì)軟件計(jì)算精度準(zhǔn)確，不僅節(jié)省了人力，提高了效率，而且提高了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。目前國(guó)內(nèi)有近20家成為HTRI會(huì)員。 英國(guó)傳熱及流體服務(wù)中心（Heat?Transfer?andFluid?Flow?Service）即HTFS，于1967年成立，隸屬于英國(guó)原子能管理局。該中心有會(huì)員數(shù)百家，長(zhǎng)期從事傳熱與流體課題的研究，所積累的經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)是與各大學(xué)和企業(yè)合作，進(jìn)行專門的課題研究，研究成果顯著。在傳熱與流體計(jì)算上更精確，開(kāi)發(fā)的HTFS、TASC各類換熱器微機(jī)計(jì)算軟件備受歡迎，國(guó)內(nèi)有30多家企業(yè)成為會(huì)員。 我國(guó)對(duì)某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽機(jī)裝置中的航天火箭上的冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門。他的主要功能是保證工藝過(guò)程對(duì)戒指所要求的待定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器即可是一種單元設(shè)備，如加熱器、冷卻器等，也可是工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的換熱器。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱交換熱的噸位約占整個(gè)工藝設(shè)備的20%有的甚至高達(dá)30%，其重要性可想而知。 5 主要研究?jī)?nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題及解決路 5.1畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)應(yīng)完成的主要內(nèi)容 1）換熱器發(fā)展概述 2）方案設(shè)計(jì) 3）換熱計(jì)算 4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5）換熱性能預(yù)測(cè)及分析 6）殼體的有限元分析 5.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)應(yīng)知的研究方向 5.2.1 物性模擬研究 換熱器傳熱與流體流動(dòng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，取決于物性模擬的準(zhǔn)確性。因此，物性模擬一直為傳熱界重點(diǎn)研究課題之一，特別是兩相流物性模擬。兩相流的物性基礎(chǔ)來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室實(shí)際工況的模擬，這恰恰是與實(shí)際工況差別的體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際工況很復(fù)雜，準(zhǔn)確性主要體現(xiàn)與實(shí)際工況的差別。純組分介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)基本上準(zhǔn)確，但油氣組成物的數(shù)據(jù)就與實(shí)際工況相差較大，特別是帶有固體顆粒的流體模擬更復(fù)雜。為此，要求物性模擬在實(shí)驗(yàn)手段上更加先進(jìn)，測(cè)試的準(zhǔn)確率更高。從而使換熱器計(jì)算更精確，材料更節(jié)省。物性模擬將代表?yè)Q熱器的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平。 5.2.2 分析設(shè)計(jì)的研究 分析設(shè)計(jì)是近代發(fā)展的一門新興學(xué)科，美國(guó)ANSYS軟件技術(shù)一直處于國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)，通過(guò)分析設(shè)計(jì)可以得到流體的流動(dòng)分布場(chǎng)，也可以將溫度場(chǎng)模擬出來(lái)，這無(wú)疑給流路分析法技術(shù)帶來(lái)發(fā)展，同時(shí)也給常規(guī)強(qiáng)度計(jì)算帶來(lái)更準(zhǔn)確、更便捷的手段。在超常規(guī)強(qiáng)度計(jì)算中，可模擬出應(yīng)力的分布圖，使常規(guī)方法無(wú)法得到的計(jì)算結(jié)果能更方便、快捷、準(zhǔn)確地得到，使換熱器更加安全可靠。這一技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，將帶來(lái)技術(shù)水平的飛躍。將會(huì)逐步取代強(qiáng)度試驗(yàn)，擺脫實(shí)驗(yàn)室繁重的勞動(dòng)強(qiáng)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(guò)5m，傳熱面積將達(dá)到單位10000m2，緊湊型換熱器將越來(lái)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(dòng)損失將逐漸克服，高溫、高壓、安全、可靠的換熱器結(jié)構(gòu)將朝著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhì)取代，循環(huán)將被新型、高效的空冷器所取代。保溫絕熱技術(shù)的發(fā)展，熱量損失將減少到目前的50％以下。 5.2.4 強(qiáng)化技術(shù)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(chǎng)動(dòng)力效應(yīng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)、添加物強(qiáng)化沸騰傳熱技術(shù)、通入惰性氣體強(qiáng)化傳熱技術(shù)、滴狀冷凝技術(shù)、微生物傳熱技術(shù)、磁場(chǎng)動(dòng)力傳熱技術(shù)將會(huì)在新的世紀(jì)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(lǐng)域及其它領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用。 5.2.5 新材料研究 材料將朝著強(qiáng)度高、制造工藝簡(jiǎn)單、防腐效果好、重量輕的方向發(fā)展。隨著稀有金屬價(jià)格的下降，鈦、鉭、鋯等稀有金屬使用量將擴(kuò)大，CrMo鋼材料將實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱和后熱的方向發(fā)展。 5.2.6 控制結(jié)垢及腐蝕的研究 國(guó)內(nèi)污垢數(shù)據(jù)基本上是20世紀(jì)60～70年代從國(guó)外照搬而來(lái)。四十年來(lái)，污垢研究技術(shù)發(fā)展緩慢。隨著節(jié)能、增效要求的提高，污垢研究將會(huì)受到國(guó)家的重視和投入。通過(guò)對(duì)污垢形成的機(jī)理、生長(zhǎng)速度、影響因素的研究，預(yù)測(cè)污垢曲線，從而控制結(jié)垢，這對(duì)傳熱效率的提高將帶來(lái)重大的突破。保證裝置低能耗、長(zhǎng)周期運(yùn)行，超聲防垢技術(shù)將得到大力發(fā)展。腐蝕技術(shù)的研究將會(huì)有所突破，低成本的防腐涂層特別是金屬防腐鍍層技術(shù)將得到發(fā)展，電化學(xué)防腐技術(shù)成為主導(dǎo)。? 6 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)所必備的工作條件及解決辦法 6.1完成畢業(yè)設(shè)計(jì)所需的工作條件： 復(fù)習(xí)大學(xué)四年所學(xué)的有關(guān)力學(xué)和過(guò)程裝備及計(jì)算機(jī)等專業(yè)知識(shí)，學(xué)習(xí)有關(guān)換熱器及其各個(gè)零件的加工、制造和裝配知識(shí)，結(jié)合三次生產(chǎn)實(shí)習(xí)及實(shí)踐和市場(chǎng)考察，充分了解與換熱器有關(guān)的設(shè)計(jì)知識(shí)，通過(guò)科學(xué)的組織調(diào)研，計(jì)算分析，設(shè)計(jì)，繪圖，從而把方案設(shè)想轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)思路及方法，可以加工為產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品。 6.2 工具書(shū)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件： 化工設(shè)計(jì)手冊(cè)和化工漢英詞典、AutoCAD2007 Solidworks ANSYS 等等計(jì)算機(jī)輔助軟件。 七、工作的主要階段、進(jìn)度與時(shí)間安排 第一周 3月15-21日 選題，定畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(xiě)開(kāi)題報(bào)告 第四周 4月19-26日 撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告找老師修改 第五周 4月27-30日 螺旋換熱器的設(shè)計(jì) 第六周 5月1-6日 螺旋換熱器的設(shè)計(jì) 第七周 5月7-14日 螺旋換熱器的設(shè)計(jì) 第八周 5月15-20日 學(xué)習(xí)相關(guān)軟件 第九周 5月21-25日 做出設(shè)計(jì)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(xiě)畢業(yè)論文并修改 第十二周 寫(xiě)畢業(yè)論文及修改審查 八、 指導(dǎo)教師審查意見(jiàn)