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畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題目：U形管式換熱器設計 院 系： 化工裝備學院 專業(yè)班級：過程裝備與控制工程 學生姓名： 指導教師： 指導教師評閱意見 指導教師簽字： 年 月 日 1、選題的目的及意義 1.1、選題的目的 畢業(yè)設計的選題要按照所學專業(yè)培養(yǎng)目標確定，要圍繞本專業(yè)、學科選擇有一定理論與實用價值且具有運用課程知識、能力訓練的題目。本次設計的題目是U形管式換熱器設計。它屬靜設備中一種比較常見的管殼式換熱器。節(jié)約能源是當今世界的一種重要社會意識，是指盡可能的減少能源的消耗、增加能源利用率的一系列行為。加強能源利用，采取技術上可行、經(jīng)濟上合理以及環(huán)境和社會可以承受的措施，從能源生產(chǎn)到消費的各個環(huán)節(jié)，降低消耗、減少損失和污染物排放、制止浪費，有效、合理地利用能源。目前，在我國石油化工產(chǎn)業(yè)換熱器受到普遍的重視，而換熱器的廣泛應用，決定了換熱器換熱性能的改善設計理論的不斷創(chuàng)新，對企業(yè)經(jīng)濟的收益和工業(yè)的飛速發(fā)展都具有一定的積極作用必將為節(jié)約能源和保護環(huán)境有顯著的貢獻。 1.2、選題的意義 　　近年來，隨著我國石化、鋼鐵等行業(yè)的快速發(fā)展，換熱器的需求水平大幅上漲，但國內(nèi)企業(yè)的供給能力有限，導致?lián)Q熱器行業(yè)呈現(xiàn)供不應求的市場狀態(tài)，巨大的供給缺口需要進口來彌補。 未來，國內(nèi)市場需求將呈現(xiàn)以下特點：對產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點；要求產(chǎn)品性價比提高；對產(chǎn)品的個性化、多樣化的需求趨勢強烈。 因此，作為過程裝備與控制工程專業(yè)的畢業(yè)生，在今后的工作中接觸最多的就應該是各種壓力容器。在化工廠的各種壓力容器中，最常見的就是換熱器。因此，在畢業(yè)設計時，通過自己的努力設計出一臺換熱器，可以鞏固以前學過的專業(yè)知識，更為將來到化工廠中的工作打下良好基礎。設計這樣一臺換熱器，無論是對以往知識的總結(jié)，還是對將來的工作都有著很重要的意義。 2、國內(nèi)外的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 國內(nèi)方面，各研究機構和高等院校研究成果不斷推陳出新，在強化傳熱元件方面華南理工大學相繼開發(fā)出表面多孔管、波紋管、縱橫管等；天津大學在流路分析法、振動方面研究成果顯著；清華大學在板片傳熱方面有深入研究；西安大學在板翅式換熱器研究方面已取得初步成果。這些技術成果為國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，為中國煉油、化工工業(yè)的發(fā)展起到了決定作用，也使中國傳熱技術水平步入國際先進水平。 目前換熱器正向物性模擬研究、分析設計研究、大型化及耗能研究、強化技術研究、新材料研究、控制結(jié)垢及腐蝕研究等方面發(fā)展，從而繼續(xù)提高設備的傳熱效率。促進設備結(jié)構的緊湊性，加強生產(chǎn)制造的標準系列化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化發(fā)展，向高效、節(jié)能、占地面積小、成本低、安全可靠的方向發(fā)展。 對國外換熱器市場的調(diào)查表明，管殼式換熱器仍占較大比例。雖然各種其它形式換熱器的競爭力在上升，但管殼式換熱器仍占較重要的地位。隨著動力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。而換熱器在結(jié)構方面也有不少新的發(fā)展?，F(xiàn)就幾種新型換熱器的特點簡介如下： (1) 　折流桿換熱器 　　折流桿換熱器是以折流桿取代折流板，在管外改善流體的流動方式，減少折流板造成的流動死區(qū)和停滯區(qū)，并且使流體在折流桿后產(chǎn)生有效的“渦流”效應，從而達到強化傳熱的果，同時起到了降低流體阻力和消除換熱管的震動造成的損傷、失效等作用。 (2)　波紋管換熱器 　　波紋管換熱器是將換熱管加工成內(nèi)外均呈連續(xù)波紋曲線的波紋管，使管子的縱向截面成波形，由相切的大小圓弧構成，由于管內(nèi)流體的流動截面不斷變化，使流體的擾動增加而使傳熱強化。根據(jù)使用測試結(jié)果其管內(nèi)放熱系數(shù)可較光管提高3~4倍，同時殼程的換熱系數(shù)也可得到一定程度的提高，使總放熱系數(shù)提高1~2倍，目前該技術已在許多熱網(wǎng)換熱器中應用。同時在原油加熱器及壓縮機冷凝器中均取得了良好的效果。此外波紋管換熱器在解決管內(nèi)結(jié)垢問題上也起到了明顯的作用。 (3) 螺旋槽管換熱器 　　螺旋槽管換熱器是將換熱管表面加工成螺旋形的凹槽，在管內(nèi)形成螺旋形凸肋的異型管。流體在管內(nèi)流動時受螺旋槽的導引，靠近壁面的流體順螺紋旋轉(zhuǎn)，螺旋形的凸肋使流體產(chǎn)生周期性的擾動，這樣可以使流體邊界層減薄，并加劇流體的擾動，因而使傳熱強化。一般其管內(nèi)放熱系數(shù)為光管的1.5~2.5倍，總的放熱系數(shù)可提高0.5~1倍。目前這項技術在工業(yè)鍋爐和其它換熱器設備中得到廣泛應用。 (4)　螺旋翅片管和縱向翅片管換熱器 　　螺旋翅片管換熱器是將換熱管上螺旋纏繞高頻焊接扁鋼，縱向翅片管換熱器是將換熱管圓周上沿軸線方向、高頻焊接Ｕ形翅片。兩種熱交換器都是通過增加管外側(cè)受熱面、改變流體流動的方式來強化傳熱。實驗證明，小管徑翅片管束的傳熱性能優(yōu)于大管徑管束，適當增加翅片高度和翅片間距對傳熱有利，適當密排對傳熱有利。螺旋翅片管換熱器主要用于流體橫向沖刷的場合，縱向翅片管主要用于流體縱向沖刷的場合，同時起到大大縮小換熱器體積的作用。我們在空氣換熱器、熱管換熱器及鍋爐上，采用了這類換熱器，取得了明顯的強化換熱效果。 (5)　螺旋折流板換熱器 　　螺旋折流板換熱器對傳統(tǒng)折流板換熱器進行了大膽的創(chuàng)新。采用與殼體軸線成某一角度狀排列的螺旋板作為折流板，使介質(zhì)在殼體內(nèi)螺旋推進流動，實現(xiàn)了在較小泵功能消耗條件下較高的傳熱效果。其特點有：具有較高的傳熱系數(shù)；殼側(cè)流阻較小，無滯流區(qū)；不易污垢沉積。延長維修周期，減少維修費用。適用于較粘稠介質(zhì)。 （6）渦流熱膜換熱器 渦流熱膜換熱器采用最新的渦流熱膜傳熱技術，通過改變流體運動狀態(tài)來增加傳熱效果，當介質(zhì)經(jīng)過渦流管表面時，強力沖刷管子表面，從而提高換熱效率。最高可達10000W/m2℃。同時這種結(jié)構實現(xiàn)了耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、防結(jié)垢功能。其它類型的換熱器的流體通道為固定方向流形式，在換熱管表面形成繞流，對流換熱系數(shù)降低。 (7) 陶瓷換熱器 陶瓷換熱器的生產(chǎn)工藝與窯具的生產(chǎn)工藝基本相同，導熱性與抗氧化性能是材料的主要應用性能。它的原理是把陶瓷換熱器放置在煙道出口較近，溫度較高的地方，不需要摻冷風及高溫保護，當窯爐溫度1250-1450℃時，煙道出口的溫度應是1000-1300℃，陶瓷換熱器回收余熱可達到450-750℃，將回收到的的熱空氣送進窯爐與燃氣形成混合氣進行燃燒，可節(jié)約能源25%－45%，這樣直接降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟效益。 陶瓷換熱器在金屬換熱器的使用局限下得到了很好的發(fā)展，因為它較好地解決了耐腐蝕，耐高溫等課題，成為了回收高溫余熱的最佳換熱器。經(jīng)過多年生產(chǎn)實踐，表明陶瓷換熱器效果很好。它的主要優(yōu)點是：導熱性能好，高溫強度高，抗氧化、抗熱震性能好。壽命長，維修量小，性能可靠穩(wěn)定，操作簡便，是目前回收高溫煙氣余熱的最佳裝置。 在生產(chǎn)中存在的熱交換條件千變?nèi)f化，所需要的換熱器必須各式各樣，為了符合使用要求，國內(nèi)、外對換熱器技術的開發(fā)從傳熱機理的研究、設備結(jié)構的創(chuàng)新，設計計算方法的改進以及制造工藝水平的提高等方面都進行了長期而大量的工作。直至目前，換熱器的使用大部分仍然是管殼式換熱器。就其數(shù)量或使用場所來對比，與管式結(jié)構換熱器競爭還有很大優(yōu)勢。但從空間技術發(fā)展起來的熱管技術受到極大重視，各式熱管換熱器已進入工業(yè)實用階段。在換熱器設計中采用了電子計算機，不僅可以縮短計算時間，減少人為的差錯，而且有可能進行最佳設計。換熱器制造工藝上獲得了改進，新材料及復合材料已逐漸使用。對未來換熱器會起到影響作用。 隨著工業(yè)的高速發(fā)展，換熱器技術將迅速發(fā)展。就目前的情況分析，換熱器的基本發(fā)展趨勢是：提高傳熱效率，提高緊湊性，降低材料消耗，增強承受高溫、高壓、超低溫及耐腐蝕能力。保證互換性及擴大容量的靈活性，通過減少堵塞和便于除垢以減少操作事故，從選用材料，結(jié)構設計以及運行操作等各方面增長使用壽命并在廣泛的范圍內(nèi)向大型化發(fā)展。在換熱器制造中，專業(yè)化生產(chǎn)的趨勢仍將繼續(xù)。加工中向“多軸化”及“數(shù)值控制化”發(fā)展。采用新技術、新工藝、新材料，提高機械化、自動化水平。提高勞動生產(chǎn)率，降低制造成本仍是基本發(fā)展目標。 對國外換熱器市場的調(diào)查表明，管殼式換熱器占64%。雖然各種板式換熱器的競爭力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導地位。隨著動力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。 管殼式換熱器由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因此換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應力，導致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫。因此，當管束與殼體溫度差超過50℃時，需采取適當補償措施，以消除或減少熱應力。根據(jù)所采用的補償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型： ① 固定管板式換熱器 由殼體、管束、封頭、管板、折流擋板、接管等部件組成。結(jié)構特點為：兩塊管板分別焊于殼體的兩端，管束兩端固定在管板上。換熱管束可做成單程、雙程或多程。它適用于殼體與管子溫差小的場合。 優(yōu)點：結(jié)構簡單、緊湊。在相同的殼體直徑內(nèi)，排管數(shù)最多，旁路最少；每根換熱管都可以進行更換，且管內(nèi)清洗方便。 缺點：殼程不能進行機械清洗；當換熱管與殼體的溫差較大（大于50℃）時產(chǎn)生溫差應力，需在殼體上設置膨脹節(jié)，因而殼程壓力受膨脹節(jié)強度的限制不能太高。固定管板式換熱器適用于殼層流體清潔且不易結(jié)垢，兩流體溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。 ② 浮頭式換熱器 管束一端的管板可自由浮動，完全消除了熱應力;且整個管束可從殼體中抽出,便于機械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應用較廣，但結(jié)構比較復雜，造價較高[9]。浮頭式換熱器適用于殼體和管束壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。結(jié)構特點是兩端管板之一不與殼體固定連接，可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，稱為浮頭[10]。 優(yōu)點：當換熱管與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時，互不約束，不會產(chǎn)生溫差應力；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于管內(nèi)和管間的清洗。 缺點：結(jié)構較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板之間若密封不嚴，發(fā)生內(nèi)漏，造成兩種介質(zhì)的混合。 ③ U形管換熱器[11] 結(jié)構特點是只有一個管板，換熱管為U型，管子兩端固定在同一管板上。管束可以自由伸縮，當殼體與U型換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生溫差應力?？蓮浹a浮頭式換熱器結(jié)構復雜的特點，同時又保留換熱管束可以抽出，熱應力可以消除的優(yōu)點。 優(yōu)點：結(jié)構簡單，只有一個管板，密封面少，運行可靠，造價低；管束可以抽出，管間清洗方便。 缺點：管內(nèi)清洗比較困難；由于管子需要有一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內(nèi)層管間距大，殼程易短路；內(nèi)層管子壞了只能堵塞而不能更換，因而報廢率較高。 U形管式換熱器適用于管[12]、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢，而管程介質(zhì)清潔不易結(jié)垢以及高溫、高壓、腐蝕性強的場合[13]。一般高溫、高壓、腐蝕性強的介質(zhì)走管內(nèi)，可使高壓空間減小，密封易解決，并可節(jié)約材料和減少熱損失[14]。 目前，從世界石油、化工行業(yè)看，先進國家早以開發(fā)和采用了高效節(jié)能換熱器。世界先進國家的油化工企業(yè)的換熱設備正處在更新?lián)Q代時期,朝著新型降耗高效換熱器方向發(fā)展[15]。 3、課題的主要工作 （1） 換熱設備設計綜述 （2） 總體結(jié)構設計；流程、管子、管板、法蘭及支座等； （3） 強度計算；筒體及封頭的設計計算與強度校核； （4） 管板的設計計算； （5） 主要零部件如：支座、接管法蘭等設計計算及選型。 （6） 換熱器的壓力實驗強度的計算及校核等；。 （7） 完成全套零、部件及總裝圖的CAD繪制。 （8） 撰寫畢業(yè)設計說明書。 4、完成課題所需要的條件 查閱大量的換熱器相關資料，需要對換熱器的結(jié)構性能進行了解，還需要指導教師的指導。 第一，對換熱器以及附件的知識了解要有一定的基礎，大部分的知識都要在短時間內(nèi)學習掌握。 第二，對于繪圖軟件的使用要熟練，對 CAD軟件要有足夠的掌握運用。 第三，設計中一定會遇到對換熱器了解不完善的問題，在努力完成基礎設計與計算的前提下，合理運用手中的參考資料解決問題。 5、課題的進度和安排 第1周：熟悉設計內(nèi)容，查閱相關資料，撰寫文獻綜述及參考資料； 第2周：查找國內(nèi)外近期相關設計資料，撰寫開題報告，查找英文資料； 第3周：翻譯英文資料，語句通順，內(nèi)容正確； 第4周：熟悉設計內(nèi)容，提交開題報告和外文翻譯請老師審閱。 第5周：根據(jù)設計任務書，學習了《GB150-1998》和《GB151-1999》的相關內(nèi)容，編寫設計提綱，進行初步設計。 第6周：熟悉了解換熱器的總體結(jié)構特點，包括：筒體，管箱封頭，管板、管束、折流板等零部件； 第7周：進行換熱器的總體結(jié)構設計，確定各零部件的結(jié)構形式，選材選型。 第8周：對換熱器各主要承壓部件進行強度計算與校核； 第9周：繼續(xù)進行強度計算與校核； 第10周：熟悉AutoCAD繪圖軟件，進行草圖繪制； 第11周：構思、CAD繪制換熱器裝配圖； 第12周：繪制換熱器部件圖； 第13周：繪制換熱器零件圖； 第14周：詳細撰寫、認真編輯畢業(yè)論文，符合規(guī)范要求； 第15周：打印畢業(yè)設計論文，檢查并修改存在的問題并提交老師審閱； 第16周：打印畢業(yè)設計圖紙，檢查修改存在的問題； 第17周：整理、歸納畢業(yè)設計資料，準備并參加小組預答辯； 第18周：準備參加專業(yè)答辯。 6、主要參考文獻 [1] 史美中等主編.熱交換器原理與設計[M]. 南京東南大學出版社1995 [2] W.M.羅森諾主編. 傳熱學應用手冊上冊[M]. 北京科學出版社1992 [3] 楊世銘等主編. 傳熱學3版[M]. 北京高等教育出版社1998 [4] 錢頌文等主編. 換熱器設計手冊[M]. 北京化學工業(yè)出版社2002 [5] 尾花英朗著徐中權譯. 換熱器設計手冊[M]. 北京烴加工出版社1987 [6] 余建祖主編. 換熱器原理與設計[M]. 北京北京航空航天大學出版社2006 [7] GB 150-1998 《鋼制壓力容器》 [8] GB 151-1999 《鋼制管殼式換熱器》 [9] Bent Sunden. Enhancement of Convective Heat Transfer in Rib-roaghened Rectangular Ducts[J]. Enhanced Heat Transfer,1999,6:89-103 [10] 沈維道等主編.工程熱力學3版[M]. 北京高等教育出版社2001.6 [12]John F. Harvey, P. E. Theory and Design of Pressure Vessels. New York：Van Nostrand Reinhold Company, 1991 [13] Burgreen.D.Elements of Thermal Stress Analysis. New York：C.P.Press, Jamaica, 1971 [14]Spence.J., Tooth.A.S.Pressure Vessels Design：Concepts and Principles. Oxford： Alden Press, UK, 1994 [15] Stanley M. Walas, Ghemical Progess Equipment, Butterworth Publishers,1988.