開題報告-U形管式換熱器設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報告設(shè)計(jì)（論文）題目：U形管式換熱器設(shè)計(jì)院 系： 化工裝備學(xué)院 專業(yè)班級：過程裝備與控制工程學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 指導(dǎo)教師評閱意見指導(dǎo)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(shè)計(jì)的選題要按照所學(xué)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)確定，要圍繞本專業(yè)、學(xué)科選擇有一定理論與實(shí)用價值且具有運(yùn)用課程知識、能力訓(xùn)練的題目。本次設(shè)計(jì)的題目是U形管式換熱器設(shè)計(jì)。它屬靜設(shè)備中一種比較常見的管殼式換熱器。節(jié)約能源是當(dāng)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(qiáng)能源利用，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)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(fèi)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(fèi)，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(yīng)用，決定了換熱器換熱性能的改善設(shè)計(jì)理論的不斷創(chuàng)新，對企業(yè)經(jīng)濟(jì)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(hù)環(huán)境有顯著的貢獻(xiàn)。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(dǎo)致?lián)Q熱器行業(yè)呈現(xiàn)供不應(yīng)求的市場狀態(tài)，巨大的供給缺口需要進(jìn)口來彌補(bǔ)。未來，國內(nèi)市場需求將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：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(diǎn)；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(qiáng)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(yīng)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(shè)計(jì)時，通過自己的努力設(shè)計(jì)出一臺換熱器，可以鞏固以前學(xué)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(chǔ)。設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)和高等院校研究成果不斷推陳出新，在強(qiáng)化傳熱元件方面華南理工大學(xué)相繼開發(fā)出表面多孔管、波紋管、縱橫管等；天津大學(xué)在流路分析法、振動方面研究成果顯著；清華大學(xué)在板片傳熱方面有深入研究；西安大學(xué)在板翅式換熱器研究方面已取得初步成果。這些技術(shù)成果為國民經(jīng)濟(jì)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(shù)水平步入國際先進(jìn)水平。目前換熱器正向物性模擬研究、分析設(shè)計(jì)研究、大型化及耗能研究、強(qiáng)化技術(shù)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(shè)備的傳熱效率。促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強(qiáng)生產(chǎn)制造的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(gòu)方面也有不少新的發(fā)展。現(xiàn)就幾種新型換熱器的特點(diǎn)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(yīng)，從而達(dá)到強(qiáng)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(gòu)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(qiáng)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34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12倍，目前該技術(shù)已在許多熱網(wǎng)換熱器中應(yīng)用。同時在原油加熱器及壓縮機(jī)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(dǎo)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(qiáng)化。一般其管內(nèi)放熱系數(shù)為光管的1.52.5倍，總的放熱系數(shù)可提高0.51倍。目前這項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)鍋爐和其它換熱器設(shè)備中得到廣泛應(yīng)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(qiáng)化傳熱。實(shí)驗(yàn)證明，小管徑翅片管束的傳熱性能優(yōu)于大管徑管束，適當(dāng)增加翅片高度和翅片間距對傳熱有利，適當(dāng)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)流動，實(shí)現(xiàn)了在較小泵功能消耗條件下較高的傳熱效果。其特點(diǎn)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(fèi)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(shù)，通過改變流體運(yùn)動狀態(tài)來增加傳熱效果，當(dāng)介質(zhì)經(jīng)過渦流管表面時，強(qiáng)力沖刷管子表面，從而提高換熱效率。最高可達(dá)10000W/m2。同時這種結(jié)構(gòu)實(shí)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(dǎo)熱性與抗氧化性能是材料的主要應(yīng)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(fēng)及高溫保護(hù)，當(dāng)窯爐溫度1250-1450時，煙道出口的溫度應(yīng)是1000-1300，陶瓷換熱器回收余熱可達(dá)到450-750，將回收到的的熱空氣送進(jìn)窯爐與燃?xì)庑纬苫旌蠚膺M(jìn)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(jì)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?yàn)樗^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(shí)踐，表明陶瓷換熱器效果很好。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：導(dǎo)熱性能好，高溫強(qiáng)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?zé)煔庥酂岬淖罴蜒b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(shù)的開發(fā)從傳熱機(jī)理的研究、設(shè)備結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，設(shè)計(jì)計(jì)算方法的改進(jìn)以及制造工藝水平的提高等方面都進(jìn)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(gòu)換熱器競爭還有很大優(yōu)勢。但從空間技術(shù)發(fā)展起來的熱管技術(shù)受到極大重視，各式熱管換熱器已進(jìn)入工業(yè)實(shí)用階段。在換熱器設(shè)計(jì)中采用了電子計(jì)算機(jī)，不僅可以縮短計(jì)算時間，減少人為的差錯，而且有可能進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。換熱器制造工藝上獲得了改進(jìn)，新材料及復(fù)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(shù)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(qiáng)承受高溫、高壓、超低溫及耐腐蝕能力。保證互換性及擴(kuò)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(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)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(shù)、新工藝、新材料，提高機(jī)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(biāo)。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(dǎo)地位。隨著動力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設(shè)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(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過50時，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型： 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(gòu)特點(diǎn)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)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(jìn)行更換，且管內(nèi)清洗方便。缺點(diǎn)：殼程不能進(jìn)行機(jī)械清洗；當(dāng)換熱管與殼體的溫差較大（大于50）時產(chǎn)生溫差應(yīng)力，需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，因而殼程壓力受膨脹節(jié)強(qiáng)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。 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(yīng)力;且整個管束可從殼體中抽出,便于機(jī)械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應(yīng)用較廣，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(gòu)特點(diǎn)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(diǎn)：當(dāng)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(yīng)力；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于管內(nèi)和管間的清洗。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板之間若密封不嚴(yán)，發(fā)生內(nèi)漏，造成兩種介質(zhì)的混合。 U形管換熱器11 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dāng)殼體與U型換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力?？蓮浹a(bǔ)浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，同時又保留換熱管束可以抽出，熱應(yīng)力可以消除的優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，只有一個管板，密封面少，運(yùn)行可靠，造價低；管束可以抽出，管間清洗方便。缺點(diǎn)：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(qiáng)的場合13。一般高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)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(jìn)國家早以開發(fā)和采用了高效節(jié)能換熱器。世界先進(jìn)國家的油化工企業(yè)的換熱設(shè)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(shè)備設(shè)計(jì)綜述（2） 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；流程、管子、管板、法蘭及支座等；（3） 強(qiáng)度計(jì)算；筒體及封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算與強(qiáng)度校核；（4） 管板的設(shè)計(jì)計(jì)算；（5） 主要零部件如：支座、接管法蘭等設(shè)計(jì)計(jì)算及選型。（6） 換熱器的壓力實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度的計(jì)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(shè)計(jì)說明書。4、完成課題所需要的條件查閱大量的換熱器相關(guān)資料，需要對換熱器的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了解，還需要指導(dǎo)教師的指導(dǎo)。第一，對換熱器以及附件的知識了解要有一定的基礎(chǔ)，大部分的知識都要在短時間內(nèi)學(xué)習(xí)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(yùn)用。第三，設(shè)計(jì)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(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算的前提下，合理運(yùn)用手中的參考資料解決問題。5、課題的進(jìn)度和安排第1周：熟悉設(shè)計(jì)內(nèi)容，查閱相關(guān)資料，撰寫文獻(xiàn)綜述及參考資料；第2周：查找國內(nèi)外近期相關(guān)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)任務(wù)書，學(xué)習(xí)了GB150-1998和GB151-1999的相關(guān)內(nèi)容，編寫設(shè)計(jì)提綱，進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。第6周：熟悉了解換熱器的總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，包括：筒體，管箱封頭，管板、管束、折流板等零部件；第7周：進(jìn)行換熱器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定各零部件的結(jié)構(gòu)形式，選材選型。第8周：對換熱器各主要承壓部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算與校核； 第9周：繼續(xù)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算與校核； 第10周：熟悉AutoCAD繪圖軟件，進(jìn)行草圖繪制；第11周：構(gòu)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(xì)撰寫、認(rèn)真編輯畢業(yè)論文，符合規(guī)范要求；第15周：打印畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)圖紙，檢查修改存在的問題；第17周：整理、歸納畢業(yè)設(shè)計(jì)資料，準(zhǔn)備并參加小組預(yù)答辯； 第18周：準(zhǔn)備參加專業(yè)答辯。6、主要參考文獻(xiàn) 1 史美中等主編.熱交換器原理與設(shè)計(jì)M. 南京東南大學(xué)出版社1995 2 W.M.羅森諾主編. 傳熱學(xué)應(yīng)用手冊上冊M. 北京科學(xué)出版社1992 3 楊世銘等主編. 傳熱學(xué)3版M. 北京高等教育出版社19984 錢頌文等主編. 換熱器設(shè)計(jì)手冊M. 北京化學(xué)工業(yè)出版社2002 5 尾花英朗著徐中權(quán)譯. 換熱器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)M. 北京北京航空航天大學(xué)出版社20067 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 DuctsJ. Enhanced Heat Transfer,1999,6:89-103 10 沈維道等主編.工程熱力學(xué)3版M. 北京高等教育出版社2001.6 12John F. Harvey, P. E. Theory and Design of Pressure Vessels. New York：Van Nostrand Reinhold Company, 199113 Burgreen.D.Elements of Thermal Stress Analysis. New York：C.P.Press, Jamaica, 197114Spence.J., Tooth.A.S.Pressure Vessels Design：Concepts and Principles. Oxford： Alden Press, UK, 199415 Stanley M. Walas, Ghemical Progess Equipment, Butterworth Publishers,1988.