開題報(bào)告-U形管式換熱器設(shè)計(jì).doc

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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)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(jí)：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(píng)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(jià)值且具有運(yùn)用課程知識(shí)、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(huì)意識(shí)，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(huì)可以承受的措施，從能源生產(chǎn)到消費(fèi)的各個(gè)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(guó)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(duì)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(guó)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(guó)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(chǎng)狀態(tài)，巨大的供給缺口需要進(jìn)口來彌補(bǔ)。 未來，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：對(duì)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(jià)比提高；對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣化的需求趨勢(shì)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(shí)，通過自己的努力設(shè)計(jì)出一臺(tái)換熱器，可以鞏固以前學(xué)過的專業(yè)知識(shí)，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(tái)換熱器，無(wú)論是對(duì)以往知識(shí)的總結(jié)，還是對(duì)將來的工作都有著很重要的意義。 2、國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)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(dòng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為中國(guó)煉油、化工工業(yè)的發(fā)展起到了決定作用，也使中國(guó)傳熱技術(shù)水平步入國(guó)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(duì)國(guó)外換熱器市場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)力在上升，但管殼式換熱器仍占較重要的地位。隨著動(dòng)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?，F(xiàn)就幾種新型換熱器的特點(diǎn)簡(jiǎn)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(dòng)方式，減少折流板造成的流動(dòng)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(shí)起到了降低流體阻力和消除換熱管的震動(dòng)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(dòng)截面不斷變化，使流體的擾動(dòng)增加而使傳熱強(qiáng)化。根據(jù)使用測(cè)試結(jié)果其管內(nèi)放熱系數(shù)可較光管提高3~4倍，同時(shí)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(shù)已在許多熱網(wǎng)換熱器中應(yīng)用。同時(shí)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(dòng)時(shí)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(dòng)，這樣可以使流體邊界層減薄，并加劇流體的擾動(dòng)，因而使傳熱強(qiáng)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(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(dòng)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(duì)傳熱有利，適當(dāng)密排對(duì)傳熱有利。螺旋翅片管換熱器主要用于流體橫向沖刷的場(chǎng)合，縱向翅片管主要用于流體縱向沖刷的場(chǎng)合，同時(shí)起到大大縮小換熱器體積的作用。我們?cè)诳諝鈸Q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(duì)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(dòng)，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(wú)滯流區(qū)；不易污垢沉積。延長(zhǎng)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(dòng)狀態(tài)來增加傳熱效果，當(dāng)介質(zhì)經(jīng)過渦流管表面時(shí)，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(shí)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(duì)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(shí)，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(zhǎng)，維修量小，性能可靠穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)、外對(duì)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(zhǎng)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(chǎng)所來對(duì)比，與管式結(jié)構(gòu)換熱器競(jìng)爭(zhēng)還有很大優(yōu)勢(shì)。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(shí)間，減少人為的差錯(cuò)，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(duì)未來?yè)Q熱器會(huì)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(shì)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(zhǎng)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(shì)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(dòng)化水平。提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低制造成本仍是基本發(fā)展目標(biāo)。 對(duì)國(guó)外換熱器市場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導(dǎo)地位。隨著動(dòng)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(shí)，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： 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(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(chǎng)合。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)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(chǎng)合。 ② 浮頭式換熱器 管束一端的管板可自由浮動(dòng)，完全消除了熱應(yīng)力;且整個(gè)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(jià)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(chǎng)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(shí)，互不約束，不會(huì)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(jià)高；浮頭蓋與浮動(dòng)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。 ③ U形管換熱器[11] 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一個(gè)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(shí)，不會(huì)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(shí)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(jiǎn)單，只有一個(gè)管板，密封面少，運(yùn)行可靠，造價(jià)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(bào)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(chǎng)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(guó)家早以開發(fā)和采用了高效節(jié)能換熱器。世界先進(jìn)國(guó)家的油化工企業(yè)的換熱設(shè)備正處在更新?lián)Q代時(shí)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(duì)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(duì)換熱器以及附件的知識(shí)了解要有一定的基礎(chǔ)，大部分的知識(shí)都要在短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)掌握。 第二，對(duì)于繪圖軟件的使用要熟練，對(duì) CAD軟件要有足夠的掌握運(yùn)用。 第三，設(shè)計(jì)中一定會(huì)遇到對(duì)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(guó)內(nèi)外近期相關(guān)設(shè)計(jì)資料，撰寫開題報(bào)告，查找英文資料； 第3周：翻譯英文資料，語(yǔ)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(bào)告和外文翻譯請(qǐng)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(duì)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(cè)上冊(cè)[M]. 北京科學(xué)出版社1992 [3] 楊世銘等主編. 傳熱學(xué)3版[M]. 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