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1、毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目：U形管式换热器设计院 系： 化工装备学院 专业班级：过程装备与控制工程 学生姓名：指导教师：1、选题的目的及意义1.1、选题的目的毕业设计的选题要按照所学专业培养目标确定，要围绕本专业、学科选择有 一定理论与实用价值且具有运用课程知识、能力训练的题目。本次设计的题目是 U形管式换热器设计。它属静设备中一种比较常见的管壳式换热器。节约能源是 当今世界的一种重要社会意识，是指尽可能的减少能源的消耗、增加能源利用率 的一系列行为。加强能源利用，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可 以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和污染物排
2、放、制止浪费，有效、合理地利用能源。目前，在我国石油化工产业换热器受到 普遍的重视，而换热器的广泛应用，决定了换热器换热性能的改善设计理论的不 断创新，对企业经济的收益和工业的飞速发展都具有一定的积极作用必将为节约 能源和保护环境有显著的贡献。1.2、选题的意义近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上 涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨 大的供给缺口需要进口来弥补。未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求， 如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性 化、多样化的需求趋势强烈。因此
3、，作为过程装备与控制工程专业的毕业生，在今后的工作中接触最多的 就应该是各种压力容器。在化工厂的各种压力容器中，最常见的就是换热器。因 此，在毕业设计时，通过自己的努力设计出一台换热器，可以巩固以前学过的专 业知识，更为将来到化工厂中的工作打下良好基础。设计这样一台换热器，无论 是对以往知识的总结，还是对将来的工作都有着很重要的意义。2、国内外的现状和发展趋势国内方面，各研究机构和高等院校研究成果不断推陈出新，在强化传热元件 方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、波纹管、纵横管等；天津大学在流路 分析法、振动方面研究成果显著；清华大学在板片传热方面有深入研究；西安大 学在板翅式换热器研究方面已
4、取得初步成果1。这些技术成果为国民经济的快速 发展，为中国炼油、化工工业的发展起到了决定作用，也使中国传热技术水平步 入国际先进水平。目前换热器正向物性模拟研究、分析设计研究、大型化及耗能研究、强化技 术研究、新材料研究、控制结垢及腐蚀研究等方面发展，从而继续提高设备的传 热效率2。促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准系列化，并在广泛的范围 内继续向大型化发展，向高效、节能、占地面积小、成本低、安全可靠的方向发 展。对国外换热器市场的调查表明，管壳式换热器仍占较大比例。虽然各种其它 形式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍占较重要的地位。随着动力、石 油化工工业的发展，其设备也继续向着高
5、温、高压、大型化方向发展。而换热器 在结构方面也有不少新的发展。现就几种新型换热器的特点简介如下：(1) 折流杆换热器 折流杆换热器是以折流杆取代折流板，在管外改善流体的流动方式，减少折 流板造成的流动死区和停滞区，并且使流体在折流杆后产生有效的“涡流”效应， 从而达到强化传热的果，同时起到了降低流体阻力和消除换热管的震动造成的损 伤、失效等作用3。(2) 波纹管换热器 波纹管换热器是将换热管加工成内外均呈连续波纹曲线的波纹管，使管子的 纵向截面成波形，由相切的大小圆弧构成，由于管内流体的流动截面不断变化， 使流体的扰动增加而使传热强化。根据使用测试结果其管内放热系数可较光管提 高 34 倍，
6、同时壳程的换热系数也可得到一定程度的提高，使总放热系数提高 12 倍，目前该技术已在许多热网换热器中应用4。同时在原油加热器及压缩机 冷凝器中均取得了良好的效果。此外波纹管换热器在解决管内结垢问题上也起到 了明显的作用。(3) 螺旋槽管换热器 螺旋槽管换热器是将换热管表面加工成螺旋形的凹槽，在管内形成螺旋形凸 肋的异型管。流体在管内流动时受螺旋槽的导引，靠近壁面的流体顺螺纹旋转， 螺旋形的凸肋使流体产生周期性的扰动，这样可以使流体边界层减薄，并加剧流 体的扰动，因而使传热强化。一般其管内放热系数为光管的1.52.5 倍，总的放 热系数可提高0.51 倍。目前这项技术在工业锅炉和其它换热器设备中
7、得到广泛 应用。(4) 螺旋翅片管和纵向翅片管换热器 螺旋翅片管换热器是将换热管上螺旋缠绕高频焊接扁钢，纵向翅片管换热器是将换热管圆周上沿轴线方向、高频焊接U形翅片。两种热交换器都是通过增加 管外侧受热面、改变流体流动的方式来强化传热。实验证明，小管径翅片管束的 传热性能优于大管径管束，适当增加翅片高度和翅片间距对传热有利，适当密排 对传热有利。螺旋翅片管换热器主要用于流体横向冲刷的场合，纵向翅片管主要 用于流体纵向冲刷的场合，同时起到大大缩小换热器体积的作用。我们在空气换 热器、热管换热器及锅炉上，采用了这类换热器，取得了明显的强化换热效果5。(5) 螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器对传统折
8、流板换热器进行了大胆的创新。采用与壳体轴线 成某一角度状排列的螺旋板作为折流板，使介质在壳体内螺旋推进流动，实现了 在较小泵功能消耗条件下较高的传热效果。其特点有：具有较高的传热系数；壳 侧流阻较小，无滞流区；不易污垢沉积。延长维修周期，减少维修费用。适用于 较粘稠介质。(6 )涡流热膜换热器涡流热膜换热器采用最新的涡流热膜传热技术，通过改变流体运动状 态来增加传热效果，当介质经过涡流管表面时，强力冲刷管子表面，从而 提高换热效率。最高可达10000闻/山2。同时这种结构实现了耐腐蚀、耐高 温、耐高压、防结垢功能。其它类型的换热器的流体通道为固定方向流形 式，在换热管表面形成绕流，对流换热系数
9、降低。(7)陶瓷换热器陶瓷换热器的生产工艺与窑具的生产工艺基本相同，导热性与抗氧化性能是材料的主要应用性能。它的原理是把陶瓷换热器放置在烟道出口较近， 温度较高的地方，不需要掺冷风及高温保护，当窑炉温度1250-1450 C时，烟道出口的温度应是1000-1300 C，陶瓷换热器回收余热可达到450-750 C， 将回收到的的热空气送进窑炉与燃气形成混合气进行燃烧，可节约能源25%-45%，这样直接降低生产成本，增加经济效益。陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展，因为它较 好地解决了耐腐蚀，耐高温等课题，成为了回收高温余热的最佳换热器。 经过多年生产实践，表明陶瓷换热器效果很好。
10、它的主要优点是：导热性 能好，高温强度高，抗氧化、抗热震性能好。寿命长，维修量小，性能可 靠稳定，操作简便，是目前回收高温烟气余热的最佳装置。在生产中存在的热交换条件千变万化，所需要的换热器必须各式各样，为了 符合使用要求，国内、外对换热器技术的开发从传热机理的研究、设备结构的创 新，设计计算方法的改进以及制造工艺水平的提高等方面都进行了长期而大量的 工作。直至目前，换热器的使用大部分仍然是管壳式换热器6。就其数量或使用 场所来对比，与管式结构换热器竞争还有很大优势。但从空间技术发展起来的热 管技术受到极大重视，各式热管换热器已进入工业实用阶段。在换热器设计中采 用了电子计算机，不仅可以缩短计
11、算时间，减少人为的差错，而且有可能进行最 佳设计。换热器制造工艺上获得了改进，新材料及复合材料已逐渐使用。对未来换热器会起到影响作用。随着工业的高速发展，换热器技术将迅速发展。就目前的情况分析，换热器 的基本发展趋势是：提高传热效率，提高紧凑性，降低材料消耗，增强承受高温、 高压、超低温及耐腐蚀能力。保证互换性及扩大容量的灵活性，通过减少堵塞和 便于除垢以减少操作事故，从选用材料，结构设计以及运行操作等各方面增长使 用寿命并在广泛的范围内向大型化发展。在换热器制造中，专业化生产的趋势仍 将继续。加工中向“多轴化”及“数值控制化”发展。采用新技术、新工艺、新材料， 提高机械化、自动化水平。提高劳
12、动生产率，降低制造成本仍是基本发展目标。对国外换热器市场的调查表明，管壳式换热器占 64%。虽然各种板式换热器 的竞争力在上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、石油化工工业的 发展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。管壳式换热器由于管内外流体的温度不同，因此换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管 子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50 C时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管 壳式换热器可分为以下几种主要类型： 固定管板式换热器7由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成
13、。结构特点为：两 块管板分别焊于壳体的两端，管束两端固定在管板上。换热管束可做成单程、双 程或多程。它适用于壳体与管子温差小的场合。优点：结构简单、紧凑。在相同的壳体直径内，排管数最多，旁路最少；每 根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便。缺点：壳程不能进行机械清洗；当换热管与壳体的温差较大（大于 50C） 时产生温差应力，需在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度的限制不 能太高。固定管板式换热器适用于壳层流体清洁且不易结垢，两流体温差不大或 温差较大但壳程压力不高的场合。 浮头式换热器8管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力；且整个管束可从壳体 中抽出，便于机械清洗和检修。浮头式换
14、热器的应用较广，但结构比较复杂， 造价较高9。浮头式换热器适用于壳体和管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场 合。结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩， 称为浮头10。优点：当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会 产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗。缺点：结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板之间若密封不严， 发生内漏，造成两种介质的混合。U形管换热器11结构特点是只有一个管板，换热管为U型，管子两端固定在同一管板上。管 束可以自由伸缩，当壳体与U型换热管有温差时，不会产生温差应力。可弥补浮 头式换热器结构复杂的特点，同
15、时又保留换热管束可以抽出，热应力可以消除的 优点。优点：结构简单，只有一个管板，密封面少，运行可靠，造价低；管束可以 抽出，管间清洗方便。缺点：管内清洗比较困难；由于管子需要有一定的弯曲半径，故管板的利用 率较低；管束最内层管间距大，壳程易短路；内层管子坏了只能堵塞而不能更换， 因而报废率较高。U形管式换热器适用于管12、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质 清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合13。一般高温、高压、腐蚀性强 的介质走管内，可使高压空间减小，密封易解决，并可节约材料和减少热损失14。目前，从世界石油、化工行业看，先进国家早以开发和采用了高效节能换热 器。世界先进国家的
16、油化工企业的换热设备正处在更新换代时期,朝着新型降耗 高效换热器方向发展15。3、课题的主要工作（1）换热设备设计综述（2）总体结构设计；流程、管子、管板、法兰及支座等（3）强度计算；筒体及封头的设计计算与强度校核；（4）管板的设计计算；（5）主要零部件如：支座、接管法兰等设计计算及选型（6）换热器的压力实验强度的计算及校核等；。（7）完成全套零、部件及总装图的 CAD 绘制。（8）撰写毕业设计说明书。4、完成课题所需要的条件 查阅大量的换热器相关资料，需要对换热器的结构性能进行了解，还需要指 导教师的指导。第一，对换热器以及附件的知识了解要有一定的基础，大部分的知识都要在短 时间内学习掌握。第二，对于绘图软件的使用要熟练
