毕业设计论文-浮头式换热器设计.doc

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J155

长江大学工程技术学院

毕业设计（论文）

题目名称

浮头式换热器设计

题目类型

毕业设计

系部

机械系

专业班级

装备601班

学生姓名

指导教师

辅导教师

时间

2009年11月至2010年6月

目录

毕业设计（论文）任务书 Ⅰ

开题报告 Ⅱ

指导教师审查意见 Ⅲ

评阅教师评语 Ⅳ

答辩会议记录 Ⅴ

中文摘要 Ⅵ

英文摘要 Ⅶ

前言 1

1热力计算 2

1.1原始数据 2

1.2定性温度和物性参数计算 2

1.3初选结构 3

1.4管程换热计算及流量计算 3

1.5壳程换热计算 5

1.6传热系数 6

1.7管程压降 7

1.8壳程压降 8

1.9压强校核 9

2结构设计 10

2.1换热流程设计 10

2.2管子和传热面积 10

2.3管子排列方式 10

2.4壳体 11

2.5管箱 12

2.6固定管板 13

2.7分程隔板 13

2.8折流板 14

2.9拉杆 15

2.10进出口管 15

2.11浮头箱 16

2.12浮头 16

2.13补强圈 17

2.14法兰 17

2.15支座 19

3强度校核 21

3.1管箱的强度校核及优化 21

3.2壳体的强度校核及优化 22

4制造工艺及安装 24

4.1制造工艺 24

4.2安装与拆卸 25

5Solidworks绘出的实体模型 27

小结 28

参考文献 29

致谢 30

长江大学工程技术学院毕业论文（设计）任务书

系部：

机械系

专业：

过程装备

班级：

装备0601

学生姓名：

指导教师/职称：

/

教授

1.毕业论文（设计）题目：

浮头式换热器设计

2.毕业论文（设计）起止时间：

2009年11月1日～2010年6月1日

3.毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）

换热器设计原始数据

壳体规格Φ700；管箱规格Φ750；换热管规格19×3L=8000

项目

壳程

管程

设计压力（Mp）

1.6

2

操作温度（进口/出口）℃

175/155

144/163

设计温度℃

220

200

介质

急冷油

锅炉给水

4.毕业设计（论文）应完成的主要内容

（1）换热器的发展概况

（2）总体参数设计计算

（3）传热学计算

（4）有限元分析

（5）结构的三维设计

（6）换热器的工程图设计

5.毕业设计（论文）的目标及具体要求

换热器的三维图

工程图：

总装配图，部件装配图各一张，零件图3张

6、完成毕业设计（论文）所需的条件及上机时数要求

熟悉Solidworks

上机100小时

任务书批准日期

系主任/责任教授

任务书下达日期

指导教师

完成任务日期

学生签名

-Ⅰ-

长江大学工程技术学院

毕业设计（论文）开题报告

题目名称

浮头式换热器设计

系部

机械系

专业班级

装备601

学生姓名

指导教师

辅导教师

开题报告时间

2009年11月-2009年12月

浮头式换热器设计

学　　生：

长江大学工程技术学院

指导教师：

长江大学机械工程学院

一、题目来源及其类型

题目来源：

生产实际

题目类别：

毕业设计

二、研究目的和意义

换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。

换热器因而面临着新的挑战。

换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。

目前在发达的工业国家热回收率已达96%。

换热设备在现代装置中约占设备总重的30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约70%。

其余30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。

在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向研究发展。

三、阅读的主要参考文献及资料名称

[1]史美中，王中铮.热交换器原理与设计[M].北京：

东南大学出版社，1996

[2]钱颂文.换热器设计手册[M].北京：

化学工业出版社，2003

[3]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程装备设计[M].北京：

化学工业出版社，2005

[4]王志魁.化工原理[M].北京：

化学工业出版社，2000

[5]贺卫国.化工容器及设备简明设计手册[M].北京：

化学工业出版社，2003

[6]王志文.化工容器设计[M].北京：

化学工业出版社，1990

[7]贺匡国.压力容器分析设计基础[M].北京：

机械工业出版社，1995

[8]潘家祯.压力容器材料实用手册[M].北京：

化学工业出版社，2000

[9]卓震.化工容器及设备[M].北京：

中国石化出版社，1998

[10]GB150-1998钢制压力容器[S].北京：

中国标准出版社，2003

[11]GB151-1999管壳式换热器[S].北京：

中国标准出版社，2004

[12]HG20582-1998钢制化工容器强度计算规定[S].化工部工程建设标准编辑中心出版，1998

[13]JB4732-1995钢制压力容器——分析设计标准[S].北京：

新华出版社，1995

[14]BeneathA.SaurianandRosaryS.Michalski，ApplyingSeparableEvolutionModeltoHeatExchangeDesign

[15]JamesRBurly.Don＇toverlookcompactheatexchangers.ChemicalEngineering.，1991，98（8）:

90～96

[16]Heattransfersuppliers，focusonsafety.ChemicalEngineering，1993，100（4）:

147～154

四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向

1、我国换热器发展前景

换热器（热交换器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器按传热方式的不同可分为混合式（混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器）、蓄热式（蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器）和间壁式（随间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广）三类。

在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。

随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。

在我国随着经济快速发展的同时，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。

为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。

完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：

（1）合理地实现所规定的工艺条件；

（2）结构安全可靠；

（3）便于制造、安装、操作和维修；

（4）经济上合理。

70年代的世界能源危机，有力促进了换热强化技术的发展。

为了节能将耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效换热设备。

所以这些年来，换热器的开发和研究成了人们关注的课题。

当今换热器技术的发展以CFD（计算流体力学技术）、模型化技术、强化传热技术等形成一个高技术体系。

所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。

狭义的强化传热系数指提高流体和传热之间的传热系数。

其主要方法归结为下述两个原理：

温度边界层减勃和调换传热面附近的流体。

因此最近十几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的发展，凝结是工业中普遍遇到的另一种相变换热过程，凝结换热系数很高，但经过强化措施还可以进一步提升换热效率。

1.管外凝结换热的强化

（1）冷却表面的特殊处理

对冷却表面的特殊处理，主要是为了在冷却表面上产生珠状凝结。

珠状凝结的换热系数可比通常的膜状凝结高5~10倍，由于水和有机液体能润湿大部分的金属壁面，所以应采用特殊的表面处理方法（化学覆盖法、聚合物涂层法和电镀法等），使冷凝液不能润湿壁面，从而形成珠状凝结。

用电镀法在表面涂一层贵金属，如金、铂、钯等效果很好，缺点是价格昂贵。

（2）冷却表面的粗糙化

粗糙表面可增加凝结液膜的湍流度，亦可强化凝结换热。

实验证明，当粗糙高度为0.5mm时，水蒸气的凝结换热系数可提高90%。

值得注意的是，当凝结液膜增厚到可将粗糙壁面淹没时，粗糙度对增强凝结换热不起作用。

有时当液膜流速较低时，粗糙壁面还会滞留液膜，对换热反而不利。

（3）采用扩展表面

在管外膜状凝结中常常采用低肋管，低肋管不但增加换热面积，而且由于冷凝流体的表面张力，肋片上形成的液膜较薄，因此其凝结换热系数可比光管高75%~100%。

应用螺旋槽管和管外加螺旋线圈。

螺旋槽管，管子内外壁均有螺纹槽，既可强化冷凝换热，又可强化冷却侧的单相对流换热，与光管相比其凝结强度可提高35~50%。

在管外加螺旋线圈，由于表面张力使凝结液流到金属螺旋线圈的底部而排出，上部及四周液膜变薄，从而凝结换热系数有时甚至可提高2倍。

2.管内凝结换热的强化

（1）扩展表面法

采用内肋管是强化管内凝结的最有效的方法，试验表明，其换热系数比光管高20~40%。

按光面计算则换热系数可高1~2倍。

（2）采用流体旋转法

采用螺旋槽管等流体旋转法可以强化凝结换热。

换热效率同比提升30%，但此时流动阻力也会增加。

（3）改变传热面形状

改变传热面形状的方法有多种，其中用于无相变强化传热的有横波纹管、螺旋螺纹管和缩放管，还有螺旋扁管和偏置折边翅片管。

都是高效换热元件。

值得注意的是，在强化凝结换热之前，应首先保证凝结过程的正常进行。

例如，排除不凝气体的影响，顺利地排除冷凝液等。

改变实践证明，在降低流体在壳程的阻力并保证流体在湍流状态下流动，这样才能充分的提高介质的换热系数，内翅片管、横螺纹管、螺旋螺纹管都一样，不但可用于单相对流传热，也可以有效的用于管内流动沸腾传热（螺纹管在湍流时可使对流传热系数增加一倍多）。

当然现在各式换热器的设计各有新颖之处，结构上各具特色。

原有的换热器厂家最近也研制出一种新型Hybrid换热器，他克服了板式因密封问题而受到限制的弱点，很有发展前途。

近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。

故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。

换热器的作用可以是以热量交换为目的。

在即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。

换热器的作用不同，其设计、选型、运行工况也各不相同。

对换热器的基本要求是换热器要满足换热要求，即达到需求的换热量和热媒温度;换热器的热损失要少，换热效率要高;流动阻力要小;要有足够的机械强度，抗腐蚀和抗损坏能力要强，维