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，维护工作量要少;结构要合理，工作要安全可靠，即零部件之间因为温升而产生的热应力不会导致换热器破裂;要便于制造、安装和检修;经济上要合理，设奋全寿命期的总投资要少（总投资包括设备及附属装置初投资费用和运行维护管理费用）;生活热水系统的换热器应易于清除水垢，以上要求常常相互制约，难于同时满定，因此应视具体情况，在换热器的选型和设计中有所侧重，满足工程对换热器的主要要求。
因为换热器故障率较低，并且供暖为季节性负荷，有足够的检修时间，生活热水系统暂停供热也不会造成重大影响，所以可不设备用换热器。
换热器台数的选择和单台能力的确定应适应热负荷的分期增长，并考虑供热的可靠性。
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；逐渐注意品牌产品的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。
国内经济发展带来的良好机遇，以及进口产品巨大的可转化性共同预示着我国换热器行业良好的发展前景。
同时，行业发展必须要注重高端产品的研发。
2、国外换热器发展前景
在国外二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。
以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。
30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。
接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。
30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。
在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。
60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。
此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展，这一类换热器不但是从材料上有了较大的突破，而且采用新颖的理念，增加强化传热。
70年代中期，为了进一步减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，人们更是采用各种科学的办法来增强换热器内的传热。
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。
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：
一、气动喷涂翅片管换热器
俄罗斯提出了一种先进方法，即气动喷涂法，来提高翅片化表面的性能。
其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。
用该方法不仅可喷涂金属还能喷涂合金和陶瓷（金属陶瓷混合物），从而得到各种不同性能的表面。
通常在实践中翅片底面的接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。
为了评估翅片管换热器元件进行了试验研究。
试验是采用在翅片表面喷涂ac－铝，并添加了24a白色电炉氧化铝。
将试验所得数据加以整理，便可评估翅片底面的接触阻力。
将研究的翅片的效率与计算数据进行比较，得出的结论是：
气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。
为了证实这一点，又对基部（管子）与表面（翅片）的过渡区进行了金相结构分析。
对过渡区试片的分析表明，连接边界的整个长度上无不严密性的微裂纹。
所以，气动喷涂法促进表面与基本相互作用的分支边界的形成，能促进粉末粒子向基体的渗透，这就说明了附着强度高，有物理接触和金属链形成。
因而气动喷涂法不但可用于成型，还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上，也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。
可以预计，气动喷涂法在紧凑高效换热器的生产中，将会得到广泛应用。
二、螺旋折流板换热器
在管壳式换热器中，壳程通常是一个薄弱环节。
通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系统（z字形流道），这样会导致较大的死角和相对高的返混。
而这些死角又能造成壳程结垢加剧，对传热效率不利。
返混也能使平均温差失真和缩小。
其后果是，与活塞流相比，弓形折流板会降低净传热。
优越弓形折流板管壳式换热器很难满足高热效率的要求，故常为其他型式的换热器所取代（如紧凑型板式换热器）。
对普通折流板几何形状的改进，是发展壳程的第一步。
虽然引进了密封条和附加诸如偏转折流板及采取其他措施来改进换热器的性能，但普通折流板设计的主要缺点依然存在。
为此，美国提出了一种新方案，即建议采用螺旋状折流板。
这种设计的先进性已为流体动力学研究和传热试验结果所证实，此设计已获得专利权。
此种结构克服了普通折流板的主要缺点。
螺旋折流板的设计原理很简单：
将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统”中，每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一，其倾角朝向换热器的轴线，即与换热器轴线保持一倾斜度。
相邻折流板的周边相接，与外圆处成连续螺旋状。
折流板的轴向重叠，如欲缩小支持管子的跨度，也可得到双螺旋设计。
螺旋折流板结构可满足相对宽的工艺条件。
此种设计具有很大的灵活性，可针对不同操作条件，选取最佳的螺旋角；可分别情况选用重叠折流板或是双螺旋折流板结构。
三、新型麻花管换热器
Alares公司开发了一种扁管换热器，通常称为麻花管换热器。
美国休斯顿的布朗公司做了改进。
螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。
改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单，但有许多激动人心的进步，它获得了如下的技术经济效益：
改进了传热，减少了结垢，真正的逆流，降低了成本，无振动，节省了空间，无折流元件。
由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动，促进了湍流程度。
该换热器总传热系数较常规换热器高40%，而压力降几乎相等。
组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。
该换热器严格按照ASME标准制造。
凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代。
它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值。
估计在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景。
四、非钎焊绕丝筋管螺旋管式换热器
在管子上缠绕金属丝作为筋条（翅片）的螺旋管式换热器，一般都是采用焊接方法将金属丝固定在管子上。
但这种方法对整个设备的质量有一系列的影响，因为钎焊法必将从换热中“扣除”很大一部分管子和金属丝的表面。
更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎会造成机器和设备堵塞，随之提前报损。
俄罗斯推荐一种新方法制造绕丝筋管，即借助在管子上缠绕和拉紧金属丝时产生的机械接触来固定筋条。
采用此法能促进得到钎焊时的连续特性（即将金属丝可靠地固定在管子上，而管子的截面又不过分压紧），故对于金属丝仅用做隔断时，可以认为是较钎焊更受欢迎的方法。
但若利用金属丝作为筋条（翅片）以增加换热面积时，只有当非钎焊筋条的有效传热面不小于钎焊连接时，才应更偏重于此方法。
试验表明，当金属丝与管子为线性接触时，有效传热面最大，但此时金属丝会沿管子滑动。
所以关键是要选取最佳的接触宽度，也就是绕丝时管子变形留下的痕迹的宽度。
这样，非钎焊时的有效传热面要比钎焊时大。
该换热器推荐用于氦技术和冷却工艺。
五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路
1、毕业设计应完成的主要内容
（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
2、毕业设计的目标及具体要求
换热器的三维图
工程图：
总装配图，部件装备图各一张；零件图3张
3、需重点研究的关键问题及解决思路
关键问题：
换热器总体设计计算及工程图的设计绘制；
解决思路：
借助相关的换热器设计手册及计算机辅助设计软件进行设计计算及绘图
六、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件（如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等）及解决的办法
为完成本毕业设计，将运用在校学习的工程制图，力学，材料学，过程装备设计及计算机等相关知识，结合在生产实习等实践教学中，学习的换热器及零部件的加工制造和装配知识，以及学习的有关换热器的设计知识，通过对各种技术资料的收集调研，分析计算，设计绘图的实践，学习掌握由原理方案的设想，转化为结构的设计思路及设计方法。
熟练掌握各方面的知识。
计算机辅助设计软件：
SW6-1998v6.0、AutoCAD2004、Solidworks、ANSYS、MSoffice等软件
工具书：
化工英汉词典、化工设计手册
GB150-1998钢制压力容器、GB151-1999管壳式换热器
七、工作的主要阶段、进度与时间安排
预计用20周完成毕业论文，具体时间安排如下：
第1周：
选题及联系导师，确定毕业设计任务书；
第2周：
查找资料，编写开题报告及英文翻译；
第3周：
与老师商讨，确定开题报告；
第4周：
根据论文题目进一步查找材料；
第5周：
完成论文大纲交老师批阅；
第6—11周：
依据论文大纲完成论文一稿交老师批阅；
第12—13周：
完成论文二稿交老师批阅；
第14—15周：
翻译相关英文资料；
第16—17周：
完成论文三稿；
第18—19周：
完成相关论文简介、答辩提纲等；
第20周：
定稿打印。
八、指导教师审查意见
-Ⅱ-
浮头式换热器的设计
中文摘要
学 生：
长江大学工程技术学院
指导老师：
长江大学机械工程学院
[摘要]本次设计的题目为浮头式换热器。
浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。
浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗。
在化工工业中应用非常广泛。
本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求，在结构的选取上，采用了2-4型，即壳侧两程，管侧四程。
首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构。
然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，之后对有些部件有限元软件ANSYS进行了强度校核并对结构进行了优化，最后提出一些制造与安装方面的问题。
三维实体以及二维工程图均用solidworks绘出。
[关键词]换热器；浮头；管壳
Designoffloatingheadheatexchanger
英文摘要
Student：
HonglinDing，YangtzeUniversityCollegeOfTechnology&Engineering
GuideTeacher：
ZhihongZhou，YangtzeUniversitySchoolOfMechanicalEngineering
[Abstract]：
Thetopicofmystudyisthedesignoffloatingheadheatexchanger.Thefloatingheadheatexchangerisaspecialtypeoftubeandshellheatexchanger.Itisspecialforitsfloatinghead.Oneofitstubesheetisfixed，whileanothercanfloatintheshell，socalledfloatinghead.Asthetubescanexpandwithouttherestrictionoftheshell，itcanavoidthermalstress.Anotheradvantageisthatitcanbedismantledandcleaneasily.Itiswidelyusedinchemicalindustry.In
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