【正文】 21/3/22 指導(dǎo)教師 完成任務(wù)日期 2021/4/22 學(xué)生簽名 周何清 Ⅱ 武漢科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 開(kāi)題報(bào)告 題目名稱(chēng) 浮頭式換熱器設(shè)計(jì) 系部 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 周何清 指導(dǎo)教師 輔導(dǎo)教師 開(kāi)題報(bào)告時(shí)間 2021 年 3 月 2021 年 4 月 Ⅱ 浮頭式換熱器設(shè)計(jì) 學(xué) 生： 周何清 武漢科技大學(xué) 指導(dǎo)教師： 武漢科技大學(xué) 一 、題目來(lái)源及其類(lèi)型 題目來(lái)源：生產(chǎn)實(shí)際 題目類(lèi)別：畢業(yè)設(shè)計(jì) 二 、研究目的和意義 換熱器是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn) 領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備 ， 隨著現(xiàn)代新工藝、 新技術(shù)、新材料的不斷開(kāi)發(fā)和能源問(wèn)題的日趨嚴(yán)重 ， 世界各國(guó)已普遍把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家熱回收率已達(dá) 96% 。 三 、閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱(chēng) [1] 史美中 ， 王中錚 .熱交換器原理與設(shè)計(jì) [M].北京：東南大學(xué)出版社 ， 1996 [2] 錢(qián)頌文 .換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2021 [3] 鄭津洋 ， 董其伍 ， 桑芝富 .過(guò)程裝備設(shè)計(jì) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2021 [4]王志魁 .化工原理 [M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2021 [5]賀衛(wèi)國(guó) .化工容器及設(shè)備簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2021 [6]王志文 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B”三類(lèi)換熱器進(jìn)行各種設(shè)計(jì)計(jì)算，列出二系列不同參數(shù)以供選擇，而且能自動(dòng)繪出換熱器的平面 布置 與管板布置圖，到 1978 年底己能提供全部 TEMA 標(biāo)準(zhǔn)投熱器的制造施工圖。高溫高壓換熱界的進(jìn)展 隨者工藝 的 進(jìn)展和大型化裝置的 出 現(xiàn)，大型高溫高壓換熱器的使用越來(lái)越多。 （ 4） ．大力開(kāi)展關(guān)于振動(dòng)的研究 自 60 年 代末，為了適應(yīng)大型化裝置的工藝要求，換熱器也隨之大型化。大型換熱 器 在高流速 下 尤其容易產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)位管子破裂，損壞設(shè)備的就礎(chǔ)與管路，同時(shí)產(chǎn)生噪音。 （ 5） ．發(fā)展強(qiáng)化傳熱管 傳熱管是管殼式換熱器的主要傳熱元件。我國(guó)也在煉油廠中使用螺紋管換熱器，只要使用條件恰當(dāng)，工藝流程合理，總傳熱系數(shù)就可以大大提高。飛。另一種方法是改良傳熱表面的性能，使之既符合傳熱機(jī)理的要求，又能充分發(fā)揮其特點(diǎn)，如美國(guó)聯(lián)合碳化公司研制成功的一種表面 多孔管，可以使汽抱核心的數(shù)量大幅度增加，從而使拂騰給熱系數(shù)提高十倍乃至幾十倍，總傳熱系數(shù)一般可提高五倍左右，并民還有很好的抗污垢能力。在換熱器制造中，由于欽具有很高的抗腐蝕性能、高的強(qiáng)度限和屈服限，且比重小、重量輕，又有一走的杭污塞性，因此西德 在 含氯溶液中采用 了欽制換熱器，在煉油廠中使用欽制冷卻器和冷凝器。此外還有石墨換熱器，一般使用壓力為 3 公斤／厘米 2，使用溫度為 150 ~ 170℃ 。在換熱器中采用有機(jī)涂層，能有效地防止海水腐蝕，且不易結(jié)垢（若是涂于冷凝側(cè)還可以變成滴狀冷凝從而強(qiáng)化傳熱）。熱管是六十年代中期在宇航工業(yè)中發(fā)展起來(lái)的新型傳熱元件，于七十年代進(jìn)入民用工業(yè)，由于它具有效率高、壓降小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊性好等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展較為迅速。國(guó)內(nèi)科學(xué) 院力學(xué)研究所、重慶大學(xué)等單位首先引進(jìn)和研究熱管技術(shù)。同時(shí)仍然注意基礎(chǔ)理論及測(cè)試方法的研究。核能是有前途能源，核電站的大型換熱器，要解決多項(xiàng)重大技術(shù)難關(guān) ，也是換熱器技術(shù)發(fā)展的尖端。美國(guó)制定了一項(xiàng)太陽(yáng)能發(fā)展計(jì)劃，預(yù)期到公元 2021 年要供給全國(guó)熱消耗的 20％以上。換熱器應(yīng)具有耐污垢、耐腐蝕、高效率、易清洗的性能。企業(yè)的熱利用率低的原因大多是低溫位熱能沒(méi)有很好地利用起來(lái)。板殼式換熱器由于從結(jié)構(gòu)上解決了耐溫、抗壓和高效之間的矛盾，因而在化學(xué)工業(yè)中很快得到推廣應(yīng)用。表面多孔管可以在非常小的溫差下產(chǎn)生很多的飽核，使汽化核心增加許多倍，但是制造工藝要求比較嚴(yán)格，且生產(chǎn)成本也高，這些都是今后有待解決的問(wèn)題。高效換熱設(shè)備的研究，使得傳熱表面形狀更加復(fù)雜，流體流動(dòng)更加不規(guī)律，因此需要更加先進(jìn)的測(cè)試手段。 在我國(guó)隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí) ， 各種不同型式和種類(lèi)的換熱器發(fā)展很快 ， 新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了節(jié)能將耗 ， 提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益 ， 要求開(kāi)發(fā)適用于不同工業(yè)過(guò)程要求的高效換熱設(shè)備。狹義的強(qiáng)化傳熱系數(shù)指提高流體和傳熱之間的傳熱 Ⅱ 系數(shù)。珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)可比通常的膜狀凝結(jié)高 5~10 倍 ， 由于水和有機(jī)液體能潤(rùn)濕大部分的金屬壁面 ，所以應(yīng)采用特殊的表面處理方法 （ 化學(xué)覆蓋法、聚合物涂層法和電鍍法等 ） ， 使冷凝液不能潤(rùn)濕壁面 ， 從而形成珠狀凝結(jié)。值得注意的是 ， 當(dāng)凝結(jié)液膜增厚到可將粗糙壁面淹沒(méi)時(shí) ， 粗糙度對(duì)增強(qiáng)凝結(jié)換熱不起作用。螺旋槽管 ， 管子內(nèi)外壁均有螺紋槽 ， 既可強(qiáng)化冷凝換熱 ， 又可強(qiáng)化冷卻側(cè)的單 相對(duì)流換熱 ， 與光管相比其凝結(jié)強(qiáng)度可提高 35~50%。 （ 2） 采用流體旋轉(zhuǎn)法 采用螺旋槽管等流體旋轉(zhuǎn)法可以強(qiáng)化凝結(jié)換熱。 值得注意的是 ， 在強(qiáng)化凝結(jié)換熱之前 ， 應(yīng)首先保證凝結(jié)過(guò)程的正常進(jìn)行。原有的換熱器 廠家最近也研制出一種新型Hybrid 換熱器 ， 他克服了板式因密封問(wèn)題而受到限制的弱點(diǎn) ， 很有發(fā)展前途。在即定的流體之間 ， 在一定時(shí)間內(nèi)交換一定數(shù)量的熱量；也可以是以回收熱量為目的 ， 用于余熱利用；也可以是以保證安全為目的 ， 即防止溫度升高而引起壓力升高 造成某些設(shè)備被破壞。流動(dòng)阻力要小 。經(jīng)濟(jì)上要合理 ， 設(shè)奮全壽命期的總投資要少 （ 總投資包括設(shè)備及附屬裝置初投資費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)管理費(fèi)用 ） 。 未來(lái) ， 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) Ⅱ 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?xún)r(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；逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用；大工程項(xiàng)目青睞大企業(yè)或企業(yè)集團(tuán)產(chǎn)品。以板代管制成的換熱器 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 ， 傳熱效果好 ， 因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。在此期間 ， 為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問(wèn)題 ， 人 們對(duì)新型材料制成的換熱器開(kāi)始注意。 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%?，F(xiàn)就幾種新型換熱器的特點(diǎn)簡(jiǎn)介如下： （ 1） 、氣動(dòng)噴涂翅片管換熱器 俄羅斯提出了一種先進(jìn)方法 ， 即氣動(dòng)噴涂法 ， 來(lái)提高翅片化表面的性能。為了評(píng)估翅片管換熱器元件進(jìn)行了試驗(yàn)研究。為了證實(shí)這一點(diǎn) ， 又對(duì)基部 （ 管子 ） 與表面 （ 翅片 ）的過(guò)渡區(qū)進(jìn)行了金相結(jié)構(gòu)分析。可以預(yù)計(jì) ， 氣動(dòng)噴涂法在緊湊高效換熱器的生產(chǎn)中 ， 將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。返混也能使平均溫差失真和縮小。雖然引進(jìn)了密封條和附加諸如偏轉(zhuǎn)折流板及采取其他措施來(lái)改進(jìn)換熱器的性能 ， 但普通折流板設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)依然存在。 螺旋折流板的設(shè)計(jì)原理很簡(jiǎn)單：將圓截面的特制板安裝在 “ 擬螺旋折流系統(tǒng) ” 中 ， 每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一 ， 其傾角朝向換熱器的軸線(xiàn) ， 即與換熱器軸線(xiàn)保持一傾斜度。此種設(shè)計(jì)具有很大的靈活性 ， 可針對(duì)不同操作條件 ， 選取最佳的螺旋角；可分別情況選用重疊折流板或是雙螺旋折流板結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡(jiǎn)單 ， 但有許多激動(dòng)人心的進(jìn)步 ， 它獲得了如下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益：改進(jìn)了傳熱 ， 減少了結(jié)垢 ， 真正的逆流 ， 降低了成本 ， 無(wú)振動(dòng) ，節(jié)省了空間 ， 無(wú)折流元件。 該換熱器嚴(yán)格按照 ASME 標(biāo)準(zhǔn)制造。 （ 4） 、非釬焊繞絲筋管螺旋管式換熱器 在管子上纏繞金屬絲作為筋條 （ 翅片 ） 的螺旋管式換熱器 ， 一般都是采用焊接方法將金屬絲固定在管子上。采用此法能促進(jìn)得到釬焊時(shí)的連續(xù)特性 （ 即將金屬絲可靠地固定在管子上 ， 而管子的截面又不過(guò)分壓緊 ） ， 故對(duì)于金屬絲僅用做隔斷時(shí) ， 可以認(rèn)為是較釬焊更受歡迎的方法。這樣 ， 非釬焊時(shí)的有效傳熱面要比釬焊時(shí)大。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件 ： SW61998 、 AutoCAD2021 、 管殼式換熱器工藝計(jì)算軟件 (THecal Ver )、 換熱器 工藝計(jì)算器 、 MS office 等軟件 工具書(shū) ：化工英漢詞典 、化工 設(shè)計(jì)手冊(cè) 、 GB 1501998 鋼制壓力容器、 GB 1511999管殼式換熱器 工作的主要階段、進(jìn)度與時(shí)間安排 預(yù)計(jì)用 4 周完成畢業(yè)論文 ， 具體時(shí)間安排如下： 第 1 周：選題及聯(lián)系導(dǎo)師 ， 確定畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)， 查找資料 ， 編寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告 ； 第 2 周：與老師商討 ， 確定開(kāi)題報(bào)告 根據(jù)論文題目進(jìn)一步查找材料完成論文大綱交老師批閱， 依據(jù)論文大綱完成論文一稿交老師批閱； 第 3 周：完成論文二稿交老師批閱 ，翻譯相關(guān)英文資料 完成論文三稿； 第 4 周：完成相關(guān)論文簡(jiǎn)介、答辯提綱等 ， 定稿打印。在化工工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。二維工程圖 由 autocad 繪出。 總的來(lái)說(shuō) 管殼式換熱器主要由換熱管束、殼體、管箱、分程隔板、支座等組成。管箱有橢圓封頭管箱、球形封頭管箱和平蓋管箱等。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束 ， 因此不會(huì)因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力。 首先 ， 通過(guò)換熱計(jì)算確定換熱面積與管子的根數(shù)初步選定結(jié)構(gòu)。 1 熱力計(jì)算 水進(jìn)口溫度： 2t? =144℃ 水出口溫度： 2t? =163℃ 水工作壓力： P2= 浮頭式換熱器的設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) (共 30 頁(yè) ) 油進(jìn)口溫度： 1t? =175℃ 油出口溫度： 1t? =155℃ 油工作壓力： P1= 殼體內(nèi)徑： DS=600mm 管箱內(nèi)徑： DN=620mm 換熱管規(guī)格： ?25 L=6000 定性溫度和物性參數(shù)計(jì)算 水的定性溫度： Cttt ????????? 1631442 222 （ 1） 水的密度： ρ 2=913kg/m3 水的比熱 ： Cp2=℃ 水的導(dǎo)熱系數(shù)： k2=℃ 水的粘度： μ 2= 106 水的柏朗特?cái)?shù)： Pr2= 油 （ 柴油 ） 的定性溫度： Cttt ????????? 1652 1551752 111 （ 2） 油的密度： ρ 1=715 kg/m3 油的比熱： Cp1= kJ/kg℃ 油的導(dǎo)熱系數(shù)： k1= W/m℃ 油的粘度： μ 1= 104 油的柏朗特?cái)?shù)： 41111 ?????? ?kCp ? （ 3） 初選結(jié)構(gòu) 管排列方式 ： 32 32正方形 管子外徑： d0= 管子內(nèi)徑： di=d0（ 2 3/1000） =（取 ） （ 4） 管長(zhǎng)： L=6m 熱力計(jì)算 第 3 頁(yè) (共 30 頁(yè) ) 管間距： s== =(取 ) （ 5） 殼體內(nèi)徑： Ds= 管束中心排管數(shù)： 由公式 sc DdNs ??? 04)1( （ 6） 得 Nc=（取 17） 總管子數(shù)：由 ct NN ? （ 7） 得 Nt=（取 239） 選型：采用 24 型即雙殼程四管程 。管程分程隔板采用丁字型結(jié)構(gòu) ， 其主要優(yōu)點(diǎn)是布管緊密。焊接固定時(shí) ， 要求管子可焊性好 ， 一般采用優(yōu)質(zhì)碳鋼 ， 以保證管子質(zhì)量 ， 一般對(duì)于無(wú)腐蝕性或腐蝕性不大的流體可采用 10 號(hào)鋼和 20 號(hào)鋼管 ， 在強(qiáng)腐蝕性流體的情況下 ， 可采用不銹鋼 （ rC1 18 iN 9 iT ） 、鋼、鋁等無(wú)縫管 ， 在強(qiáng)腐蝕性流體的情況下 ， 可采用石墨管、聚四氟乙烯管等?；镜呐帕蟹绞接形宸N： 等邊三角形。三角形的一邊與流向平 行 ， 其特點(diǎn)介于等邊三角行和正方形兩種排列之間 ，不宜用于臥式冷凝器 ， 因下方管子形成的厚度越來(lái)越厚的凝膜會(huì)使傳熱削弱； 正方形排列最不緊湊 ， 但便于機(jī)械清掃 ， 常用于殼程介質(zhì)易生污的浮頭式換熱器； 浮頭式換熱器的設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) (共 30 頁(yè) ) 同心圓排列。布管位置如圖 2