【正文】 按照設計要求 ， 在結(jié)構(gòu)的選取上 ， 為了增大溫差校正系數(shù) ， 采用了 24 型 ， 即殼側(cè)兩程管側(cè)四程。浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于方便拆卸 ， 清洗方便 ， 對于管子和殼體間溫差大、殼程介質(zhì)腐蝕 性強、易結(jié)垢的情況很能適應。 針對固定管板式與 U型管式的缺陷 ， 浮頭式作了結(jié)構(gòu)上的改進 ， 兩端管板只有一端與外殼固定死 ， 另一端可相對殼體滑移 ， 稱為浮頭。分程隔板可將管程及殼程介質(zhì)分成多程 ， 以滿足工藝需要 。殼體一般為圓筒形 ， 也可為方形。換熱管束包括換熱管、管板、折流板、支持板、拉桿、定距管等。 因此出現(xiàn)了 TEMA、 API660、 JISB8249 等一批管殼式換熱器標準 ， ISO 目前也正在與 API 聯(lián)手并會同有關(guān)國家編 ISO 管殼式換熱器標準。 Engineering Guide Teacher： Zhihong Zhou， Yangtze University School Of Mechanical Engineering [Abstract]： The topic of my study is the design of floating head heat exchanger. The floating head heat exchanger is a special type of tube and shell heat exchanger. It is special for its floating head. One of its tube sheet is fixed， while another can float in the shell， so called floating head. As the tubes can expand without the restriction of the shell， it can avoid thermal stress. Another advantage is that it can be dismantled and clean easily . It is widely used in chemical industry. In this study an overall design of the floating head heat exchanger is carried out .According to the demand the type 24 is chosen to be the basic type， which has two segment in shell and four segment in tubes. First， heat transfer is calculated to determine the heat exchange surface area and the number of tubes that needed. Then， according to the request and standards， structural of system is well designed. After that， the finite element analysis of the shell is pleted employing ANSYS software and optimal design result is given. Finally， some manufacture and installation issues are related. The 3D and 2D drawings are done using solidworks. [Key words]： heat exchanger； floating head； tube and shell 前言 第 1 頁 (共 30 頁 ) 浮頭式換熱器的設計 1 前言 前言 浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種 ， 管殼式換熱器以其對溫度、壓力、介質(zhì)的適應性 ， 耐用性及經(jīng)濟性 ， 在換熱設備中 始終占有約 70%的主導地位。三維實體以及二維工程圖均用 solidworks 繪出。 首先 ， 通過換熱計算確定換熱面積與管子的根數(shù)初步選定結(jié)構(gòu)。在化工工業(yè)中應用非常廣泛。 浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種 ， 它的特點是 兩 端管板只有一端與外殼固定死 ， 另一端可相對殼體滑移 ， 稱為浮頭。 計算機輔助設計軟件： SW61998 、 AutoCAD2021 、 Solidworks 、 ANSYS、 MS office 等軟件 工具書： 化工英漢詞典 、化工 設計手冊 GB 1501998 鋼制壓力容器、 GB 1511999 管殼式換熱器 七 、工作的主要階段、進度與時間安排 預計用 20 周完成畢業(yè)論文 ， 具體時間安排如下： 第 1 周：選題及聯(lián)系導師 ， 確定畢業(yè)設計任務書； 第 2 周：查找資料 ， 編寫開題報告及英文翻譯； 第 3 周：與老師商討 ， 確定開題報告； 第 4 周 ： 根據(jù)論文題目進一步查找材料 ； 第 5 周：完成論文大綱交老師批閱； 第 6— 11 周：依據(jù)論文大綱完成論文一稿交老師批閱； 第 12— 13 周：完成論文二稿交老師批閱； 第 14— 15 周：翻譯相關(guān)英文資料； 第 16— 17 周：完成論文三稿； 第 18— 19 周：完成相關(guān)論文簡介、答辯提綱等； 第 20 周：定稿打印。 五 、主要研究內(nèi)容、需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路 畢業(yè)設計應完成的主要內(nèi)容 （ 1） 換熱器的發(fā)展概況 （ 2） 總體參數(shù)設計計算 （ 3） 傳熱學計算 （ 4） 有限元分析 （ 5） 結(jié)構(gòu)的三維設計 （ 6） 換熱器的工程圖設計 畢業(yè)設計的目標及具體要求 換熱器的三維圖 工程圖：總裝配圖 ， 部件裝備圖各一張 ； 零件圖 3 張 需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路 關(guān)鍵問題：換熱器總體設計計算及工程圖的設計繪制； 解 決思路：借助相關(guān)的換熱器設計手冊及計算機輔助設計軟件進行設計計算及繪圖 六 、完成畢業(yè)設計 （ 論文 ） 所必須具備的工作條件 （ 如工具書、計算機輔助設計、某類市場調(diào)研、實驗設備和實驗環(huán)境條件等 ） 及解決的辦法 為完成本畢業(yè)設計 ， 將運用在校學習的工程制圖 ， 力學 ， 材料學 ， 過程裝備設計及計算機等相關(guān)知識 ， 結(jié)合在生產(chǎn)實習等實踐教學中 ， 學習的換熱器及零部件的加工制造和裝配知識 ， 以及學習的有關(guān)換熱器的設計知識 ， 通過對各種技術(shù)資料的收集調(diào)研 ， 分 析計算 ， 設計繪圖的實踐 ， 學習掌握由原理方案的設想 ， 轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的 設計思 Ⅱ 路及設計方法。這樣 ， 非釬焊時的有效傳熱面要比釬焊時大。 試驗表明 ， 當金屬絲與管子為線性接觸時 ， 有效傳熱面最大 ， 但此時金屬絲會沿管子滑動。采用此法能促進得到釬焊時的連續(xù)特性 （ 即將金屬絲可靠地 Ⅱ 固定在管子上 ， 而管子的截面又不過分壓緊 ） ， 故對于金屬絲僅用做隔斷時 ， 可以認為是較釬焊更受歡迎的方法。更重要的是 ， 由于焊料迅速老化和 破碎會造成機器和設備堵塞 ， 隨之提前報損。 四、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。它能獲得普通管殼式換熱器和板框式傳熱設備所獲得的最佳值。 該換熱器嚴格按照 ASME 標準制造。該換熱器總傳熱系數(shù)較常規(guī)換熱器高 40%， 而壓 力降幾乎相等。改進后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡單 ， 但有許多激動人心的進步 ， 它獲得了如下的技術(shù)經(jīng)濟效益：改進了傳熱 ， 減少了結(jié)垢 ， 真正的逆流 ， 降低了成本 ， 無振動 ，節(jié)省了空間 ， 無折流元件。美國休斯頓的布朗公司做了改進。此種設計具有很大的靈活性 ， 可針對不同操作條件 ， 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)。折流板的軸向重疊 ， 如欲縮小支持管子的跨度 ， 也可得到雙螺旋設計。 螺旋折流板的設計原理很簡單：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 ， 即與換熱器軸線保持一傾斜度。這種設計的先進性已為流體動力學研究和傳熱試驗結(jié)果所證實 ， 此設計已獲得專利權(quán)。雖然引進了密封條和附加諸如偏轉(zhuǎn)折流板及采取其他措施來改進換熱器的性能 ， 但普通折流板設計的主要缺點依然存在。優(yōu)越弓形折流板管殼式換熱器很難滿足高熱效率的要求 ， 故常為其他型式的換熱器所取代 （ 如緊湊型板式換熱器 ） 。返混也能使平均溫差失真和縮小。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系統(tǒng) （ z 字形流道 ） ， 這樣會導致較大的死角和相對高的返混?？梢灶A計 ， 氣動噴涂法在緊湊高效換熱器的生產(chǎn)中 ， 將會得到廣泛應用。所以 ，氣動噴涂法促進表面與基本相互作用的分支邊界的形成 ， 能促進粉末粒子向基體的滲透 ， 這就說明了附著強度高 ， 有物理接觸和金屬鏈形成。為 了證實這一點 ， 又對基部 （ 管子 ） 與表面 （ 翅片 ）的過渡區(qū)進行了金相結(jié)構(gòu)分析。將試驗所得數(shù)據(jù)加以整理 ， 便可評估翅片底面的接觸阻力。為了評估翅片管換熱器元件進行了試驗研究。用該方法不僅可噴涂金屬還能噴涂合金和陶瓷 （ 金屬陶瓷混合物 ） ， 從而得到各種不同性能的表面?，F(xiàn)就幾種新型換熱器的特點簡介如下： 一、氣動噴涂翅片管換熱器 俄羅斯提出了一種先進方法 ， 即氣動噴 涂法 ， 來提高翅片化表面的性能。隨著動力、石油化工工業(yè)的發(fā)展 ， 其設備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。 對國外換熱器市場的調(diào)查表明 ， 管殼式換熱器占 64%。此外 ， 自60 年代開始 ， 為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要 ， 典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展 ， 這一類換熱器不但是從材料上有了較大的突破 ， 而且采用新穎的理念 ， 增加強化傳熱。在此期間 ， 為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題 ， 人們對新型材料制成的換熱器開始注意。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器 ， 用 于飛機發(fā)動機的散熱。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。同時 ， 行業(yè)發(fā)展必須要注重高端產(chǎn)品的研發(fā)。 未來 ， 國內(nèi)市場需求將呈現(xiàn)以下特點：對產(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；要求產(chǎn)品性價比提高；對產(chǎn)品的個性化、多樣化的需求趨勢強烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用；大工程項目青睞大企業(yè)或企業(yè)集團產(chǎn)品。因為換熱器故障率較低 ， 并且供暖為季節(jié)性負荷 ， 有足夠的檢修時間 ， 生活熱水系統(tǒng)暫停供熱也不會造成重大影響 ， 所以可不設備用換熱器。經(jīng)濟上要合理 ， 設奮全壽命期的總投資 要少 （ 總投資包括設備及附屬裝置初投資費用和運行維護管理費用 ） 。結(jié)構(gòu) Ⅱ 要合理 ， 工作要安全可靠 ， 即零部件之間因為溫升而產(chǎn)生的熱應力不會導致?lián)Q熱器破裂 。流動阻力要小 。對換熱器的基本要求是換熱器要滿足換熱要求 ， 即達到需求的換熱量和熱媒溫度 。在即定的流體之間 ， 在一定 時間內(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備被破壞。故我們在選擇換熱設備時一定要根據(jù)不同的工藝、工況要求選擇。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題而受到限制的弱點 ， 很有發(fā)展前途。改變實踐證明 ， 在降低流體在殼程的阻力并保證流體在湍流狀態(tài)下流動 ， 這樣才能充分的提高介質(zhì)的換熱系數(shù) ， 內(nèi)翅片管、橫螺紋管、螺旋螺紋管都一樣 ， 不但可用于單相對流傳熱 ， 也可以有效的用于管內(nèi)流動 沸騰傳熱 （ 螺紋管在湍流時可使對流傳熱系數(shù)增加一倍多 ） 。 值得注意的是 ， 在強化凝結(jié)換熱之前 ， 應首先保證凝結(jié)過程的正常進行。 （ 3） 改變傳熱面形狀 改變傳熱面形狀的方法有多種 ， 其中用于無相變強化傳熱的有橫波紋管、螺旋螺紋管和縮放管 ， 還有螺旋扁管和偏置折邊翅片管。 （ 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 化凝結(jié)換熱。 2. 管內(nèi)凝結(jié)換熱的強化 （ 1） 擴展表面法 采用內(nèi)肋管是強化管內(nèi)凝結(jié)的最有效的方法 ， 試驗表明 ， 其換熱系數(shù)比光管高20~40%。螺旋槽管 ， 管子內(nèi)外壁均有螺紋槽 ， 既可強化 Ⅱ 冷凝換熱 ， 又可強化冷卻側(cè)的單相對流換熱 ， 與光管相比其凝結(jié)強度可提高 35~50%。 （ 3） 采用擴展表面 在管外膜狀凝結(jié)中常常采用低肋管 ， 低肋管不但增加換熱面積 ， 而且由于冷凝流體的表面張力 ， 肋片上形成的液膜較薄 ， 因此其凝結(jié)換熱系數(shù)可比光管 高 75%~100%。值得注意的是 ， 當凝結(jié)液膜增厚到可將粗糙壁面淹沒時 ， 粗糙度對增強凝結(jié)換熱不起作用。 （ 2） 冷卻表面的粗糙化 粗糙表面可增加凝結(jié)液膜的湍流度 ， 亦可強化凝結(jié)換熱。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 ， 由于水和有機液體能潤濕大部分的金屬壁面 ，所以應采用特殊的表面處理方法 （ 化學覆蓋法、聚合物涂層法和電鍍法等 ） ， 使冷凝液不能潤濕壁面