【正文】 Ⅱ 武漢科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 開題報告 題目名稱 浮頭式換熱器設(shè)計 系部 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 周何清 指導(dǎo)教師 輔導(dǎo)教師 開題報告時間 2021 年 3 月 2021 年 4 月 Ⅱ 浮頭式換熱器設(shè)計 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 、題目來源及其類型 題目來源：生產(chǎn)實(shí)際 題目類別：畢業(yè)設(shè)計 二 、研究目的和意義 換熱器是國民經(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)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴(yán)重 ， 世界各國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。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家熱回收率已達(dá) 96% 。其余 30% 為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管熱泵和蓄熱器等設(shè)備 ， 其中板式、螺 旋板式、板翅式以及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。 三 、閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱 [1] 史美中 ， 王中錚 .熱交換器原理與設(shè)計 [M].北京：東南大學(xué)出版社 ， 1996 [2] 錢頌文 .換熱器設(shè)計手冊 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2021 [3] 鄭津洋 ， 董其伍 ， 桑芝富 .過程裝備設(shè)計 [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 .化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計手冊 [M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2021 [6]王志文 .化工容器設(shè)計 [M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社 ， 1990 [7]賀匡國 .壓力容器分析設(shè)計基礎(chǔ) [M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 1995 Ⅱ [8]潘家禎 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標(biāo)準(zhǔn)中的所有“ R” 、“ C”、“ B”三類換熱器進(jìn)行各種設(shè)計計算，列出二系列不同參數(shù)以供選擇，而且能自動繪出換熱器的平面 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。 5500 編制了換熱器的機(jī)械設(shè)計程序；蘇聯(lián)也有 CAHTA 自動設(shè)計系統(tǒng)； 日本 HEADS 自動設(shè)計系統(tǒng)是由三菱工程及造船有限公司研制的，使用該系統(tǒng)，僅僅輸入最少的數(shù)據(jù)，就能迅速地得到機(jī)械的沒計圖表及圖紙，該系統(tǒng)除適用于日本的 JIS8234 壓力容器結(jié)構(gòu)及 (日 本 )高壓氣體控制法規(guī)外，還適用干 ASME 規(guī)范第Ⅷ篇 第 — 分 篇 以及 TEMA 的“ R”、“ B”、“ C” 類 ；此外日本 神 戶制鋼的 HEXAPACKS 自 動設(shè)計繪圖系統(tǒng)以及 用 于換熱 器動 特模擬 的 三 菱 HEDDY 數(shù)字模擬系統(tǒng)等 也 已推 行 于世。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越多。近年來，高溫高壓換熱器 在 結(jié)構(gòu)、材料和制造方面都有一 些進(jìn)展，管箱和密封結(jié)構(gòu)均有一些 改進(jìn)，管 的進(jìn) 口區(qū)的熱防護(hù)獲得一些改善。 （ 4） ．大力開展關(guān)于振動的研究 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。 在 大型化過程中所遇到的一個復(fù)雜問題就是 管 束的振動。大型換熱 器 在高流速 下 尤其容易產(chǎn)生振動，振動位管子破裂，損壞設(shè)備的就礎(chǔ)與管路，同時產(chǎn)生噪音。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上 也采用 了一些防振措施，例如菲利普斯石油公司設(shè)計了一種沒有普通折流板的管殼式換熱器，采用 一 組 柵格式緊固控置代缽折梳板，管 Ⅱ 束被井個型的柵格條緊緊固定，柵格條同管于外壁之間水留間隙。 （ 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。強(qiáng)化傳熱管的方法主要有兩種：一種是盡量擴(kuò)大它的有效傳熱面積，但又不過分增大流阻，例如將管子的內(nèi)、外表面軋制成各種不同 的表面形狀，促進(jìn)流體產(chǎn)生湍流提高傳熱性能，如翅片管、螺紋管等。我國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。／米”飛。小時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。新的強(qiáng)化傳熱管還有單面縱槽管、雙面縱槽管、周向波紋管、螺旋波紋管等。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。滲鋁管換熱器及鍍鋅鋼管換熱器的使用也日益增多。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℃ 。通過 對污垢形成的機(jī)理、生長速度、影響因素的研究，預(yù)測污垢曲線，從而為控制結(jié)垢、適時清洗提供了途徑和依據(jù)。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）。這樣就能保證換熱器高效率、低消 耗、長周期的運(yùn)行。熱管是六十年代中期在宇航工業(yè)中發(fā)展起來的新型傳熱元件，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)簡單、緊湊性好等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展較為迅速。 1979 年美國卡特拉斯堡煉油廠的重整加熱爐上使用了熱量為 80 萬千卡／小時的熱管換熱器閉。國內(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)。一些煉油廠開始采用熱管換熱器來回收煙氣中的低溫余熱提高了熱效率，取得了較好的應(yīng)用效果。同時仍然注意基礎(chǔ)理論及測試方法的研究。盡 Ⅱ 管能源的供應(yīng)前景仍不樂觀，但是工業(yè)和民用的需求卻在日益增長，這是世界范圍內(nèi)極需解決的問題。核能是有前途能源，核電站的大型換熱器，要解決多項重大技術(shù)難關(guān) ，也是換熱器技術(shù)發(fā)展的尖端。太陽能的利用盡管受到地理、氣候、晝夜、 季節(jié)的限制，但它不影響地球大氣的熱量平衡，而且不消耗燃料，沒有污染，很有開發(fā)價值。美國制定了一項太陽能發(fā)展計劃，預(yù)期到公元 2021 年要供給全國熱消耗的 20％以上。地?zé)嵋彩且环N豐富的能源，但是大都溫度不高（低于 100t)， 用這種資源豐富、低焙的熱能來發(fā)電在國內(nèi)外都是新課題。換熱器應(yīng)具有耐污垢、耐腐蝕、高效率、易清洗的性能。 （ 2） ．余熱回收裝置的研究 工業(yè)余熱的利用潛力很大，對生產(chǎn)影響顯著，主要是： 1000℃左右的高溫?zé)崃考捌涓邏耗芰康暮侠砝茫@是石油化學(xué)工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。企業(yè)的熱利用率低的原因大多是低溫位熱能沒有很好地利用起來。 （ 3） ．緊湊式換熱器的研究 緊湊式換熱器包括板翅、板式、板殼式等換熱器，它們具有優(yōu)異的性能，在采用多流道布置后，其優(yōu)越性更為顯著。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。 （ 4） ．強(qiáng)化傳熱管的研究 近年來國內(nèi)外在采用強(qiáng)化傳熱管改進(jìn)換熱器性能、提高傳熱效率、減少傳熱面積、 Ⅱ 降低設(shè)備投資等方面，取得了顯著的成績。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題。例如小溫差傳熱的強(qiáng)化是解決低位新能源開發(fā)的關(guān)鍵；污垢和防蝕的 研究對換熱器的設(shè)計、運(yùn)行有重大的影響；有相變傳熱的研究關(guān)系到能量的轉(zhuǎn)換及傳質(zhì)技術(shù)。高效換熱設(shè)備的研究，使得傳熱表面形狀更加復(fù)雜，流體流動更加不規(guī)律，因此需要更加先進(jìn)的測試手段。 國 內(nèi) 換熱器發(fā)展前景 在我國換熱器的制造技術(shù)遠(yuǎn)落后于外國 ， 由于制造工藝和科學(xué)水平的限制 ， 早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu) ， 而且傳熱面積小、體積大和笨重 ， 如蛇管式換熱 器等。 在我國隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時 ， 各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快 ， 新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。完善的換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下基本要求： （ 1） 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； （ 2） 結(jié)構(gòu)安全可靠； （ 3） 便于制造、安裝、操作和維修； （ 4） 經(jīng)濟(jì)上合理。為了節(jié)能將耗 ， 提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益 ， 要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效換熱設(shè)備。當(dāng)今換熱器技術(shù)的發(fā)展以 CFD（ 計算流體力學(xué)技術(shù) ） 、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)等形成一個高技術(shù)體系。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)。 因此最近十幾年來 ， 強(qiáng)化傳熱技術(shù)受到了工業(yè)界的廣泛重視 ， 得到了十分迅速的發(fā)展 ， 凝結(jié)是工業(yè)中普 遍遇到的另一種相變換熱過程 ， 凝結(jié)換熱系數(shù)很高 ， 但經(jīng)過強(qiáng)化措施還可以進(jìn)一步提升換熱效率。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 ） ， 使冷凝液不能潤濕壁面 ， 從而形成珠狀凝結(jié)。 （ 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(qiáng)化凝結(jié)換熱。值得注意的是 ， 當(dāng)凝結(jié)液膜增厚到可將粗糙壁面淹沒時 ， 粗糙度對增強(qiáng)凝結(jié)換熱不起作用。 （ 3） 采用擴(kuò)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%。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 相對流換熱 ， 與光管相比其凝結(jié)強(qiáng)度可提高 35~50%。 2. 管內(nèi)凝結(jié)換熱的強(qiáng)化 （ 1） 擴(kuò)展表面法 采用內(nèi)肋管是強(qiáng)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%。 （ 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。 （ 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(qiáng)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。 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)過程的正常進(jìn)行。改變實(shí)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 ） 。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(diǎn) ， 很有發(fā)展前途。故我們在選擇換熱設(shè)備時一定要根據(jù)不同的工藝、工況要求選擇。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(shè)備被破壞。對換熱器的基本要求是換熱器要滿足換熱要求 ， 即達(dá)到需求的換熱量和熱媒溫度 。流動阻力要小 。結(jié)構(gòu)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(yīng)力不會導(dǎo)致?lián)Q熱器破裂 。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 ） 。因為換熱器故障率較低 ， 并且供暖為季節(jié)性負(fù)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(shè)備用換熱器。 未來 ， 國內(nèi)市場需求將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：對產(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)品性價比提高；對產(chǎn)品的個性化、多樣化的需求趨勢強(qiáng)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(tuán)產(chǎn)品。同時 ， 行業(yè)發(fā)展必須要注重高端產(chǎn)品的研發(fā)。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。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其