固定管板式换热器开题报告

武汉生物工程学院毕业论文(设计)开题报告题目名称固定管板式换热器的设计题目类别毕业设计系别化学与环境工程系专业班级09054202学生姓名王康指导教师毛会玉/讲师开题报告日期2012年10月21日研究现状：换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门[1]。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一[2]。换热器在节能技术改革中具有的作用表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器的效率显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著提高设备的热效率[3]。化工生产离不开化工设备，化工设备是化工生产中必不可少的物质技术基础，是生产力的主要因素，是化工产品质量保证体系的重要组成部分[4]。我国板式换热器的研究、设计、制造，开始于六十年代。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一[5]。1965年，兰州石油化工机器厂根据一些资料设计、制造了单板换热器面积为0.52m2的水平平直波纹板片的板式换热器，这是我国首家生产的板式换热器，供造纸厂、维尼纶厂等使用。八十年代初期，该厂又引进了W.Schmidt公司的板式换热器制造技术，增加了板式换热器的品种。随着换热器广泛应用于各行各业，诞生了许多新型的换热器，这使得换热器相关技术也得到不断提高，传热理论不断完善，换热器研究、设计、技术、制造等技术不断发展，换热技术的发展同时又促进了各种新型高效换热器的不断发展[6]。兰州石油机械研究所，清华大学，河北工学院，天津大学等多家大学以及科研机构对板式的换热器进行过理论以及实验的研究并且取得了一系列的成果，进入二十一世纪以来，我国的板式换热器研究取得了长足的进步，在借鉴国外先进经验的同时，也逐渐形成了自己的一套设计开发模式，与世界领先技术的差距进一步缩小。我国板式换热器的制造厂家有四五十家、年产各种板式换热器数千台计，但是我国的板式换热器的应用远不及国外，这与人们对板式换热器的了解程度、使用习惯以及国内产品的水平有关。七十年代，板式换热器主要应用于食品、轻工、机械等部门；八十年代也仅仅是应用到民用建筑的集中供热；八十年代中期开始，在化工工艺流程中较苛刻的场合也出现了板式换热器的身影。由于人们对板式换热器工作原理、热力计算、校验等不熟悉的原因，使得板式换热器在开发到应用的时间跨度上，花费了较多的时间。国内各研究机构和各类院校研究不断推陈出新，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管，螺旋槽管，波纹管，纵横管等；天津大学在流路分析法，振动等方面研究成果显著；清华大学在板面传热方面有深入的研究，西安交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果；重庆建工学院开发出翅管换热器；在液压胀管方面，江苏化工学院开发出液压胀管器等。西安交大，兰州五院，宁夏化工厂合作开发出螺旋绕管式换热器，这些技术成果为国民经济的快速发展，为中国炼油，化工工业的发展起到了决定作用，也是中国的传热技术水平步入国际先进水平。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时会存在两种以上流体参见换热的换热器，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们在上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思维与新结构的涌现换热器将朝着更高效、经济、环保的方向发展[7]。换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。研究目的和意义：1研究目的本课题主要研究的是固定管板式换热器，查阅换热器的相关标准，分析固定管板式换热器各部分性能影响，并进行了换热器的热工计算、结构计算和强度计算[8]。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[9]。在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置[10]。换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性，因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流无形的模拟。两相流的无形基础来源于实验室实际工况的模拟。实验室模拟实际工况很复杂，为此，要求物性模拟在试验手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更精确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500℃）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。2研究意义通过本次课程设计，培养学生多方位、综合地分析考察工程问题并独立解决工程实际问题的能力。主要体现在以下几个方面：（1）资料、文献、数据的查阅、收集、整理和分析能力。要科学、合理、有创新地完成一项工程设计，往往需要各种数据和相关资料。因此，资料、文献和数据的查找、收集是工程设计必不可少的基础工作。（2）工程的设计计算能力和综合评价的能力。为了使设计合理要进行大量的工艺计算和设备设计计算。本设计包括热工计算和冷却器设备的结构计算。（3）工程设计表达能力。工程设计完成后，往往要交付他人实施或与他人交流，因此，在工程设计和完成过程中，都必须将设计理念、理想、设计过程和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。只有完整、流畅、正确地表达出来的工程设计的内容，才可能被他人理解、接受，顺利付诸实施。通过本设计不仅可以进一步巩固学生所学的相关知识，提高学生学以致用的综合能力，尤其对传热学、流体力学等课程更加熟悉，同时还可以培养学生尊重科学、注重实践和学习严谨、作风踏实的品格。换热器是合理利用与节约现有能源、开发新能源的关键设备。当今世界，现有能源主要为煤、石油、天然气等资源。有限的储量难以满足工业及人们生活日益增长的需要，因此，合理利用现有能源及开发新能源已成为世界性的研究课题。在生产中大部分燃料释放的能量是通过换热设备传递的，换热器的合理设计、性能改善将直接关系着现有能源的合理利用。可供开发的新能源：核能、太阳能、地热能等要提供工业及生活使用，无一不需要大量符合使用要求的各式换热器。换热器的正确设置、合理设计、性能改善等对能源的有效利用及开发有着十分重要的意义。换热器是合理利用与节约现有能源、开发新能源的关键设备。当今世界，现有能源主要为煤、石油、天然气等资源。有限的储量难以满足工业及人们生活日益增长的需要，因此，合理利用现有能源及开发新能源已成为世界性的研究课题。在生产中大部分燃料释放的能量是通过换热设备传递的，换热器的合理设计、性能改善将直接关系着现有能源的合理利用。可供开发的新能源：核能、太阳能、地热能等要提供工业及生活使用，无一不需要大量符合使用要求的各式换热器。换热器的正确设置、合理设计、性能改善等对能源的有效利用及开发有着十分重要的意义。研究内容（内容、结构框架以及重点、难点）：1研究内容（1）设计方案的选择（2）设计计算①计算总传热系数②计算传热面积（3）主要设备工艺尺寸设计①管径尺寸和管内流速的确定②传热面积、管程数、管数和壳程数的确定（4）换热器核算（5）设计结果汇总（6）绘制换热器简图2结构框架(1)确定设计方案(2)换热器的选择(3)工艺计算(4)固定管板式换热器的附属设备(5)辅助设备的选型(6)设计结果汇总3重点难点（1）换热器传热系数（K）的计算:管、壳程换热系数都是以换热器传热系数的经验数据为基础的，若换热器传热系数的经验数据与经过理论计算而得到的传热系数相吻合，并且换热器的主要性能参数(如壳、管程的压力降,换热介质的出、入口温度等)满足工艺流程条件，说明换热器的整体设计是合理的，反之需要重新调整结构尺寸，重新进行设计计算，直至满足设计要求。（2）壳程换热系数（h0)的计算通过对换热器管程和壳程换系数的计算，若hi=1.1～1.2h0，说明换热器初步结构设计是合理的。在此基础上，对换热器的管程、壳程压力降、管壁温度等进行核算，如果满足设计要求，说明换热器的设计满足工艺流程要求；反之，需要重新调整换热器的结构，直到满足换热器的工艺流程条件。（3）如果换热器以冷却为目的热流体的进出口温度已由工艺条件确定，而冷却介质的出口温度则需要选择。若选择较高的出口温度，可选小换热器，但冷却介质的流量要加大；反之要选择低的出口温度，冷却介质流量减少了，但要选大的换热器，因此冷却介质的出口温度要权衡二者的投资大小来确定。（4）不洁净和易结垢的的液体宜走管程，因管内清洗方便；腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；压强高的宜走管程，以免壳体承受压力；饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，对流传热系数与流速无关而且冷凝液容易排出；被冷却的流体宜走壳程，便于散热；若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将对流传热系数大的流体通过壳程，可减少热应力；流量小而粘度大的流体宜走壳程。研究方法、手段：通过自身查找资料文献，以及问老师，从中获取了很多信息，然后自己在进行了一系列科学的计算得出了设计固定管板式换热器中的一些重要的参数，将自己的参数在电脑CAD上面呈现出来，就是自己所设计的成果了。主要运用的手段都是通过不断的查找信息获取的。研究进度：2012年9月15日~2012年9月25日查找资料，完成设计的相关准备工作2012年9月26日~2012年10月30日撰写修改开题报告、文献综述2012年11月1日~2012年12月1日确定设计方案2012年12月2日~2013年4月1日进行工艺计算2013年4月2日~2013年4月10日辅助设备的选型2013年4月11日~2013年5月10日实习，撰写并修改毕业论文，准备答辩文献综述（包括：国内外研究理论、研究方法、进展情况、存在问题、参考依据等）1前言用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定工艺要求的装置统称为换热器。随着生产和科学技术的发展，化工、动力机械、原子能工业，特别是汽车、火车、航空等工业部门迫切要求高效、轻巧而又紧凑的换热设备[11]，这就促使新结构形式的热交换设备的出现和不断发展。固定管板式换热器就是在这种形式下发展起来的新产品。固定管板式换热器主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱（又称顶盖或封头）和结构后端结构等部件组成。管束安装在壳体内，两端固定在管班上。管箱和后端结构等部件组成。管束安装在壳体内，两端固定在管班上。管箱和后端结构分别与壳体两端的法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆卸。换热器设计的劣势与壳体两端的法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆卸。换热器的设计优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。一个传热效率高、紧凑。成本低、安全可靠的换热器的产生，要求