换热器设计开题报告

毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目：

学院：化工装备学院

专业班级：过程装备与控制工程0802

学生：

指导教师：

开题时间：2011年10 月18 日

指导教师评阅意见

一、选题的目的及意义：

换热器的基建投资在一般化工、石化企业中约占设备总投资的20%，其中固定管板式换热器约占换热器的70%。

固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈,（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。

固定管板换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束根据换热器的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。

固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。

本课题所设计的冷却器属于固定管板换热器，是针对给定的设计参数，按照相关规定的要求，通过壁厚计算和强度校核等，设计固定管板式换热器产品。熟悉压力容器设计的基本要求，掌握固定管板式换热器的常规设计方法，把所学的知识应用到实际的工程设计中区，为以后的工作和学习打下扎实的基础。

二、国外现状发展及趋势

2.1 国外情况

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。螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器是由美国ABB公司提出的。其基本原理为: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定倾斜度。相邻折流板的周边相接与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度使壳程流体做螺旋运动能减少管板与壳体之间易结垢的死角从而提高了换热效率。在气一水换热的情况下传递相同热量时该换热器可减少30%-40%的传热面积节省材料20%-30%。相对于弓形折

流板螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街从而提高有效传热温差防止流动诱导振动;在相同流速时壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区不易结垢。对于低雷诺数下(Re< 1000)的传热螺旋折流板效果更为突出。

2.2 国状况

管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜。近年来国在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。根据国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要，“十一五”期间我国经济增长将保持年均7.5％的速度。而石化及钢铁作为支柱型产业，将继续保持快速发展的势头，预计2010年钢铁工业总产值将超过5000亿元，化工行业总产值将突破4000亿元。这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。未来，国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。

据统计，在一般石油化工企业中，换热器的投资占全部投资的40％-50％；在现代石油化工企业中约占30％-40％；在热电厂中，如果把锅炉也作为换热设备，换热器的投资约占整个电厂总投资70％；在制冷机中，蒸发器的质量要占制冷机总质量的30％-40％，其动力消耗约占总值的20％-30％。由此可见，换热器的合理设计和良好运行对企业节约资金、能源和空间都十分重要。提高换热器传热性能并减小其体积，在能源日趋短缺的今天更是具有明显的经济效益和社会效益。

2.3发展趋势

换热器经过多年发展，技术日臻成熟。目前出现的最新技术动向有：(1)计算流体力学：计算流体力学(CFD)是指运用计算机的软硬件技术，建立流体的流动和热传递模型，并进行计算机模拟和仿真，从而对流体的流动区域和热传递的分布进行更详细的预测。换热器的设计中有许多实验代价很高,而且很耗时间,有些甚至不可能实现，计算流体力学的发展方便了这些实验的实现。(2)专家系统：

专家系统在换热器的设计和选型中应用较快。将专家系统用于管壳式换热器设计和选型,可以辅助设计者对流体流径、壳体及浮头类型、换热器结构尺寸、折流板类型和换热器整体布置等问题进行决策。目前，商品化的专家系统还很少,许多厂家开发的专家系统仅在部使用。(3)用于整体装置设计的数据库技术:传统的整体装置设计任务是由各个部门的工作小组分别对其中的某一项进行设计，并通过设计说明书相互联系来完成的，而最近发展起来用于整体装置设计的数据库技术,可以使这种繁重的任务变得简单起来。通过数据库系统，不同类型的设计应用软件可以有机地形成一个整体，设计者只需通过数据库操作系统向应用软件中输入相关参数，便可得到更多的关于设计任务的数据，并且这些数据可以反馈到数据库中。随着计算机辅助设计(CAD)软件包和数据库技术的发展，用于整体装置设计的数据库技术必定会代替手工计算设计方法。

三. 课题的主要工作

1.准备工作

（1）.搜索大量相关资料，对本课题有一个整体的理解和思路。

（2）.筛选搜集的资料，对本课题的国外研究动态有一个大致了解，自己形成一个设计大纲。书写开题报告、文献综述和外文翻译。

2.工艺计算

换热器的结构和类型、操作条件的选择和操作方式选择。热量衡算、物料衡算、传热膜系数的确定、传热面积的确定、压力降计算。

3.主要受压元件强度计算

换热器壳体、管箱短节、封头厚度确定，容器法兰、螺栓、垫片的校核计算，管板厚度的计算，开孔补强计算。

4.计算机绘图及说明书的编写

利用AutoCAD软件绘制出固定管壳式换热器的装配图及各个零件图，并编写说明书。

四. 完成课题所需的条件

（1）热力计算根据给出的具体条件，例如热交换器的类型，流体的进出口温度、压力和物理化学性质等等，计算出热交换的传热系数，进而算出传热面积的大小。

（2）结构计算根据传热面积的大小计算热交换器主要部件和构件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数，纵向隔板和折流板的尺寸和数目，分程隔板的数目和布置，以及连接尺寸等等。

（3）强度核算计算热交换器各部件尤其受压部件（如壳体）的应力大小，检查其强度是否在允许围。

五. 课题的进度安排（或课题的实施计划）

第1～2周搜索文献资料，完成外文翻译；

第3～4周完成开题报告；

第5～9周确定设计方案；

第10～12周初步设定设计方案，通过反复比较验证从中并选择最优方案；

第13周论文初稿提交指导老师审阅；

第14～15周答辩之前的准备，交论文正式稿；

第16周毕业答辩；

六、参考文献

[1] GB 150-1998 《钢制压力容器》

[2] GB 151-89 《钢制管壳式换热器》

[3] 史美中等主编.热交换器原理与设计[M]. ：东南大学，1995

[4] W.M.罗森诺主编. 传热学应用手册（上册）[M]. ：科学，1992

[5] 世铭等主编. 传热学3版[M]. ：高等教育，1998

[6] 钱颂文等主编. 换热器设计手册[M]. ：化学工业，2002

[7] 尾花英朗著，徐中权译. 换热器设计手册[M]. ：烃加工，1987

[8] 余建祖主编. 换热器原理与设计[M]. ：航空航天大学，2006

[9] Bent Sunden. Enhancement of Convective Heat Transfer in Rib-roaghened

Rectangular Ducts[J]. Enhanced Heat Transfer,1999,6:89-103

[10] 维道等主编.工程热力学3版[M]. ：高等教育，2001.6

[11] 叔经，叶文邦.换热器[M].：化学工业，2002.

[12] 吴金星（编），《高效换热器及其节能应用》，化学工业，2009

[13] 钱颂文,朱冬生,庆领等.管式换热器强化传热技术[M].：化学工业2003.

[14]濮良贵，纪名刚，机械设计，7版，：高等教育，2001

[15]吴宗泽，机械结构设计，：机械工业，1988

[16]徐灏，机械设计手册，：高等教育，1995