1、武漢科技大學全套CAD圖紙，聯系 153893706題 目 名 稱浮頭式換熱器設計題 目 類 型畢業設計系 部繼續教育學院專 業 班 級2010機電一體化學 生 姓 名指 導 教 師輔 導 教 師時 間2012年3月至2012年4月目錄摘要21前言11 熱力計算11.2定性溫度和物性參數計算21.3初選結構21.4管程換熱計算及流量計算31.5殼程換熱計算41.6傳熱系數51.7管程壓降61.8殼程壓降71.9壓強校核82 結構設計92.1換熱流程設計92.2管子和傳熱面積92.3管子排列方式92.4殼體102.5管箱112.5.1.封頭112.5.2.箱殼112.6固定管板112.7分程隔板

2、12管程分程隔板12殼程分程隔板122.8折流板122.9拉桿132.10進出口管132.10.1.管程進出管132.10.2.殼程進出口管142.11浮頭箱142.12浮頭142.13補強圈152.14法蘭15法蘭密封面的型式15殼體法蘭16接管法蘭162.15支座173 強度校核183.1管箱的強度校核及優化183.2殼體的強度校核及優化204 制造工藝及安裝214.1制造工藝21封頭的成形21筒節的彎卷成形22其它224.2安裝與拆卸225 AUTOCAD二維模型圖23總結25參考文獻26致謝27附件：27武漢科技大學畢業論文（設計）任務書系 部：專業：班級：學生姓名：周何清指導教師/職

3、稱 ：教授1. 畢業論文（設計）題目：浮頭式換熱器設計2. 畢業論文（設計）起止時間：2012年3月22日2010年4月22日3.畢業設計（論文）所需資料及原始數據（指導教師選定部分）換熱器設計原始數據殼體規格600；管箱規格620；換熱管規格 252.5 L=6000項目殼程管程設計壓力（Mp）2.452.45操作溫度（進口/出口）175/155144/163設計溫度200125介質急冷油鍋爐給水4.畢業設計（論文）應完成的主要內容（1）換熱器的發展概況（2）總體參數設計計算（3）傳熱學計算（4）換熱器的工程圖設計5.畢業設計（論文）的目標及具體要求工程圖：總裝配圖1張，部件裝配圖和零件圖5

4、張 6、完成畢業設計（論文）所需的條件及上機時數要求熟悉autocad上機100小時任務書批準日期2012/3/20系主任/責任教授任務書下達日期2012/3/22指導教師完成任務日期2012/4/22學生簽名周何清武漢科技大學畢業設計（論文）開題報告題目名稱浮頭式換熱器設計系部專業班級學生姓名周何清指導教師輔導教師開題報告時間2012年3月-2012年4月浮頭式換熱器設計學生：周何清 武漢科技大學指導教師： 武漢科技大學題目來源：生產實際題目類別：畢業設計換熱器是國民經濟和工業生產領域中應用十分廣泛的熱量交換設備 ，隨著現代新工藝、 新技術、新材料的不斷開發和能源問題的日趨嚴重 ，世界各國已

5、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。換熱器的性能對產品質量、能量利用率以及系統運行的經濟性和可靠性起著重要的作用 ，有時甚至是決定性的作用。目前在發達的工業國家熱回收率已達 96% 。換熱設備在現代裝置中約占設備總重的30% 左右，其中管殼式換熱器仍然占絕對的優勢，約70% 。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備，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各類高效傳熱元件的發展十分迅速。在繼續提高設備熱效率的同時，促進換熱設備的結構緊湊性 ，產品系列化、標準化和專業化，并朝大型化的方向研究發展。1 史美中，王中錚.熱交換器原理與設計M

6、.北京：東南大學出版社，19962 錢頌文.換熱器設計手冊M.北京：化學工業出版社，2003 3 鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程裝備設計M.北京：化學工業出版社，20054王志魁.化工原理M.北京：化學工業出版社，2000 5賀衛國.化工容器及設備簡明設計手冊M.北京：化學工業出版社，2003 6王志文.化工容器設計M.北京：化學工業出版社，19907賀匡國.壓力容器分析設計基礎M.北京：機械工業出版社，19958潘家禎.壓力容器材料實用手冊M.北京：化學工業出版社，20009卓震. 化工容器及設備M.北京：中國石化出版社，199810GB 150-1998鋼制壓力容器S.北京：中國標準出版社，

7、200311GB 151-1999管殼式換熱器S.北京：中國標準出版社，2004 12HG 20582-1998鋼制化工容器強度計算規定S.化工部工程建設標準編輯中心出版，199813 JB 4732-1995鋼制壓力容器分析設計標準S.北京：新華出版社，1995 1、換熱器及傳熱研究的發展趨勢與現狀換熱器是一種廣泛使用的工藝設備，在煉油、化土行業中是主要豹工藝設備之一。因此，換熱器的研究倍受重視。從換熱鉗的設計、制造、結構改進到傳熱機理的試驗研究一宣都在進行。特別是七十年代初發生能源危機以來，各國都紛紛尋找新的能源及節約能源的途徑，而換熱器是節約能源的有效設備。在親熱回收、利用地熱、太陽能等

8、方面都離不開換熱器。因而各國都在致力于研究各種高性能換熱器及換熱元件，其中不少是國家直接下達的重點課題。近年來換熱器及傳熱技術的發展主要表現在下列幾個方面。（1）研究工作的動向目前世界上每年發表有關傳熱及換熱設備方面的文獻約在六千篇以上。有關新能源開發的文章日趨增多，研究的重點是傳熱機理、傳熱強化、兩相流、模擬及測試技術、計算機應用、振動、污垢以及與能源利用和環境保護有關的新型高效換熱器。對傳熱基礎理論的研究探討1分重視，一種新的動向是：從數學校型和物理模型出發，用數學方法推導出精確的計算公式。（2）計算機的使用應用計算機不僅節省了入力、提高了效率，而且可以進行最優化設計與控制，使其達到最大技

9、術經濟性能。例如美國帕斯卡古拉煉油廠常減壓裝置的原油換熱系統，由于采用了換熱系統的最佳化設計及其他改進措施，平均傳熱系數達到 445千卡m2小時。傳熱分析、應力分析、信息儲存與檢索以及模擬和控制均編有程序。有些程序從工藝設計開始，直到繪出圖紙。計算機自動繪圖機只需十幾分鐘即可繪一張標準換熱器圖紙。目前，美國HTRI換熱器設計程序在國外無疑是具有代表性的，已被許多國家所引進。此外，其他國家也開發了一些自動設計系統和程序。如英國HTFS開發的TASC等程序；1975年英國國家工程實驗室(NEL)和劍橋計算機輔機設備中心合作，按美國管殼式換熱器制造商協會(TEMA)標準，編制管完式換熱器機械設計程序

10、STEM。這一程序不但可對TEMA標準中的所有“R”、“C”、“B”三類換熱器進行各種設計計算，列出二系列不同參數以供選擇，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標準投熱器的制造施工圖。以后又結合英國標準協會(SBI)1976年公布的壓力容器規范BS5500編制了換熱器的機械設計程序；蘇聯也有CAHTA自動設計系統； 日本HEADS自動設計系統是由三菱工程及造船有限公司研制的，使用該系統，僅僅輸入最少的數據，就能迅速地得到機械的沒計圖表及圖紙，該系統除適用于日本的JIS8234壓力容器結構及(日本)高壓氣體控制法規外，還適用干ASME規范第篇第分篇以及T

11、EMA的“R”、“B”、“C”類；此外日本神戶制鋼的HEXAPACKS自動設計繪圖系統以及用于換熱器動特模擬的三菱HEDDY數字模擬系統等也已推行于世。（3）。高溫高壓換熱界的進展隨者工藝的進展和大型化裝置的出現，大型高溫高壓換熱器的使用越來越多。煉油廠加氫換熱器就是一個例子。近年來，高溫高壓換熱器在結構、材料和制造方面都有一些進展，管箱和密封結構均有一些改進，管的進口區的熱防護獲得一些改善。另外還采用了薄管板或撓性管板結構以減小熱應力；使用小管子密排列，改善了管子與管板的連接。（4）大力開展關于振動的研究自60年代末，為了適應大型化裝置的工藝要求，換熱器也隨之大型化。國外管殼式換熱特最大直徑

12、已達4650毫米，傳熱面積達到6700米2，重達260噸。在大型化過程中所遇到的一個復雜問題就是管束的振動。由于大型化而加劇了核電站換熱器的振動破壞，因此人們對管殼式換熱器振動研究的興趣與日俱增。大型換熱器在高流速下尤其容易產生振動，振動位管子破裂，損壞設備的就礎與管路，同時產生噪音。迄今雖然有關振動方面的問題，還遠未被人們認識清楚，但是通過大量的試驗研究，現在已經能預測管束的自振頻率，從而在設計小可以確定出適當的流速范圍，以防止流體的激振。此外，在結構設計上也采用了一些防振措施，例如菲利普斯石油公司設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，管束被井個型的柵格條

13、緊緊固定，柵格條同管于外壁之間水留間隙。使用納果表明，這種結構有效地克服了管束的振動，延長了管子為壽命，而且結構緊湊，符合小管徑、密排列的原則，提高了工藝性能，使完程壓降降低丁二分之一，且不易淤塞臟物，清洗方便。（5）發展強化傳熱管傳熱管是管殼式換熱器的主要傳熱元件。國外對傳熱管的研究非常重視，通過改進傳熱管的性能，就能提高換熱器的性能。強化傳熱管的方法主要有兩種：一種是盡量擴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、外表面軋制成各種不同的表面形狀，促進流體產生湍流提高傳熱性能，如翅片管、螺紋管等。有的國家已成批生產翅片管換熱器，并已標誰化、系列化。我國也在煉油廠中使用螺紋管換熱

14、器，只要使用條件恰當，工藝流程合理，總傳熱系數就可以大大提高。1967年蘭州煉油廠12單元仗用一臺螺紋管換熱器，K廈高達500大卡米”小時飛。1981年南京煉油廠實行節能改造，使用了螺紋管換熱器，實測K值達370 400千卡米“小時t。另一種方法是改良傳熱表面的性能，使之既符合傳熱機理的要求，又能充分發揮其特點，如美國聯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量大幅度增加，從而使拂騰給熱系數提高十倍乃至幾十倍，總傳熱系數一般可提高五倍左右，并民還有很好的抗污垢能力。國內一些單位（如北京化工研究院等）也研究試制成功了表面多孔管，并得到了應用（如在南京煉油廠用于重沸器）取得了明顯效果

15、。新的強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。（6）采用新材料由于工藝條件日趨苛刻，迫切需要一些新的材料。在換熱器制造中，由于欽具有很高的抗腐蝕性能、高的強度限和屈服限，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。現在欽制換熱器的應用有了迅速的增加。滲鋁管換熱器及鍍鋅鋼管換熱器的使用也日益增多。非金屬材料方面最具有代表性的是聚四氟乙烯塑料，自美國杜邦公司于六十年代中期研究成功這種塑料換熱器以來，由于它優越的抗腐蝕抗污垢性能，國外推廣使用很快，到了七十年代，凡是適用這種換熱器的場合，幾乎達到了普及的地步。此

16、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。（7）控制結垢及高效運行美國傳熱研究公司對換熱器的污垢問題已進行了多年的研究。通過對污垢形成的機理、生長速度、影響因素的研究，預測污垢曲線，從而為控制結垢、適時清洗提供了途徑和依據。廣泛采用渦流測試技術來加強運行中的檢漏，使快要損壞的管子能及早得到更換或堵漏，避免非計劃停工損失。在換熱器中采用有機涂層，能有效地防止海水腐蝕，且不易結垢（若是涂于冷凝側還可以變成滴狀冷凝從而強化傳熱）。此外，國外對發展換熱器的清洗技術極為重視，組織專業的維修清洗公司，針對不同條件，采取最適合的清洗方祛，并研究了專門的清洗設備和工具，如化學清洗

17、車、高壓水清洗車及管束拔出裝置等。這樣就能保證換熱器高效率、低消耗、長周期的運行。（8）熱管換熱器的使用熱管是利用小的表面積傳遞大的熱量，體現了一種優良的設計方法。熱管是六十年代中期在宇航工業中發展起來的新型傳熱元件，于七十年代進入民用工業，由于它具有效率高、壓降小、結構簡單、緊湊性好等優點，發展較為迅速。美國道（Dow）化學公司采用瓊一多特（Q一Dot）公司生產的不銹鋼熱管空氣預熱器，在一座190萬千卡小時的加熱爐上回收余熱，使煙氣出口溫度從原來的3”t降到168t以下，并使進風溫度提高了230t ,每小時回收余熱25 . 2萬千卡，從而使加熱爐的天然氣消耗量減少巧緯。1979年美國卡特拉斯

18、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。美國杜邦化學公司在一套化工裝置上采用一套由埃索舍默克斯（Isothermics）公司制造的鋁質熱管空氣預熱器，其造價僅為普通空氣預熱器的25%，而安裝費用相同，故獲得了顯著的經濟效果叻。國內科學院力學研究所、重慶大學等單位首先引進和研究熱管技術。近幾年來，一些研究單位及煉油廠都先后開展了熱管換熱器的試制研究工作。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，取得了較好的應用效果。2、換熱器及傳熱研究的主攻方向當前換熱器發展的基本動向是繼續提高設備的熱效率，促進設備結構的緊湊性，加強生產制造的標準化、系列化和專業化

19、，并在廣泛的范圍內繼續向大型化的方向發展。同時仍然注意基礎理論及測試方法的研究。（1）、新能源換熱器的研究能源的充分供應對發展生產，保持并提高人類的生活水平是必不JT少的。盡管能源的供應前景仍不樂觀，但是工業和民用的需求卻在日益增長，這是世界范圍內極需解決的問題。要求集中力量研究各種形式的能量轉換技術，有效地利用能源。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難關，也是換熱器技術發展的尖端。太陽以輻射傳熱的方式將熱量傳給地球。太陽能的利用盡管受到地理、氣候、晝夜、季節的限制，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，很有開發價值。由于世界上能源日益緊張，許多國家在使

20、用新技術的基礎上，開發利用太陽能。美國制定了一項太陽能發展計劃，預期到公元2000年要供給全國熱消耗的20以上。但是太陽能比較分散，經物質吸收后，溫度不高，如何提高轉換效率，在技術上有相當難度，其中換熱器的結構設計，是關鍵問題之一。地熱也是一種豐富的能源，但是大都溫度不高（低于100t)，用這種資源豐富、低焙的熱能來發電在國內外都是新課題。地熱換熱器的熱介質大部分是地熱水，少部分是蒸氣。換熱器應具有耐污垢、耐腐蝕、高效率、易清洗的性能。地熱利用在很大程度上取決于換熱器的性能，因此必須加緊進行地熱換熱器的研究工作。（2）余熱回收裝置的研究工業余熱的利用潛力很大，對生產影響顯著，主要是：1000左

21、右的高溫熱量及其高壓能量的合理利用，這是石油化學工業的關鍵技術之一。從換熱器的整體結構、各類管板的結構設計、熱膨脹補償方法直到高溫側熱通量的控制，都有許多課題極待解決；100 200t的低溫余熱回收，對一般企業有普遍意義。企業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。這種熱能量大面廣，合理利用有著巨大的現實意義。（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，它們具有優異的性能，在采用多流道布置后，其優越性更為顯著。板式換熱器需要改進密封結構，指強板片的剛度，研究新的墊片材料以提高操作溫度和操作壓力是今后發展的重點。板殼式換熱器由于從結構上解決了耐溫、抗壓和高效

22、之間的矛盾，因而在化學工業中很快得到推廣應用。但是，由于它的制造工藝比較復雜，焊接要求高，因而今后應注重改進結構設計，發展新的成型和焊接工藝。（4）強化傳熱管的研究近年來國內外在采用強化傳熱管改進換熱器性能、提高傳熱效率、減少傳熱面積、降低設備投資等方面，取得了顯著的成績。強化傳熱管同時也是利用低溫位熱量的關鍵部件。表面多孔管可以在非常小的溫差下產生很多的飽核，使汽化核心增加許多倍，但是制造工藝要求比較嚴格，且生產成本也高，這些都是今后有待解決的問題。（5）換熱器基礎技術理論及測試技術的研究發展基礎理論是指導推進設計研究的必要前提。例如小溫差傳熱的強化是解決低位新能源開發的關鍵；污垢和防蝕的研

23、究對換熱器的設計、運行有重大的影響；有相變傳熱的研究關系到能量的轉換及傳質技術。傳熱和換熱器測試技術的研究，可以使試驗分析工作進行得更精確、更迅速。高效換熱設備的研究，使得傳熱表面形狀更加復雜，流體流動更加不規律，因此需要更加先進的測試手段。此外，兩相流動及傳熱；非牛頓型流體的流變特性的測定；核反應堆的安全措施等都是現在和今后研究的課題。3、國內換熱器發展前景在我國換熱器的制造技術遠落后于外國，由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結構，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果

24、也較好，長期以來在工業生產中成為一種典型的換熱器。 在我國隨著經濟快速發展的同時，各種不同型式和種類的換熱器發展很快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現。為了適應發展的需要，我國對某些種類的換熱器已經建立了標準，形成了系列。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下基本要求：（1） 合理地實現所規定的工藝條件；（2） 結構安全可靠；（3） 便于制造、安裝、操作和維修；（4） 經濟上合理。70年代的世界能源危機，有力促進了換熱強化技術的發展。為了節能將耗，提高工業生產經濟效益，要求開發適用于不同工業過程要求的高效換熱設備。所以這些年來，換熱器的開發和研究成了人們關注的課題。當今換熱器技術的發展以CFD（計

25、算流體力學技術）、模型化技術、強化傳熱技術等形成一個高技術體系。所謂提高換熱器性能，就是提高其傳熱性能。狹義的強化傳熱系數指提高流體和傳熱之間的傳熱系數。其主要方法歸結為下述兩個原理：溫度邊界層減勃和調換傳熱面附近的流體。因此最近十幾年來，強化傳熱技術受到了工業界的廣泛重視，得到了十分迅速的發展，凝結是工業中普遍遇到的另一種相變換熱過程，凝結換熱系數很高，但經過強化措施還可以進一步提升換熱效率。1. 管外凝結換熱的強化（1）冷卻表面的特殊處理對冷卻表面的特殊處理，主要是為了在冷卻表面上產生珠狀凝結。珠狀凝結的換熱系數可比通常的膜狀凝結高510倍，由于水和有機液體能潤濕大部分的金屬壁面，所以應采

26、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，從而形成珠狀凝結。用電鍍法在表面涂一層貴金屬，如金、鉑、鈀等效果很好，缺點是價格昂貴。（2）冷卻表面的粗糙化粗糙表面可增加凝結液膜的湍流度，亦可強化凝結換熱。實驗證明，當粗糙高度為0.5mm時，水蒸氣的凝結換熱系數可提高90%。值得注意的是，當凝結液膜增厚到可將粗糙壁面淹沒時，粗糙度對增強凝結換熱不起作用。有時當液膜流速較低時，粗糙壁面還會滯留液膜，對換熱反而不利。（3）采用擴展表面在管外膜狀凝結中常常采用低肋管，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，因此其凝結換熱系數可比光管

27、高75%100%。應用螺旋槽管和管外加螺旋線圈。螺旋槽管，管子內外壁均有螺紋槽，既可強化冷凝換熱，又可強化冷卻側的單相對流換熱，與光管相比其凝結強度可提高3550%。在管外加螺旋線圈，由于表面張力使凝結液流到金屬螺旋線圈的底部而排出，上部及四周液膜變薄，從而凝結換熱系數有時甚至可提高2倍。2. 管內凝結換熱的強化（1）擴展表面法采用內肋管是強化管內凝結的最有效的方法，試驗表明，其換熱系數比光管高2040%。按光面計算則換熱系數可高12倍。（2）采用流體旋轉法采用螺旋槽管等流體旋轉法可以強化凝結換熱。換熱效率同比提升30%，但此時流動阻力也會增加。（3）改變傳熱面形狀改變傳熱面形狀的方法有多種，

28、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。都是高效換熱元件。值得注意的是，在強化凝結換熱之前，應首先保證凝結過程的正常進行。例如，排除不凝氣體的影響，順利地排除冷凝液等。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下流動，這樣才能充分的提高介質的換熱系數，內翅片管、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流動沸騰傳熱（螺紋管在湍流時可使對流傳熱系數增加一倍多）。當然現在各式換熱器的設計各有新穎之處，結構上各具特色。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

29、，很有發展前途。 近年來，隨著制造技術的進步，強化換熱元件的開發，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發展，根據不同的工藝條件與工況設計制造了不同結構形式的新型換熱器，也取得了較大的經濟效益。故我們在選擇換熱設備時一定要根據不同的工藝、工況要求選擇。換熱器的作用可以是以熱量交換為目的。在即定的流體之間，在一定時間內交換一定數量的熱量；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。換熱器的作用不同，其設計、選型、運行工況也各不相同。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;換熱器的熱損失要少，換熱效率

30、要高;流動阻力要小;要有足夠的機械強度，抗腐蝕和抗損壞能力要強，維護工作量要少;結構要合理，工作要安全可靠，即零部件之間因為溫升而產生的熱應力不會導致換熱器破裂;要便于制造、安裝和檢修;經濟上要合理，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）;生活熱水系統的換熱器應易于清除水垢，以上要求常常相互制約，難于同時滿定，因此應視具體情況，在換熱器的選型和設計中有所側重，滿足工程對換熱器的主要要求。因為換熱器故障率較低，并且供暖為季節性負荷，有足夠的檢修時間，生活熱水系統暫停供熱也不會造成重大影響，所以可不設備用換熱器。換熱器臺數的選擇和單臺能力的確定應適應熱負荷

31、的分期增長，并考慮供熱的可靠性。未來，國內市場需求將呈現以下特點：對產品質量水平提出了更高的要求，如環保、節能型產品將是今后發展的重點；要求產品性價比提高；對產品的個性化、多樣化的需求趨勢強烈；逐漸注意品牌產品的選用；大工程項目青睞大企業或企業集團產品。國內經濟發展帶來的良好機遇，以及進口產品巨大的可轉化性共同預示著我國換熱器行業良好的發展前景。同時，行業發展必須要注重高端產品的研發。4、國外換熱器發展前景在國外二十世紀20年代出現板式換熱器，并應用于食品工業。以板代管制成的換熱器，結構緊湊，傳熱效果好，因此陸續發展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由

32、銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發動機的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。 60年代左右，由于空間技術和尖端科學的迅速發展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術的發展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發展和廣泛應用。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能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發展，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。70年代中期，為了進一步減

33、小換熱器的體積，減輕重量和金屬消耗，減少換熱器消耗的功率，并使換熱器能夠在較低溫差下工作，人們更是采用各種科學的辦法來增強換熱器內的傳熱。對國外換熱器市場的調查表明，管殼式換熱器占64%。雖然各種板式換熱器的競爭力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導地位。隨著動力、石油化工工業的發展，其設備也繼續向著高溫、高壓、大型化方向發展。而換熱器在結構方面也有不少新的發展。現就幾種新型換熱器的特點簡介如下：（1）、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。其實質是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子。用該方法不僅可噴涂金屬還能噴涂合金和陶瓷（

34、金屬陶瓷混合物），從而得到各種不同性能的表面。通常在實踐中翅片底面的接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。為了評估翅片管換熱器元件進行了試驗研究。試驗是采用在翅片表面噴涂ac鋁，并添加了 24a白色電爐氧化鋁。將試驗所得數據加以整理，便可評估翅片底面的接觸阻力。將研究的翅片的效率與計算數據進行比較，得出的結論是：氣動噴涂翅片的底面的接觸阻力對效率無實質性影響。為了證實這一點，又對基部（管子）與表面（翅片）的過渡區進行了金相結構分析。對過渡區試片的分析表明，連接邊界的整個長度上無不嚴密性的微裂紋。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

35、度高，有物理接觸和金屬鏈形成。因而氣動噴涂法不但可用于成型，還可用來將按普通方法制造的翅片固定在換熱器管子的表面上，也可用來對普通翅片的底面進行補充加固。可以預計，氣動噴涂法在緊湊高效換熱器的生產中，將會得到廣泛應用。（2）、螺旋折流板換熱器在管殼式換熱器中，殼程通常是一個薄弱環節。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系統（z字形流道），這樣會導致較大的死角和相對高的返混。而這些死角又能造成殼程結垢加劇，對傳熱效率不利。返混也能使平均溫差失真和縮小。其后果是，與活塞流相比，弓形折流板會降低凈傳熱。優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

36、）。對普通折流板幾何形狀的改進，是發展殼程的第一步。雖然引進了密封條和附加諸如偏轉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。為此，美國提出了一種新方案，即建議采用螺旋狀折流板。這種設計的先進性已為流體動力學研究和傳熱試驗結果所證實，此設計已獲得專利權。此種結構克服了普通折流板的主要缺點。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” 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。相鄰折流板的周邊相接，與外圓處成連續螺旋狀。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

37、折流板結構可滿足相對寬的工藝條件。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構。（3）、新型麻花管換熱器Alares公司開發了一種扁管換熱器，通常稱為麻花管換熱器。美國休斯頓的布朗公司做了改進。螺旋扁管的制造過程包括了“壓扁”與“熱扭”兩個工序。改進后的麻花管換熱器同傳統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經濟效益：改進了傳熱，減少了結垢，真正的逆流，降低了成本，無振動，節省了空間，無折流元件。由于管子結構獨特使管程與殼程同時處于螺旋運動，促進了湍流程度。該換熱器總傳熱系數較常規換熱器高40%，而壓力

38、降幾乎相等。組裝換熱器時也可采用螺旋扁管與光管混合方式。該換熱器嚴格按照ASME標準制造。凡是用管殼式換熱器和傳統裝置之處均可用此種換熱器取代。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。估計在化工、石油化工行業中具有廣闊的應用前景。（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。但這種方法對整個設備的質量有一系列的影響，因為釬焊法必將從換熱中“扣除”很大一部分管子和金屬絲的表面。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。俄羅斯推薦一種新方法制造繞絲筋管，即借助在管子上纏繞

39、和拉緊金屬絲時產生的機械接觸來固定筋條。采用此法能促進得到釬焊時的連續特性（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。但若利用金屬絲作為筋條（翅片）以增加換熱面積時，只有當非釬焊筋條的有效傳熱面不小于釬焊連接時，才應更偏重于此方法。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。所以關鍵是要選取最佳的接觸寬度，也就是繞絲時管子變形留下的痕跡的寬度。這樣，非釬焊時的有效傳熱面要比釬焊時大。該換熱器推薦用于氦技術和冷卻工藝。5、主要研究內容、需重點研究的關鍵問題及解決思路（1）、畢業設計應完成

40、的主要內容1）換熱器的發展概況2）總體參數設計計算3）傳熱學計算4）換熱器的工程圖設計（2）、畢業設計的目標及具體要求工程圖：總裝配圖，部件裝備圖各一張；零件圖3張（3）、需重點研究的關鍵問題及解決思路關鍵問題：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6、完成畢業設計（論文）所必須具備的工作條件（如工具書、計算機輔助設計、某類市場調研、實驗設備和實驗環境條件等）及解決的辦法為完成本畢業設計，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知識，結合在生產實習等實踐教學中，學習的換熱器及零部件的加工制造和裝配

41、知識，以及學習的有關換熱器的設計知識，通過對各種技術資料的收集調研，分析計算，設計繪圖的實踐，學習掌握由原理方案的設想，轉化為結構的設計思路及設計方法。熟練掌握各方面的知識。計算機輔助設計軟件：SW6-1998 v6.0 、AutoCAD2004 、管殼式換熱器工藝計算軟件(THecal Ver 1.3)、 換熱器工藝計算器 3.0、 MS office等軟件工具書：化工英漢詞典、化工設計手冊、GB 150-1998鋼制壓力容器、GB 151-1999管殼式換熱器7、工作的主要階段、進度與時間安排預計用4周完成畢業論文，具體時間安排如下：第1周：選題及聯系導師，確定畢業設計任務書，查找資料，編

42、寫開題報告；第2周：與老師商討，確定開題報告根據論文題目進一步查找材料完成論文大綱交老師批閱，依據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，翻譯相關英文資料完成論文三稿； 第4周：完成相關論文簡介、答辯提綱等，定稿打印。浮頭式換熱器的設計學生：周何清 武漢科技大學指導老師： 武漢科技大學摘要本次設計的題目為浮頭式換熱器。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。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會因管束之間的差脹而產生溫差熱應力，另外浮頭式換熱器的優點還在于拆卸方便，易清洗。在化工工業中應

43、用非常廣泛。本文對浮頭式換熱器進行了整體的設計，按照設計要求，在結構的選取上，采用了2-4型，即殼側兩程，管側四程。首先，通過換熱計算確定換熱面積與管子的根數初步選定結構。然后按照設計的要求以及一系列國際標準進行結構設計，之后對有些部件結構通過計算進行強度優化，最后提出一些制造與安裝方面的問題。二維工程圖由autocad繪出。關鍵詞：換熱器；浮頭；管殼 浮頭式換熱器的設計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、介質的適應性，耐用性及經濟性，在換熱設備中始終占有約70%的主導地位。因此管殼式換熱器的標準化工作為世界各工業發達國家所重視，也為ISO國際標準化組織的

44、所重視。因此出現了TEMA、API660、JISB8249等一批管殼式換熱器標準，ISO目前也正在與API聯手并會同有關國家編ISO管殼式換熱器標準。總的來說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。換熱管束包括換熱管、管板、折流板、支持板、拉桿、定距管等。換熱管可為普通光管，也可為帶翅片的翅片管，翅片管有單金屬整體軋制翅片管、雙金屬軋制翅片管、繞片式翅片管、疊片式翅片管等，材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅材、鋁材、鈦材等。殼體一般為圓筒形，也可為方形。管箱有橢圓封頭管箱、球形封頭管箱和平蓋管箱等。分程隔板可將管程及殼程介質分成多程，以滿足工藝需要。管殼式換熱器主要有固定管

45、板式，U型管式和浮頭式換熱器。針對固定管板式與U型管式的缺陷，浮頭式作了結構上的改進，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。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會因管束之間的差脹而產生溫差熱應力。浮頭式換熱器的優點還在于方便拆卸，清洗方便，對于管子和殼體間溫差大、殼程介質腐蝕性強、易結垢的情況很能適應。其缺點在于結構復雜、填塞式滑動面處在高壓時易泄露，這使其應用受到限制，適用壓力為：1.0Mpa6.4Mpa。 按照設計要求，在結構的選取上，為了增大溫差校正系數，采用了2-4型，即殼側兩程管側四程。首先，通過換熱計算確定換熱面積與管子的根數初步選定結構。然后按

46、照設計的要求以及一系列國際標準進行結構設計，在結構設計時，要考慮許多因素，例如傳熱條件、材料、介質壓力、溫度、流體性質以及便于拆卸等等。之后對有些部件用公式進行了強度校核并進行對其優化設計。由于時間和資料有限，本人的認識也不夠全面，在設計過程中可能還存在許多問題，望老師們給予批評和指正。1 熱力計算水進口溫度：=144水出口溫度：=163水工作壓力：P2=2.45MPa油進口溫度：=175油出口溫度：=155油工作壓力：P1=2.45MPa殼體內徑：DS=600mm管箱內徑：DN=620mm換熱管規格：252.5 L=60001.2定性溫度和物性參數計算水的定性溫度：（1）水的密度：2=913

47、kg/m3水的比熱：Cp2=4.32kJ/kg水的導熱系數：k2=0.686W/m 水的粘度：2=168.810-6水的柏朗特數：Pr2=1.08油（柴油）的定性溫度：（2）油的密度：1=715 kg/m3油的比熱：Cp1=2.48 kJ/kg油的導熱系數：k1=0.133 W/m油的粘度：1=6.410-4油的柏朗特數：（3）1.3初選結構管排列方式 ：3232正方形管子外徑：d0=0.025m管子內徑：di=d0-（23/1000）=0.019m（取0.020m）（4）管長：L=6m管間距：s=1.5d0=1.50.025=0.0375m(取0.032m)（5）殼體內徑：Ds=0.6m管束

48、中心排管數：由公式（6）得Nc=16.625（取17）總管子數：由（7）得Nt=238.84（取239）選型：采用2-4型即雙殼程四管程。1.4管程換熱計算及流量計算試選傳熱系數：k0=240 W/m2（查表）傳熱面積：由（8）得F0=112.62 m2逆流平均溫差：（9）參數：（10）（11）溫差校正系數：按2殼程4管程查表得 有效平均溫差：（12）設計傳熱量：（13）換熱效率：取=0.98油流量：（14）水流量：（15）管程流通截面（按4管程）：（16）管程流速：（17）管程雷諾數：（18）管程換熱系數：（19）1.5殼程換熱計算折流板的設計：縱向折流板中間分程，橫向安置弓形折流板弓形折流

49、板弓高：（20）折流板間距：（21）殼程流通截面：（22）殼程流速：（23）殼程量流速（24）殼程當量直徑：（25）殼程雷諾數：（26）切去弓形面積所占比例：查圖得（27）殼程傳熱因子：查圖得管外壁溫度：假定后再復核，設=160壁溫下的粘度： （28）粘度修正系數：（29）殼程換熱系數：（30）1.6傳熱系數水側污垢熱阻： m2/W油側污垢熱阻： m2/W管壁熱阻：r忽略總傳熱熱阻：（31）傳熱系數：（32）傳熱系數的比值： （33）合適管外壁熱流密度：=4118W/m2（34）管外壁溫度：=167.2（35）誤差校核：=167.2-160=7.2（36）誤差不太大，不再重算。1.7管程壓降壁

50、溫：=161.3（37）壁溫下水的粘度：管程摩擦系數：查表得管子沿程壓降：（38）回彎壓降：（39）進出口管處質量流速：（40）進出管口處壓降：（41）管程結垢校正系數：根據r2及193得 管程壓降：（42）1.8殼程壓降當量直徑：（43）雷諾數：（44）殼程摩擦系數：查表得 管束壓降：（45）管嘴處質量流量：（46）進出口管壓降：（47）導流板阻力系數：取 導流板壓降：（48）殼程結垢修正系數：查表取 殼程壓降：（49）1.9壓強校核管程工作壓力P2=2.5MP，查表得殼程工作壓力P1=2.5MP，查表得壓強校核： 符合要求 符合要求2 結構設計2.1換熱流程設計采用2殼程4管程的2-4型換

51、熱器。由于換熱器尺寸不大，可以用一臺，未考慮采用多臺組合使用。管程分程隔板采用丁字型結構，其主要優點是布管緊密。殼體分程采用縱向隔板。管程的分程隔板采用丁字型結構如圖1所示，其主要優點是布管緊密。 圖1 丁字形隔板2.2管子和傳熱面積換熱管除要求具有足夠的強度外，當采用脹管法固定時，還要求管子有良好的塑性，避免因脹接而產生裂縫。焊接固定時，要求管子可焊性好，一般采用優質碳鋼，以保證管子質量，一般對于無腐蝕性或腐蝕性不大的流體可采用10號鋼和20號鋼管，在強腐蝕性流體的情況下，可采用不銹鋼（189）、鋼、鋁等無縫管，在強腐蝕性流體的情況下，可采用石墨管、聚四氟乙烯管等。由于水、油腐蝕性不大，故可采用碳鋼，現選擇20號鋼的無縫鋼管。根據設計要求采用的無縫鋼管管子總數為400根。其傳熱面積為：2.3管子排列方式管子在管板上的排列方式，應力求均布、緊湊并考慮清掃和整體結構的要求。基本的排