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序号： 常 州 大 学毕业设计（论文）前期材料（ 2011届）学 生 陈艳 学 号 07403202 学 院 机械工程学院 专业班级 装备 072 题 目 浮头式水冷器设计 类 别 毕业设计 毕业论文 校内指导教师 巢建伟 专业技术职务 高级工程师 校外指导老师 专业技术职务 材 料 目 录序号名 称数量备注1毕业设计（论文）任务书12文献综述（设计类）或开题报告（论文类）13外文翻译（封面、译文、原文）1二一一年三月 学号： 07403202 常 州 大 学毕业设计（论文）文献综述（ 2011届）题 目 浮头式水冷器设计 学 生 陈艳 学 院 机械工程学院 专 业 班 级 装备072 校内指导教师 巢建伟 专业技术职务 高级工程师 校外指导老师 专业技术职务 二一一年三月题目：浮头式水冷器设计一、前言1 课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势1.1课题研究的背景及意义换热器是一种将热量从高温流体传递到低温流体的工艺设备，在生活中应用十分广泛，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。换热器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。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一，据统计，在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30，在炼油厂中占全部工艺设备的40左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明，虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍占主导地位约64，其重要性可想而知1。随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构，新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：(1)合理地实现所规定的工艺条件，(2)结构安全可靠，(3)便于制造、安装、操作和维修，(4)经济上合理。管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器、双重管式换热器、填料函式换热器和双管板换热器等。前3种应用比较普遍1。由于换热器结构比较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄漏情况，因此在安装时特别注意其密封。浮头式换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便2。此次设计的浮头式换热器，其一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动。壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体(也可设计成不可拆的)。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径。一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙bl=3-5mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着浮头式换热器的设计，制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不断的改进和完善。钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑，便于制造和拆装方便。浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验。尽管近年来受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中仍占主导地位。管子构成换热器的传热面、管子尺寸和形状对传热有很大影响。采用小直径的管子时，换热器单位体积的换热面积大一些，设备比较紧凑。单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也较高。但制造麻烦，管子易结垢，不易清洗。大直径管子用于粘性大或者污浊的流体，小直径的管子用于较清洁的流体。管子材料的选择应根据介质的压力、温度及腐蚀性来确定。浮头式换热器的优缺点：优点：(1)管束可以抽出，以方便清洗管，壳程；(2)介质问温差不受限制；(3)可在高温、高压下工作，一般温度小于等于450度，压力小于等于64兆帕；(4)可用于结垢比较严重的场合；(5)可用于管程易腐蚀场合。缺点：(1)小浮头易发生内漏；(2)金属材料耗量大，成本高20；(3)结构复杂4。1.2国内外研究现状和发展趋势随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重，必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96%，换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的35%40%。其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约70%。其余30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管和蓄热器等设备，其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。随着工业装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。当今换热器的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。近年来，强化传热技术得到了迅速的发展和广泛的应用，在能源的开发、利用和节约方面起着十分重要的作用。尽管国内也已进行了大量的强化传热技术的研究，但实际推广和应用仍非常有限。我国在对各种新的高效传热元件研究的同时，应大力推广管壳式换热器的强化技术，加强运用计算机流体动力学（CFD）对流体流动和传热进行计算机模拟和仿真，重视专家系统在换热器优化选型中的应用，努力赶上发达国家的先进水平。在新型换热器的开发方面与国外差距较大，尚需从事换热器专业的技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究，使我国换热器技术从各个方面赶上国际水平。管壳式换热器是当前应用最广，理论研究和设计技术完善，运用可靠性良好的一类换热器。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究。强化传热主要有3种途径提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差，研究主要集中在强化管程和壳程传热面方面。1.2.1 管程强化传热实施强化传热，归结起来不外乎2条途径，即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物。改变传热面形状的方法有多种，用于强化管程传热的有：横纹管、螺旋槽管、螺纹管（低翅管）和缩放管以及螺旋扁管（瑞典ALLARDS公司生产）。我国螺纹管的标准翅化率为1.32.9(小于3)，美、英、日、德等国均有商品化低翅管。德国Hde公司的螺旋槽管，管内传热效率明显优于光管，在2300Re105范围内，提高传热效率2.311.1倍，当200Re1500时，提高传热效率2.022倍。沈阳市广厦热力设备开发制造公司开发的超薄壁（=0.5mm）不锈钢波纹管换热器，其承压能力可达8MPa。该换热器不仅强化了管内外的给热，还由于温差作用下换热管的可伸缩性，使表面结垢容易脱落，因此具有较强的防垢和自动除垢能力。其传热系数较光管式提高23倍。管内插入物是强化管内单相流体传热行之有效的方法之一。目前管内插入物种类很多，如螺旋线、纽带、错开纽带、螺旋片和静态混合器等。最近，英国Cal Garin Ltd公司开发的一种称之为Hitran Matrix Elements的花环式插入物，它是一种金属丝制翅片管子插入物（Wire-Fin Tube Inserts），能增强湍流。中国石化北京设计院与华南理工大学联合研制的交叉锯齿型插入物，是华南理工大学对12种内插件（在Re=300-3500和Pr=135范围内）进行比较后优选的型式，可直接形成流体的混合，尤其适用高粘度流体的换热。其在上海乙烯厂原油M蜡油介质换热器中使用，其总传热系数与光滑管相比提高了50%。1.2.2 强化壳程传热传统的管壳式换热器，流体在壳侧流动存在着转折和进出口两端涡流的影响区，影响了壳侧的给热系数。壳侧的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。1.2.2.1 采用折流杆式换热器。美国在70年代初为解决换热器管束振动开发了这种结构的换热器。目前美国已直接应用强化传热管设计制造折流杆式换热器，如菲利普公司使用螺纹管作为换热管，不仅解决了振动问题，而且由于壳侧流动的改善使折流杆式换热器比传统的弓形折流板换热器传热系数提高30%左右，管束的压降减少50%。华南理工大学和大庆石油化工总厂共同开发的折流杆螺旋槽管再沸器已应用于在无相变及冷凝传热方面，其总传热系数比普通光管再沸器提高了1.21.7倍，抗振性能好。化工部化工机械研究院开发的折流杆式换热器替代了某化肥厂压缩机级间套管式冷却器，节省了占地面积11- 13。1.2.2.2 空心环管壳式换热器空心环管壳换热器是华南理工大学发明的一种新型管壳式换热器，已获得国家专利。长沙化工机械厂设计制造的横纹管空心环管壳换热器使用横纹管作为传热管，空心环作为支撑形式，已成功地应用于小型氮肥厂。在某化肥厂应用与原光管换热器相比，换热面积减小68%，抗振性能好。1.2.2.3 采用纵流管束换热器德国GRIMMA公司制造的一种整圆形折流板换热器，其结构为折流板上开横排管孔，以4个孔为一组将管桥处铣通，壳侧流体在管桥处沿着轴向流动，避免了流体因转折引起的滞留区。该公司用不同粘度的甘油和水混合进行实验，结果表明在中低粘度范围内，纵流管束换热器传热效果优于传统的圆缺形折流板换热器。1.2.2.4 强化沸腾传热的传热管用于强化沸腾传热的传热管有：烧结多孔表面管、机械加工的多孔表面管（如日本的Themoexcel-E管、改进型Ea管，德国Wieland-Werke公司的T管）、电腐蚀加工的多孔表面管、T型翅片管、ECR40管和Tube-B型管。武汉冷冻机厂分别用表面机加工的多孔管与目前制冷业流行的低肋管组装而成的两台蒸发器进行比较，结果表明：多孔管的热流密度比低肋管高36%，可减少传热面26%。国内近年开发的碳钢3管也已成功地应用于重沸器，紫铜材质E管应用于氟里昂蒸发器。1.2.2.5 强化冷凝传热的传热管用于强化冷凝传热的传热管有：纵槽管、低螺纹翅片管、锯齿形翅片管和径向辐射肋管式翅片管等。近年来，Hamon-lummus公司又推出一种SRC 翅片管（SRC Fin Tube），用于冷凝传热。德国GEWA公司开发的TXV管其翅片外缘呈V字型。华南理工大学研制的花瓣形翅片管是一种特殊的三维翅片结构强化传热管，研究表明：在自然对流条件下，其单管冷凝传热膜系数比锯齿形翅片管提高了8%10%；在强制对流条件下，是光滑管的56倍。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。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜。近年来国内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6。(最后一段总述)2课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题2.1课题的研究目标、内容1、根据给定工艺参数确定设计参数：如设计温度和设计压力等。2、进行设备的结构论述、设备材料的选择与确定及尺寸的计算与设计等。3、完成与课题密切相关的一篇英文资料的翻译（数量按学校毕业设计指导书的规定）。4、根据所学过的相关知识进行设备的工艺计算。5、学习相关的设计规定、标准，并依照其内容进行强度计算、设备的结构尺寸的确定、撰写技术要求等。6、熟悉并学会使用本专业常用的标准规范、规定。7、按现行的国家规范、标准进行施工图绘制（A0手工图1张及CAD图1张，其它A1规格的CAD图2-3张）。8、按学校给定毕业设计指导书的要求完成毕业设计说明书（含中英文摘要）。9、对本设计进行评述，最终掌握此类设备设计的整个步骤、内容和相关的要求2.2 课题拟解决的关键问题按照GB150-1998钢制压力容器、GB151-1999管壳式换热器、固定式压力容器安全技术监察规程等标准设计浮头式水冷器，了解其构造工作原理，并对之进行强度校核。二、设计方案的确定1 方案的原理、特点与选择依据浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故而两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束有容易地插入或抽出壳体（也可设计成不可拆的），这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构比较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄漏情况，因此在安装时特别注意其密封。浮头式换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。2 设计步骤浮头式换热器的设计是根据给定的流体、管程和壳程的进出口温度、管程的流量，首先，进行传热量与另一位置流体的流量计算。其次进行管程传热系数、壳程传热系数、总的传热系数的计算，从而确定管子的规格、管子的数量。再次，确定壳体内径、布管方式、折流板的间距和数量拉杆的数量、排管限定圆的直径。最后进行管程和壳程压降的计算，校核压降。2.1传热量与另一流体的流量计算根据给定的管、壳程的进出口温度，计算出定性温度，根据定性温度查两种；流体的物性参数密度、比热、导热系数、普朗特数、粘度。根据已知流量的流体，算出这个流体温度变化范围内的热量，根据热量守恒，算出两外一种流体的流量。2.2有效平均温差根据逆流平均温差公式，计算出逆流平均温差。求得温差校正系数，从而算出有效平均温差。2.3管程换热系数的计算初定传热系数K0，初选换热面积，管子的外径、壁厚和长度。然后确定管子的总数，确定管程的流通面积、流速，进一步确定雷诺数、管程的传热系数。2.4结构的初步设计在正三角形、转正三角形、正方形、转正方形中，选择一种布管方式，然后根据GB151确定管间距、管束中心排管数、壳体内径、折流板间距、折流板数量、布管限定圆的计算，然后确定最终的管数。2.5壳程传热系数的计算确定壳程的流通面积、流速、壳程的当量直径、雷诺数、壳程的传热因子，假定壁温，从而确定年度修正系数，确定壳程的换热系数。2.6总的传热系数确定两种流体各侧的污垢热阻，根据公式算出最后的传热系数，算出的传热系数与初选的传热系数之比为1.1-1.2。2.7管壁温度的计算确定管外壁热流密度，从而确定管外壁的温度，温度与假定的管外壁的温度相近即可。2.8管、壳程压降计算计算管内壁温度以及该温度下的粘度，从而算出粘度修正系数，查出管程的摩擦系数，然后算出管内沿程压降、回转压降和进出口管处的压降，以上三种压降之和就是管程压降。壳程压降同理7-15。三、阶段性设计计划、设计目标与应用价值第1周 查阅文献（近5年中文文献至少10篇，近10年英文文献5篇）第2周 选择一篇英文进行翻译 第3周 撰写文献综述，修改翻译、文献综述，上传至毕业设计管理系统第4周 确定设计方案第57周 进行工艺计算、结构和强度计算第8周 撰写毕业设计说明书第911周 手工绘制结构装配总图第1213周 绘制CAD图纸（总装配图、零件图）第14周 修改图纸和毕业设计说明书、整理毕业设计材料四、参考文献1 董溢浅谈管壳式换热器J科技信息企业论坛，2010（5）：363-3642 王丰华管壳式换热器强化传热技术进展J硫酸工业，2009（2）：13-173 冯国红，曹艳芝，郝红管壳式换热器的研究进展J化工技术与开发，2009，38（6）：41-454 霍兆明U型管换热器与浮头式换热器优缺点比较J理论探讨，2010（8）：1665 周涛，徐东，李小红浮头式换热器失效及故障分析J甘肃科技，2009，25（14）：57-1336 马晓驰国内外新型高效换热器J化工进展，20017 潘世俊，郝佩宁浮头式换热器管板的一种简便计算J化工设备与防腐蚀，2003，58 刁玉梅浮头式后冷却器设计与GB151-1999标准应用J一重技术，2004（1）：10-119 于文龙，宋岱才关于浮头法兰厚度计算的一种新方法J科学技术与工程，2010， 10（5）：1301-130310 刘丽宏，刘艳革浮头式换热器试压工装的创新设计J炼油与化工，2008，2（19）：36-3811 Kwangkook Jeong，Michael JKessen，Harun Bilirgen，Edward K LevyAnalyticalmodeling of water condensation in condensing heat exchangerJInternation