开题报告
一.本课题研究的目的和意义
近年来，随着全球能源形势的日趋紧张，常规能源的日益减少，节能降耗越来越受到人们的重视。换热器在工业生产中是调节工艺介质温度以满足工艺需求以及回收余热以实现节能降耗的关键设备，其换热性能和动力消耗关系到生产效率和节能降耗水平，其重量和造价决定了整个生产系统的投资。因此，换热器的强化传热、降低流阻以及提高综合性能成为了国内外科研人员和工程技术人员研究的热点。
二.国内外研究现状
冷却器是换热设备的一类，用以冷却流体。通常用水或空气为冷却剂以除去热量。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，应予注意[5]。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。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20xx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，国内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 1
备，换热器的投资约占整个电厂总投资的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。
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< 1 000) 的传热螺旋折流板效果更为突出。
三、拟采取的研究路线
通过参考文献书籍了解管壳式换热器的发展及现状以及近年的研究动态，进一步深入了解管壳式换热器设计方面的知识，以及换热器常见的腐蚀、结垢等问题
本课题所设计的冷却器属于固定管板换热器，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，设计出固定管板式换热器。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。
四、研究工作进度
第1-2周：查阅文献资料 第3-4周：开题报告与文献综述
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第5-7周：外文翻译 第8-9周：结构设计和强度计算 第10-13周：绘图 第14周：说明书整理 第15周：毕业设计整理 第16周：准备答辩
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第二篇：浮头式换热器设计开题报告
本科毕业设计（论文）开题报告
目 录
目 录. 2
1、浮头式换热器设计概述. 3
2、浮头式换热器国内外研究现状和发展趋势. 3
3、几种换热器比较. 4
4、设计研究技术路线和目标. 5
5、研究内容和拟解决的关键问题. 6
6、计划安排和预期成果. 7
7、参考文献. 8
1、浮头式换热器设计概述
换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行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%。换热设备在现代装置中约占设备总重的30%左右，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、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。
浮头式换热器属于管壳式换热器的范畴，管壳式换热器仍然是当今应用最广泛的换热设备，其可靠性和可能性已被充分证明。特别是在较高的参数的工况条件下，管壳式更显示其独有的长处。
2、浮头式换热器国内外研究现状和发展趋势
目前各国在提高管壳式换热器性能所开展的研究主要是强化传热，适应高参数和各类有腐蚀介质的耐腐蚀材料以及为大型化的发展所作的结构改进。
提高传热系数，扩大传热面积，增大传热温差是强化传热的三种途径。其中提高传热系数是当今强化传热的重点。它包括有源强化（即利用外部能量的机械和流体振动，电场、磁场冲击的办法，改善流动状态而强化传热）和非源强化（即改变传热元件本身的表面形状和便面处理方法，获得粗糙表面和扩展表面；也有用内插物增加流体本身的扰流来强化传热）两种。目前用于管壳式换热器的强化传热，多数采用非源强化的办法。
采用强化传热管提高传热强度，减少换热面积，使换热器提高紧凑程度，节省材料，减缓结垢速度。
国内外换热器用强化传热管通常使用螺纹管和低翅管，我国螺纹管的翅化率一般3，该类管子适用于管内介质给热系数比管外介质的给热系数大于2倍以上的换热器，试验证明可以提高传热系数30%左右。德国Hde公司的螺旋槽管，当2300<Re<105时，传热效率比光管提高2.3到11.1倍，当300<Re<1500时，传热效率比光管提高2.2到22倍，充分证明对于粘性介质Re不太高的条件下，使用螺旋槽管有明显的效果。瑞典ALLARDS公司生产的螺旋扁管换热器，起换热管经压扁再扭转加工成型，管子的横截面均为长圆形。改换热器管束设计有两种布置：一种为混合管束；一种为纯螺旋扁管束。前者用33%的螺旋扁管和67%的光管混合排列组成。使用扁管的主要原因是可以用管子压扁的程度来满足管内介质锅中流量下的适应的流通面积，以保证一定的管内流速，使换热器两侧的流动达到较理想的状态。这种管束不仅有利于提高传热率，同时混合管束的排列能使相邻的管子接触良好，互相支撑，从而提高了抗振能力。
改善换热器壳侧的传热。
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滞留区，影响了壳侧的给热系数。为改善壳侧的流动状态，从以下两方面开展研究：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，而且由于壳侧的流动的改善使折流杆换热器比传统的弓形折流板换热器传热系数提高了30%左右。管束的压降减少50%。因而这种换热器在各国的应用日趋广泛，且多数用于炼油厂，到90年代初至少有1000余台投入运行。采用纵流管束换热器。德国GRIMMA公司制造了一种整圆形折流板换热器，起结构为折流板上横排管孔，以四个孔为一组将管桥出铣通，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物进行实验，结果表明在中、低粘度范围内纵流管束换热器传热效果明显优于传统圆缺形折流板换热器。
3、几种换热器比较
（1）固定管板式换热器
固定管板式换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。
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。
（2）U型管式换热器
管壳式换热器的一种，属石油化工设备，由管箱、壳体及管束等主要部件组成，因其换热管成U形而得名。U 形管式换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上，如图1所示。此类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好，承压能力强，管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。
（3）浮头式换热器
浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来，如图2所示。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可
以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。
新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通。
4、设计研究技术路线和目标
4.1设计研究技术路线
首先查阅相关文献资料了解浮头式换热器的基本原理、性质及应用，在化工生产中的地位和作用、换热器应用的现状和发展趋势、设计的理论基础、技术路线及其意义，对浮头式换热器设计有一个大体上的认识和理解。
然后确定浮头式换热器的结构和类型、操作条件的选择和操作方式选择。对换热器进行热量衡算、物料衡算、传热面积的确定、压力降计算等，确定各结构部件所需参数，并对各结构部件进行合理安排，确定换热器的基本构成。
紧接着进行换热器壳体、管箱短节、封头厚度确定，容器法兰、螺栓、垫片附件的校核计算，管板厚度的计算，开孔补强计算，确定出换热器的最终形式。
最后，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，并完成英文资料翻译的编写。
4.2目标
查阅国内外相关文献资料，完成换热器的工艺计算、结构设计及强度校核。考虑源强化和非源强化的方法，努力提高换热器的换热效率。在设计过程中总结经验教训，并大胆创新，获得更多关于换热器的知识，无论为今后的工作，还是学习奠定一定基础。
5、研究内容和拟解决的关键问题
5.1研究内容
第一部分：准备工作
查阅相关文献资料了解浮头式换热器的基本原理、性质及应用。在化工生产中的地位和作用、换热器应用的现状和发展趋势、设计的理论基础、技术路线及其意义。
第二部分：工艺计算及结构设计
浮头式换热器的结构和类型、操作条件的选择和操作方式选择。热流量计算、传热系数计算、传热面积的确定、壳程阻力及压力降计算。
第三部分：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。
第四部分：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，并完成英文资料翻译的编写。
5.2关键问题
换热器性能关键在于换热器的换热效率。所以在本设计中，尽量考虑源强化和非源强化的方法，通过对换热器或换热器辅助设备结构改进或创新来提高换热器的换热效率。
6、计划安排和预期成果
6.1计划安排
6.2预期成果
（1）设计出满足工艺参数的换热器设计；
（2）用计算机绘出不少于2.5张零号图纸的设计图；
（3）完成至少20000字符的英文资料翻译。
7、参考文献
（1） 吴金星（编）.高效换热器及其节能应用.化学工业出版社，2009
（2） 马晓驰.国内外新型高效换热器[J].化工进展，2001，（01）：49-51
（3） 卢焕章. 石油化工基础数据手册[M]. 北京：化学工业出版社. 1982.
（4） 李世玉. 压力容器工程师设计指南[M]. 北京：化学工业出版社. 1996.
（5） 钱颂文. 换热器设计手册. 北京：化学工业出版社，2002
（6） 熊勇刚.机械CAD 参数化设计技术[J].机械科学与技术出版社.
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（7） 汪琪美1A utoCAD 13 对话框与驱动程序设计[M ]1 北京: 海
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（8） 中华人民共和国国家标准GB1512891 钢制管壳式换热器[S]1
北京: 学苑出版社, 1989
（9）贺小华1 化工设备常用结构的参数化CAD 设计[J]1 南京化
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（10）杨启明.过程装备设计.西南石油大学.2004
（11）其他资料及网上资源