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扬子芳烃厂浮头式和管板式开题报告

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12

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南京工程学院

毕业设计开题报告

课 题 名 称： 扬子芳烃厂浮头式和管板式
换热器的设计
学 生 姓 名: ······· 学 号： ········
指 导 教 师： ·····················
所在院(系）部： 机 械 工 程 学 院
专 业 名 称： 过程装备与控制工程

2010 年 03月 21日

说 明
1．根据南京工程学院《毕业设计（论文)工作管理规定》，学生必须撰写《毕业设计（论文）开题报告》，由指导教师签署意见、教研室审查，系教学主任批准后实施。
2．开题报告是毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一.学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。
3．毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达.第一次出现缩写词，须注出全称。
4．本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述,应不少于2000字，没有经过整理归纳,缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。
5．开题报告检查原则上在第2～4周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告.

毕业设计(论文）开题报告
学生姓名
······
学 号
······
专 业
过程装备与控制工程
指导教师姓名
······
职 称
······
所在院（系）部
·······
课题来源
自拟课题
课题类型
工程设计
课题名称
扬子芳烃厂浮头式和管板式换热器的设计
毕业设计的
内容和意义
课题背景：在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成.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。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.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。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。换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知.
课题内容:由于换热器在我国工业生产中所占的重要作用,根据已知数据求得换热器的类型、工艺结构、机械结构也是非常重要的，以便更好的了解乃至去生产合格、优良的换热器.本课题以管板式和浮头式换热器为例,将设计换热器的设计过程以及方法展示出来.
课题的意义：换热器的所有种类中,管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品。合理的设计换热器，可以提高传热效率,减少了能源的损耗。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。

文献综述
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。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备.在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却,把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成[1]。
换热器的所有种类中，管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品。虽然在换热效率、紧凑性和金属消耗等方面不及其他换热器,但它具有结构坚固、可靠性高、适应性大、材料范围广等优点，英尺被广泛应用于炼油、化工和石油化工等行业里［1]。
各国都对传热学及换热设备都进行了许多研究工作：从传热机理的讨论到设备结构的改进与创新；从设计计算到制造工艺都有专门的机构从事这方面的研究工作。其中美国《传热研究公司》和英国《传热及流体流动服务中心》比较有名。传热研究公司是一个国际性、非赢利性的合作研究机构,主要从事冷凝、污垢、计算机程序、无相变传热流动、两相流、沸腾六方面的研究。传热及流体流动服务中心隶属于英国原子能管理局，归位于哈威尔的研究所管辖，研究范围极广，可分为深冷传热、两相流与沸腾、单向流域传热、空冷器、辐射传热与火焰传热、冷凝等六大方面［2]。
换热器发展趋势：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[3].
随着工业的高速发展，换热器技术技术必将迅速的发展。就目前情况分析,换热器的基本发展趋势是：提高传热效率，提高紧凑性，降低材料消耗，增强承受高温、高压、超低温及耐腐蚀能力,保证互换性及扩大容量的灵活性，通过减少污塞以减少操作事故，从选材、结构设计及运行操作等方面增长使用寿命并在广泛的范围内向大型化发展[3].
浮头式换热器简介：
管壳式换热器是把换热器与管板连接，再用壳体固定。固定管板式换热器和浮头式换热器都属于管壳式换热器。固定管板式换热器的两端管板,采用焊接方式与壳体连接固定.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浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头.管子受热时,管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力［4]。
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；在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰,且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配,用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径,同时相应变更加大相关零部件的尺寸；另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封.
浮头换热器的特点：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。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.管束在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差应力。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［4]。
固定管板式换热器：
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。固定管板式换热器结构简单，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[4]。
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。固定管板式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,管束内根据换热管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［3］。
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，规格范围广，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[3］。
固定管板式换热器的特点是:1、旁路渗流较小;2、造价低；3、无内漏;4、固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合［4］ ［5］.
换热器工艺设计概述、：
换热器的工艺设计首先要确立设计方案，主要是选择换热器类型，冷热流体的流程安排,加热剂或冷却剂的选择和流体进出口温度的确定。接着，要进行工艺结构的设计,包括估算传热面积、选择管径及馆内流速、选取管长、确定管程数和总管数、平均传热温差校正及壳程数确定、传热管排列的选择、管心距的计算、管束的分程方法的选择、壳体内径的计算、折流板和支承板的选择以及其他主要附件(旁路挡板、防冲挡板）的设置.最后，需要进行换热器的核算,分别为热流量核算、传热管和壳体壁温核算、换热器内流体阻力计算。这样,可以得到换热器的主要结构尺寸［4］ [5] [6］ [7］。
换热器机械设计概述：
在换热器结构设计中，当完成了其工艺设计计算后，换热器的工艺尺寸即可确定。若能用热交换器标准系列选型,则结构尺寸随之而定，否则尽管在传热计算和流体主力计算中已部分确定了结构尺寸，乃需要进行结构设计，这时的结构设计除了应进一步确定那些尚未确定的尺寸以外，还应对那些已确定的尺寸作某些校核、修正［6］。
浮头及管板式换热器的机械设计主要有两方面,一方面是工业结构与机械结构设计，主要是确定有关部件的结构形式，结构尺寸、零件之间的连接等，比如，管板结构尺寸确定；折流板尺寸、间距确定；管板与换热管的连接;管板与壳体、管板与壳体及管箱的连接;管箱结构;折流板与分程隔板的固定；法兰与垫片；膨胀节；浮头结构等.另一方面是换热器受力元件的应力计算和强度校核，以保证换热器安全进行，比如封头、管箱、壳体、膨胀节、管板、管子等[9］。
完成工艺设计及机械设计后,需按要求绘制浮头式和管板式换热器设计图纸.
换热器的优化设计：
科学技术的发展，节约原材料和能源的紧迫性,对换热器的要求越来越高。这就给换热器不断地提出新的更为严格的要求，这也促进了换热器设计的发展[5]。
每一项换热器的设计任务，都有各种特定的各种性能和工作条件要求，要到到这些要求，可以采用不同的解决方法，即不同的设计方案。换热器的最佳设计过程涉及以下几个重要阶段：如何从可供选择的各种换热器形式中，选择比较适宜的形式;比较各种可用的换热表面，从中评选出性能最佳的换热表面；分析各种性能参数对换热器对换热器各方面性能的影响,寻求最佳设计。这几个阶段是前后密切联系，相辅相成的。只有做好阶段的优化，才能达到总体的最佳设计。同时，换热器的优化设计可从热量回收，即从热效率方面考虑,换热器的设计、选型是否合适,对操作费用影响很大。换热器的经济核算，也需要考虑[5］ [10］。
[1］兰州石油机械研究所.换热器（上）【M】.北京:烃加工出版社，1986.
［2］兰州石油机械研究所.换热器（下）【M】。北京：烃加工出版社，1990
［3］勒明聪、程尚模、赵勇湘编.换热器【M】。重庆：重庆大学出版社。1990
[4]秦叔经、叶文邦等。换热器【M】.北京：化学工业出版社及工业装备与信息工程出版中心，2003。
[5］邱树林，钱滨江。 换热器:原理·结构·设计【M】。 上海：上海交通大学出版社，1990
［6]匡国柱、史启才.化工单元过程及设备课程设计第二版【M】.北京:化学工业出版社，2008.
［7］钱颂文编. 换热器设计手册【M】. 北京:化学工业出版社，2002.
［8］幡野佐一等编著。李云倩、林云英译。换热器【M】.北京：化学工业出版设，1987。
［9］郑津阳、董其伍、商之富。过程装备设计【M】。北京:化学工业出版社，2005。
[10]施林劳尔E。U。主编.马庆芳译。换热器设计手册【M】。机械出学工业出版社,2005。
研究内容
在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。对换热器的研究备受重视，从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的研究一直十分活跃.论文的主要内容就是设计符合工艺要求的浮头式和管板式换热器。换热器不仅要满足设计要求，充分考虑其机械性能,使结构安全可靠，还要求考虑便于制造、安装和维护。论文完成的内容主要如下：
（1）研究换热器的基本结构和设计方法；
（2）了解浮头式和固定管板式换热器的原理以及工艺流程；
（3）换热器工艺流程计算；
（4)完成浮头式和管板式换热器结构设计与部分零部件选型，完成计算说明书；
(5）绘制浮头式和管板式换热器设计图纸；
(6）撰写毕业设计论文.
研究计划
第1周 调研、收集资料、英文翻译
第2周 英文翻译、文献综述
第3周 文献综述、撰写开题报告
第6周 研究换热工艺、确定设计方案
第7周 换热工艺流程计算，换热器总图设计
第8周 换热器总图设计
第9周 换热器总图设计
第10周 换热器总图设计、主要零部件图设计
第11周 主要零部件图设计
第12周 指导教师全面审阅，修改图纸
第13周 整理、撰写论文，检查、修改图纸
第14周 整理、撰写论文，检查、修改图纸与论文
第15周 整理、撰写论文，检查、修改论文
第16周 装订、检查论文，准备答辩
特色与创新
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。
本文在分别设计固定管板式和浮头式浮头式换热器，根据其不同的结构,不同的性能,仔细、合理的进行设计，满足给出数据要求，并力求合理、经济。同时，在数据完成后，经过热量、温度、阻力、强度的核算，使换热器安全可靠，并便于操作和安装，以人为本.
指导教师
意 见

要填写是否同意。签名：手写或盖章.
指导教师签名:
年 月 日
教研室意见
院部意见
要填写是否同意。签名:手写或盖章。

主任签名:
年 月 日

教学院长签名：
年 月 日
附：与课题内容相关的外文资料翻译不少于2000字,参考文献不少于10种。