BES型浮头式换热器设计.doc

J155
毕业设计（论文）

题 目 名 称
浮头式换热器设计
题 目 类 型
毕业设计
系 部
继续教育学院
专 业 班 级
2010机电一体化（专科）
学 生 姓 名
周何清
指 导 教 师
余震
辅 导 教 师

时 间
2012年3月至2012年4月

目录
[摘要] 21
前言 1
1 热力计算 1
1.2定性温度和物性参数计算 2
1.3初选结构 2
1.4管程换热计算及流量计算 3
1.5壳程换热计算 4
1.6传热系数 5
1.7管程压降 6
1.8壳程压降 7
1.9压强校核 8
2 结构设计 9
2.1换热流程设计 9
2.2管子和传热面积 9
2.3管子排列方式 9
2.4壳体 10
2.5管箱 11
2.5.1.封头 11
2.5.2.箱壳 11
2.6固定管板 11
2.7分程隔板 12
2.7.1管程分程隔板 12
2.7.2壳程分程隔板 12
2.8折流板 12
2.9拉杆 13
2.10进出口管 13
2.10.1.管程进出管 13
2.10.2.壳程进出口管 14
2.11浮头箱 14
2.12浮头 14
2.13补强圈 15
2.14法兰 15
2.14.1法兰密封面的型式 15
2.14.2壳体法兰 16
2.14.3接管法兰 16
2.15支座 17
3 强度校核 18
3.1管箱的强度校核及优化 18
3.2壳体的强度校核及优化 20
4 制造工艺及安装 21
4.1制造工艺 21
4.1.1封头的成形 21
4.1.2筒节的弯卷成形 22
4.1.3其它 22
4.2安装与拆卸 22
5 AUTOCAD二维模型图 23
总结 25
参考文献 26
致谢 27
附件： 27

武汉科技大学毕业论文（设计）任务书
系 部：

专业：

班级：

学生姓名：
周何清
指导教师/职称 ：

教授
1. 毕业论文（设计）题目：
浮头式换热器设计
2. 毕业论文（设计）起止时间：2012年3月22日～2010年4月22日
3.毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）
换热器设计原始数据
壳体规格Φ600；管箱规格Φ620；换热管规格 ∅25×2.5 L=6000

项目
壳程
管程
设计压力（Mp）
2.45
2.45
操作温度（进口/出口）℃
175/155
144/163
设计温度℃
200
125
介质
急冷油
锅炉给水

4.毕业设计（论文）应完成的主要内容
（1）换热器的发展概况
（2）总体参数设计计算
（3）传热学计算
（4）换热器的工程图设计

5.毕业设计（论文）的目标及具体要求
工程图：总装配图1张，部件装配图和零件图5张

6、完成毕业设计（论文）所需的条件及上机时数要求
熟悉autocad
上机100小时

任务书批准日期
2012/3/20
系主任/责任教授

任务书下达日期
2012/3/22
指导教师

完成任务日期
2012/4/22
学生签名
周何清

-Ⅰ-

武汉科技大学
毕业设计（论文）开题报告

题目名称
浮头式换热器设计
系部

专业班级

学生姓名
周何清
指导教师

辅导教师

开题报告时间
2012年3月-2012年4月

浮头式换热器设计

学　　生：周何清 武汉科技大学
指导教师：××××× 武汉科技大学
一、题目来源及其类型
题目来源：生产实际
题目类别：毕业设计
二、研究目的和意义
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，并朝大型化的方向研究发展。
三、阅读的主要参考文献及资料名称
[1] 史美中，王中铮.热交换器原理与设计[M].北京：东南大学出版社，1996
[2] 钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2003
[3] 郑津洋，董其伍，桑芝富.过程装备设计[M].北京：化学工业出版社，2005
[4]王志魁.化工原理[M].北京：化学工业出版社，2000
[5]贺卫国.化工容器及设备简明设计手册[M].北京：化学工业出版社，2003
[6]王志文.化工容器设计[M].北京：化学工业出版社，1990
[7]贺匡国.压力容器分析设计基础[M].北京：机械工业出版社，1995
[8]潘家祯.压力容器材料实用手册[M].北京：化学工业出版社，2000
[9]卓震. 化工容器及设备[M].北京：中国石化出版社，1998
[10]GB 150-1998钢制压力容器[S].北京：中国标准出版社，2003
[11]GB 151-1999管壳式换热器[S].北京：中国标准出版社，2004
[12]HG 20582-1998钢制化工容器强度计算规定[S].化工部工程建设标准编辑中心出版，1998
[13] JB 4732-1995钢制压力容器——分析设计标准[S].北京：新华出版社，1995
四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向
1、换热器及传热研究的发展趋势与现状
换热器是一种广泛使用的工艺设备，在炼油、化土行业中是主要豹工艺设备之一。因此，换热器的研究倍受重视。从换热钳的设计、制造、结构改进到传热机理的试验研究一宣都在进行。特别是七十年代初发生能源危机以来，各国都纷纷寻找新的能源及节约能源的途径，而换热器是节约能源的有效设备。在亲热回收、利用地热、太阳能等方面都离不开换热器。因而各国都在致力于研究各种高性能换热器及换热元件，其中不少是国家直接下达的重点课题。近年来换热器及传热技术的发展主要表现在下列几个方面。
（1）．研究工作的动向
目前世界上每年发表有关传热及换热设备方面的文献约在六千篇以上。有关新能源开发的文章日趋增多，研究的重点是传热机理、传热强化、两相流、模拟及测试技术、计算机应用、振动、污垢以及与能源利用和环境保护有关的新型高效换热器。对传热基础理论的研究探讨1‘分重视，一种新的动向是：从数学校型和物理模型出发，用数学方法推导出精确的计算公式。
（2）．计算机的使用
应用计算机不仅节省了入力、提高了效率，而且可以进行最优化设计与控制，使其达到最大技术经济性能。例如美国帕斯卡古拉炼油厂常减压装置的原油换热系统，由于采用了换热系统的最佳化设计及其他改进措施，平均传热系数达到 445千卡／m2·小时·℃。传热分析、应力分析、信息储存与检索以及模拟和控制均编有程序。有些程序从工艺设计开始，直到绘出图纸。计算机自动绘图机只需十几分钟即可绘一张标准换热器图纸。目前，美国HTRI换热器设计程序在国外无疑是具有代表性的，已被许多国家所引进。此外，其他国家也开发了一些自动设计系统和程序。如英国HTFS开发的TASC等程序；1975年英国国家工程实验室(NEL)和剑桥计算机辅机设备中心合作，按美国管壳式换热器制造商协会(TEMA)标准，编制管完式换热器机械设计程序STEM。这一程序不但可对TEMA标准中的所有“R”、“C”、“B”三类换热器进行各种设计计算，列出二系列不同参数以供选择，而且能自动绘出换热器的平面布置与管板布置图，到1978年底己能提供全部TEMA标准投热器的制造施工图。以后又结合英国标准协会(SBI)1976年公布的压力容器规范BS·5500编制了换热器的机械设计程序；苏联也有CAHTA自动设计系统； 日本HEADS自动设计系统是由三菱工程及造船有限公司研制的，使用该系统，仅仅输入最少的数据，就能迅速地得到机械的没计图表及图纸，该系统除适用于日本的JIS8234压力容器结构及(日本)高压气体控制法规外，还适用干ASME规范第Ⅷ篇第—分篇以及TEMA的“R”、“B”、“C”类；此外日本神户制钢的HEXAPACKS自动设计绘图系统以及用于换热器动特模拟的三菱HEDDY数字模拟系统等也已推行于世。
（3）。高温高压换热界的进展
随者工艺的进展和大型化装置的出现，大型高温高压换热器的使用越来越多。炼油厂加氢换热器就是一个例子。近年来，高温高压换热器在结构、材料和制造方面都有一些进展，管箱和密封结构均有一些改进，管的进口区的热防护获得一些改善。另外还采用了薄管板或挠性管板结构以减小热应力；使用小管子密排列，改善了管子与管板的连接。
（4）．大力开展关于振动的研究
自60年代末，为了适应大型化装置的工艺要求，换热器也随之大型化。国外管壳式换热特最大直径已达φ4650毫米，传热面积达到6700米2，重达260吨。在大型化过程中所遇到的一个复杂问题就是管束的振动。由于大型化而加剧了核电站换热器的振动破坏，因此人们对管壳式换热器振动研究的兴趣与日俱增。大型换热器在高流速下尤其容易产生振动，振动位管子破裂，损坏设备的就础与管路，同时产生噪音。迄今虽然有关振动方面的问题，还远未被人们认识清楚，但是通过大量的试验研究，现在已经能预测管束的自振频率，从而在设计小可以确定出适当的流速范围，以防止流体的激振。此外，在结构设计上也采用了一些防振措施，例如菲利普斯石油公司设计了一种没有普通折流板的管壳式换热器，采用一组栅格式紧固控置代钵折梳板，管束被井个型的栅格条紧紧固定，栅格条同管于外壁之间水留间隙。使用纳果表明，这种结构有效地克服了管束的振动，延长了管子为寿命，而且结构紧凑，符合小管径、密排列的原则，提高了工艺性能，使完程压降降低丁二分之一，且不易淤塞脏物，清洗方便。
（5）．发展强化传热管
传热管是管壳式换热器的主要传热元件。国外对传热管的研究非常重视，通过改进传热管的性能，就能提高换热器的性能。强化传热管的方法主要有两种：一种是尽量扩大它的有效传热面积，但又不过分增大流阻，例如将管子的内、外表面轧制成各种不同的表面形状，促进流体产生湍流提高传热性能，如翅片管、螺纹管等。有的国家已成批生产翅片管换热器，并已标谁化、系列化。我国也在炼油厂中使用螺纹管换热器，只要使用条件恰当，工艺流程合理，总传热系数就可以大大提高。1967年兰州炼油厂12单元仗用一台螺纹管换热器，K厦高达500大卡·／米”·小时·飞。1981年南京炼油厂实行节能改造，使用了螺纹管换热器，实测K值达370 ~ 400千卡／米“·小时·t。另一种方法是改良传热表面的性能，使之既符合传热机理的要求，又能充分发挥其特点，如美国联合碳化公司研制成功的一种表面多孔管，可以使汽抱核心的数量大幅度增加，从而使拂腾给热系数提高十倍乃至几十倍，总传热系数一般可提高五倍左右，并民还有很好的抗污垢能力。国内一些单位（如北京化工研究院等）也研究试制成功了表面多孔管，并得到了应用（如在南京炼油厂用于重沸器）取得了明显效果。新的强化传热管还有单面纵槽管、双面纵槽管、周向波纹管、螺旋波纹管等。
（6）．采用新材料
由于工艺条件日趋苛刻，迫切需要一些新的材料。在换热器制造中，由于钦具有很高的抗腐蚀性能、高的强度限和屈服限，且比重小、重量轻，又有一走的杭污塞性，因此西德在含氯溶液中采用了钦制换热器，在炼油厂中使用钦制冷却器和冷凝器。现在钦制换热器的应用有了迅速的增加。渗铝管换热器及镀锌钢管换热器的使用也日益增多。非金属材料方面最具有代表性的是聚四氟乙烯塑料，自美国杜邦公司于六十年代中期研究成功这种塑料换热器以来，由于它优越的抗腐蚀抗污垢性能，国外推广使用很快，到了七十年代，凡是适用这种换热器的场合，几乎达到了普及的地步。此外还有石墨换热器，一般使用压力为3公斤／厘米2，使用温度为150 ~ 170℃。
（7）．控制结垢及高效运行
美国传热研究公司对换热器的污垢问题已进行了多年的研究。通过对污垢形成的机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而为控制结垢、适时清洗提供了途径和依据。广泛采用涡流测试技术来加强运行中的检漏，使快要损坏的管子能及早得到更换或堵漏，避免非计划停工损失。在换热器中采用有机涂层，能有效地防止海水腐蚀，且不易结垢（若是涂于冷凝侧还可以变成滴状冷凝从而强化传热）。此外，国外对发展换热器的清洗技术极为重视，组织专业的维修清洗公司，针对不同条件，采取最适合的清洗方祛，并研究了专门的清洗设备和工具，如化学清洗车、高压水
清洗车及管束拔出装置等。这样就能保证换热器高效率、低消耗、长周期的运行。
（8）．热管换热器的使用
热管是利用小的表面积传递大的热量，体现了一种优良的设计方法。热管是六十年代中期在宇航工业中发展起来的新型传热元件，于七十年代进入民用工业，由于它具有效率高、压降小、结构简单、紧凑性好等优点，发展较为迅速。美国道（Dow）化学公司采用琼一多特（Q一Dot）公司生产的不锈钢热管空气预热器，在一座190万千卡／小时的加热炉上回收余热，使烟气出口温度从原来的3”t降到168t以下，并使进风温度提高了230t ,每小时回收余热25 . 2万千卡，从而使加热炉的天然气消耗量减少巧纬。1979年美国卡特拉斯堡炼油厂的重整加热炉上使用了热量为80万千卡／小时的热管换热器闭。美国杜邦化学公司在一套化工装置上采用一套由埃索舍默克斯（Isothermics）公司制造的铝质热管空气预热器，其造价仅为普通空气预热器的25%，而安装费用相同，故获得了显著的经济效果叻。国内科学院力学研究所、重庆大学等单位首先引进和研究热管技术。近几年来，一些研究单位及炼油厂都先后开展了热管换热器的试制研究工作。一些炼油厂开始采用热管换热器来回收烟气中的低温余热提高了热效率，取得了较好的应用效果。
2、换热器及传热研究的主攻方向
当前换热器发展的基本动向是继续提高设备的热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化、系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。同时仍然注意基础理论及测试方法的研究。
（1）、新能源换热器的研究
能源的充分供应对发展生产，保持并提高人类的生活水平是必不．JT少的。尽管能源的供应前景仍不乐观，但是工业和民用的需求却在日益增长，这是世界范围内极需解决的问题。要求集中力量研究各种形式的能量转换技术，有效地利用能源。核能是有前途能源，核电站的大型换热器，要解决多项重大技术难关，也是换热器技术发展的尖端。太阳以辐射传热的方式将热量传给地球。太阳能的利用尽管受到地理、气候、昼夜、季节的限制，但它不影响地球大气的热量平衡，而且不消耗燃料，没有污染，很有开发价值。由于世界上能源日益紧张，许多国家在使用新技术的基础上，开发利用太阳能。美国制定了一项太阳能发展计划，预期到公元2000年要供给全国热消耗的20％以上。但是太阳能比较分散，经物质吸收后，温度不高，如何提高转换效率，在技术上有相当难度，其中换热器的结构设计，是关键问题之一。地热也是一种丰富的能源，但是大都温度不高（低于100t)，用这种资源丰富、低焙的热能来发电在国内外都是新课题。地热换热器的热介质大部分是地热水，少部分是蒸气。换热器应具有耐污垢、耐腐蚀、高效率、易清洗的性能。地热利用在很大程度上取决于换热器的性能，因此必须加紧进行地热换热器的研究工作。
（2）．余热回收装置的研究
工业余热的利用潜力很大，对生产影响显著，主要是：1000℃左右的高温热量及其高压能量的合理利用，这是石油化学工业的关键技术之一。从换热器的整体结构、各类管板的结构设计、热膨胀补偿方法直到高温侧热通量的控制，都有许多课题极待解决；100 ~200t的低温余热回收，对一般企业有普遍意义。企业的热利用率低的原因大多是低温位热能没有很好地利用起来。这种热能量大面广，合理利用有着巨大的现实意义。
（3）．紧凑式换热器的研究
紧凑式换热器包括板翅、板式、板壳式等换热器，它们具有优异的性能，在采用多流道布置后，其优越性更为显著。板式换热器需要改进密封结构，指强板片的刚度，研究新的垫片材料以提高操作温度和操作压力是今后发展的重点。板壳式换热器由于从结构上解决了耐温、抗压和高效之间的矛盾，因而在化学工业中很快得到推广应用。但是，由于它的制造工艺比较复杂，焊接要求高，因而今后应注重改进结构设计，发展新的成型和焊接工艺。
（4）．强化传热管的研究
近年来国内外在采用强化传热管改进换热器性能、提高传热效率、减少传热面积、降低设备投资等方面，取得了显著的成绩。强化传热管同时也是利用低温位热量的关键部件。表面多孔管可以在非常小的温差下产生很多的饱核，使汽化核心增加许多倍，但是制造工艺要求比较严格，且生产成本也高，这些都是今后有待解决的问题。
（5）．换热器基础技术理论及测试技术的研究
发展基础理论是指导推进设计研究的必要前提。例如小温差传热的强化是解决低位新能源开发的关键；污垢和防蚀的研究对换热器的设计、运行有重大的影响；有相变传热的研究关系到能量的转换及传质技术。
传热和换热器测试技术的研究，可以使试验分析工作进行得更精确、更迅速。高效换热设备的研究，使得传热表面形状更加复杂，流体流动更加不规律，因此需要更加先进的测试手段。
此外，两相流动及传热；非牛顿型流体的流变特性的测定；核反应堆的安全措施等都是现在和今后研究的课题。
3、国内换热器发展前景
在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。
在我国随着经济快速发展的同时，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。
70年代的世界能源危机，有力促进了换热强化技术的发展。为了节能将耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效换热设备。所以这些年来，换热器的开发和研究成了人们关注的课题。当今换热器技术的发展以CFD（计算流体力学技术）、模型化技术、强化传热技术等形成一个高技术体系。所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系数指提高流体和传热之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理：温度边界层减勃和调换传热面附近的流体。
因此最近十几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的发展，凝结是工业中普遍遇到的另一种相变换热过程，凝结换热系数很高，但经过强化措施还可以进一步提升换热效率。
1. 管外凝结换热的强化
（1）冷却表面的特殊处理
对冷却表面的特殊处理，主要是为了在冷却表面上产生珠状凝结。珠状凝结的换热系数可比通常的膜状凝结高5~10倍，由于水和有机液体能润湿大部分的金属壁面，所以应采用特殊的表面处理方法（化学覆盖法、聚合物涂层法和电镀法等），使冷凝液不能润湿壁面，从而形成珠状凝结。用电镀法在表面涂一层贵金属，如金、铂、钯等效果很好，缺点是价格昂贵。
（2）冷却表面的粗糙化
粗糙表面可增加凝结液膜的湍流度，亦可强化凝结换热。实验证明，当粗糙高度为0.5mm时，水蒸气的凝结换热系数可提高90%。值得注意的是，当凝结液膜增厚到可将粗糙壁面淹没时，粗糙度对增强凝结换热不起作用。有时当液膜流速较低时，粗糙壁面还会滞留液膜，对换热反而不利。
（3）采用扩展表面
在管外膜状凝结中常常采用低肋管，低肋管不但增加换热面积，而且由于冷凝流体的表面张力，肋片上形成的液膜较薄，因此其凝结换热系数可比光管高75%~100%。
应用螺旋槽管和管外加螺旋线圈。螺旋槽管，管子内外壁均有螺纹槽，既可强化冷凝换热，又可强化冷却侧的单相对流换热，与光管相比其凝结强度可提高35~50%。在管外加螺旋线圈，由于表面张力使凝结液流到金属螺旋线圈的底部而排出，上部及四周液膜变薄，从而凝结换热系数有时甚至可提高2倍。
2. 管内凝结换热的强化
（1）扩展表面法
采用内肋管是强化管内凝结的最有效的方法，试验表明，其换热系数比光管高20~40%。按光面计算则换热系数可高1~2倍。
（2）采用流体旋转法
采用螺旋槽管等流体旋转法可以强化凝结换热。换热效率同比提升30%，但此时流动阻力也会增加。
（3）改变传热面形状
改变传热面形状的方法有多种，其中用于无相变强化传热的有横波纹管、螺旋螺纹管和缩放管，还有螺旋扁管和偏置折边翅片管。都是高效换热元件。
值得注意的是，在强化凝结换热之前，应首先保证凝结过程的正常进行。例如，排除不凝气体的影响，顺利地排除冷凝液等。改变实践证明，在降低流体在壳程的阻力并保证流体在湍流状态下流动，这样才能充分的提高介质的换热系数，内翅片管、横螺纹管、螺旋螺纹管都一样，不但可用于单相对流传热，也可以有效的用于管内流动沸腾传热（螺纹管在湍流时可使对流传热系数增加一倍多）。当然现在各式换热器的设计各有新颖之处，结构上各具特色。原有的换热器厂家最近也研制出一种新型Hybrid换热器，他克服了板式因密封问题而受到限制的弱点，很有发展前途。
近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。换热器的作用可以是以热量交换为目的。在即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。换热器的作用不同，其设计、选型、运行工况也各不相同。对换热器的基本要求是换热器要满足换热要求，即达到需求的换热量和热媒温度;换热器的热损失要少，换热效率要高;流动阻力要小;要有足够的机械强度，抗腐蚀和抗损坏能力要强，维护工作量要少;结构要合理，工作要安全可靠，即零部件之间因为温升而产生的热应力不会导致换热器破裂;要便于制造、安装和检修;经济上要合理，设奋全寿命期的总投资要少（总投资包括设备及附属装置初投资费用和运行维护管理费用）;生活热水系统的换热器应易于清除水垢，以上要求常常相互制约，难于同时满定，因此应视具体情况，在换热器的选型和设计中有所侧重，满足工程对换热器的主要要求。因为换热器故障率较低，并且供暖为季节性负荷，有足够的检修时间，生活热水系统暂停供热也不会造成重大影响，所以可不设备用换热器。换热器台数的选择和单台能力的确定应适应热负荷的分期增长，并考虑供热的可靠性。
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。国内经济发展带来的良好机遇，以及进口产品巨大的可转化性共同预示着我国换热器行业良好的发展前景。同时，行业发展必须要注重高端产品的研发。
4、国外换热器发展前景
在国外二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展，这一类换热器不但是从材料上有了较大的突破，而且采用新颖的理念，增加强化传热。70年代中期，为了进一步减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，人们更是采用各种科学的办法来增强换热器内的传热。
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。现就几种新型换热器的特点简介如下：
（1）、气动喷涂翅片管换热器
俄罗斯提出了一种先进方法，即气动喷涂法，来提高翅片化表面的性能。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。用该方法不仅可喷涂金属还能喷涂合金和陶瓷（金属陶瓷混合物），从而得到各种不同性能的表面。
通常在实践中翅片底面的接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。为了评估翅片管换热器元件进行了试验研究。试验是采用在翅片表面喷涂ac－铝，并添加了 24a白色电炉氧化铝。将试验所得数据加以整理，便可评估翅片底面的接触阻力。
将研究的翅片的效率与计算数据进行比较，得出的结论是：气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。为了证实这一点，又对基部（管子）与表面（翅片）的过渡区进行了金相结构分析。
对过渡区试片的分析表明，连接边界的整个长度上无不严密性的微裂纹。所以，气动喷涂法促进表面与基本相互作用的分支边界的形成，能促进粉末粒子向基体的渗透，这就说明了附着强度高，有物理接触和金属链形成。
因而气动喷涂法不但可用于成型，还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上，也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。可以预计，气动喷涂法在紧凑高效换热器的生产中，将会得到广泛应用。
（2）、螺旋折流板换热器
在管壳式换热器中，壳程通常是一个薄弱环节。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系统（z字形流道），这样会导致较大的死角和相对高的返混。而这些死角又能造成壳程结垢加剧，对传热效率不利。返混也能使平均温差失真和缩小。其后果是，与活塞流相比，弓形折流板会降低净传热。优越弓形折流板管壳式换热器很难满足高热效率的要求，故常为其他型式的换热器所取代（如紧凑型板式换热器）。
对普通折流板几何形状的改进，是发展壳程的第一步。虽然引进了密封条和附加诸如偏转折流板及采取其他措施来改进换热器的性能，但普通折流板设计的主要缺点依然存在。
为此，美国提出了一种新方案，即建议采用螺旋状折流板。这种设计的先进性已为流体动力学研究和传热试验结果所证实，此设计已获得专利权。此种结构克服了普通折流板的主要缺点。
螺旋折流板的设计原理很简单：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倾斜度。相邻折流板的周边相接，与外圆处成连续螺旋状。折流板的轴向重叠，如欲缩小支持管子的跨度，也可得到双螺旋设计。
螺旋折流板结构可满足相对宽的工艺条件。此种设计具有很大的灵活性，可针对不同操作条件，选取最佳的螺旋角；可分别情况选用重叠折流板或是双螺旋折流板结构。
（3）、新型麻花管换热器
Alares公司开发了一种扁管换热器，通常称为麻花管换热器。美国休斯顿的布朗公司做了改进。螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单，但有许多激动人心的进步，它获得了如下的技术经济效益：改进了传热，减少了结垢，真正的逆流，降低了成本，无振动，节省了空间，无折流元件。
由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动，促进了湍流程度。该换热器总传热系数较常规换热器高40%，而压力降几乎相等。组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。
该换热器严格按照ASME标准制造。凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代。它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值。估计在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景。
（4）、非钎焊绕丝筋管螺旋管式换热器
在管子上缠绕金属丝作为筋条（翅片）的螺旋管式换热器，一般都是采用焊接方法将金属丝固定在管子上。但这种方法对整个设备的质量有一系列的影响，因为钎焊法必将从换热中“扣除”很大一部分管子和金属丝的表面。更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎会造成机器和设备堵塞，随之提前报损。
俄罗斯推荐一种新方法制造绕丝筋管，即借助在管子上缠绕和拉紧金属丝时产生的机械接触来固定筋条。采用此法能促进得到钎焊时的连续特性（即将金属丝可靠地固定在管子上，而管子的截面又不过分压紧），故对于金属丝仅用做隔断时，可以认为是较钎焊更受欢迎的方法。但若利用金属丝作为筋条（翅片）以增加换热面积时，只有当非钎焊筋条的有效传热面不小于钎焊连接时，才应更偏重于此方法。
试验表明，当金属丝与管子为线性接触时，有效传热面最大，但此时金属丝会沿管子滑动。所以关键是要选取最佳的接触宽度，也就是绕丝时管子变形留下的痕迹的宽度。这样，非钎焊时的有效传热面要比钎焊时大。
该换热器推荐用于氦技术和冷却工艺。
5、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路
（1）、毕业设计应完成的主要内容
1）换热器的发展概况
2）总体参数设计计算
3）传热学计算
4）换热器的工程图设计
（2）、毕业设计的目标及具体要求
工程图：总装配图，部件装备图各一张；零件图3张
（3）、需重点研究的关键问题及解决思路
关键问题：换热器总体设计计算及工程图的设计绘制；
解决思路：借助相关的换热器设计手册及计算机辅助设计软件进行设计计算及绘图
6、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件（如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等）及解决的办法
为完成本毕业设计，将运用在校学习的工程制图，力学，材料学，过程装备设计及计算机等相关知识，结合在生产实习等实践教学中，学习的换热器及零部件的加工制造和装配知识，以及学习的有关换热器的设计知识，通过对各种技术资料的收集调研，分析计算，设计绘图的实践，学习掌握由原理方案的设想，转化为结构的设计思路及设计方法。熟练掌握各方面的知识。
计算机辅助设计软件：SW6-1998 v6.0 、AutoCAD2004 、管壳式换热器工艺计算软件(THecal Ver 1.3)、 换热器工艺计算器 3.0、 MS office等软件
工具书：化工英汉词典、化工设计手册、GB 150-1998钢制压力容器、GB 151-1999管壳式换热器
7、工作的主要阶段、进度与时间安排
预计用4周完成毕业论文，具体时间安排如下：
第1周：选题及联系导师，确定毕业设计任务书，查找资料，编写开题报告；
第2周：与老师商讨，确定开题报告根据论文题目进一步查找材料完成论文大纲交老师批阅，依据论文大纲完成论文一稿交老师批阅；
第3周：完成论文二稿交老师批阅，翻译相关英文资料完成论文三稿；
第4周：完成相关论文简介、答辩提纲等，定稿打印。
八、指导教师审查意见

-Ⅱ-
浮头式换热器的设计
学　　生：周何清 武汉科技大学
指导老师： …… 武汉科技大学
[摘要]
本次设计的题目为浮头式换热器。浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗。在化工工业中应用非常广泛。本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求，在结构的选取上，采用了2-4型，即壳侧两程，管侧四程。首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构。然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，之后对有些部件结构通过计算进行强度优化，最后提出一些制造与安装方面的问题。二维工程图由autocad绘出。
[关键词]：换热器；浮头；管壳

-Ⅶ-
制造工艺及安装

浮头式换热器的设计

前言
浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，管壳式换热器以其对温度、压力、介质的适应性，耐用性及经济性，在换热设备中始终占有约70%的主导地位。因此管壳式换热器的标准化工作为世界各工业发达国家所重视，也为ISO国际标准化组织的所重视。因此出现了TEMA、API660、JISB8249等一批管壳式换热器标准，ISO目前也正在与API联手并会同有关国家编ISO管壳式换热器标准。总的来说管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。管壳式换热器主要有固定管板式，U型管式和浮头式换热器。
针对固定管板式与U型管式的缺陷，浮头式作了结构上的改进，两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力。浮头式换热器的优点还在于方便拆卸，清洗方便，对于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况很能适应。其缺点在于结构复杂、填塞式滑动面处在高压时易泄露，这使其应用受到限制，适用压力为：1.0Mpa～6.4Mpa。
按照设计要求，在结构的选取上，为了增大温差校正系数，采用了2-4型，即壳侧两程管侧四程。首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构。然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，在结构设计时，要考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、流体性质以及便于拆卸等等。之后对有些部件用公式进行了强度校核并进行对其优化设计。由于时间和资料有限，本人的认识也不够全面，在设计过程中可能还存在许多问题，望老师们给予批评和指正。
1 热力计算
水进口温度：=144℃
水出口温度：=163℃
水工作压力：P2=2.45MPa
油进口温度：=175℃
油出口温度：=155℃
油工作压力：P1=2.45MPa
壳体内径：DS=600mm
管箱内径：DN=620mm
换热管规格：∅25×2.5 L=6000
1.2定性温度和物性参数计算
水的定性温度：
（1）
水的密度：ρ2=913kg/m3
水的比热：Cp2=4.32kJ/kg℃
水的导热系数：k2=0.686W/m℃
水的粘度：μ2=168.8×10-6
水的柏朗特数：Pr2=1.08
油（柴油）的定性温度：
（2）
油的密度：ρ1=715 kg/m3
油的比热：Cp1=2.48 kJ/kg℃
油的导热系数：k1=0.133 W/m℃
油的粘度：μ1=6.4×10-4
油的柏朗特数：
（3）
1.