开题报告及文献综述

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告

学生姓名：    侯月        班级：    热能12K3          

所在院系：   动力工程系    所在专业：热能与动力工程          

设计（论文）题目：    无相变套管式换热器设计编程      

指导教师：  梁秀俊         

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毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告

无相变套管式换热器的研究

1 研究背景及意义

    近年来，能源短缺的问题在世界各国都越来越严峻。由于中国人口众多，发展迅速，一直以来都是一个能源消耗大国，能源短缺的问题尤为突出。因此，如何釆用先进技术，达到节能减排，使能源能被高效利用的目的，以解决能源短缺问题迫在眉睫。在一般工业过程中，例如石油化工、冶金和制药等，能量消耗较大的主要热量交换设备就是换热器[1-3]，因此对换热器的传热性能的提高和阻力特性的改进对降低能耗、提高能源有效利用率有着巨大的潜力[4]。随着国家环保节能，可持续发展的提出，人们环保意识的增长，新技术的日益更新，新材料的不断出现，国家和企业对新型高效环保节能的套管式换热器的要求会越来越高[5]。通过对套管式换热器的传热过程和传热系数的研究，套管式换热器的实际工作环境，安全可靠性，安装，操作，维修等方面的研究，提出新的方法和理论，改进换热器的工作效率。传热性能更好，造价更低的各种新型材料将会在套管式换热器的设计和制造中大量出现和使用。在设备工程中，节能环保始终排在优先地位。套管式换热器的设计也不例外，如何利用更小的能耗更低的污染来实验热量传导的最大化是套管式换热器[5]以后发展的重中之重。

对于一般的热交换过程，釆用高效的换热设备，可以提高热量的交换效率，同时又能使得完成一定的热量交换任务所需要的换热设备体积减小，从而使设备的建设投资减少。另外因为换無设备体积减小，也使得换热网络的布局更加紧凑，换热设备和附属设备的占地面积减小，从而节省设备占用的空间和投资成本。在泵功一定的条件下，采用高效的换热设备可以交换更多的热量，也就是说高效的换热设备[7]可以降低交换一定热量的动力消耗。对于针对化学反应过程中的热交换的换热设备，高效的换热设备还能够将化学反应中的放热反应释放出的热量高效快速地传递出来，能够极大的改善化学反应过程中温度的控制，能够使得反应过程更稳定，更安全，产品质量更高，可以极大的节约成本，进而产生重要的经济效益。

套管换热器作为一种高效的换热设备，主要结构是由两种大小不同的标准管组成的同轴套管。套管式换热器内、外管的材质可以有紫铜、镍白铜、不锈钢、钛等，其可广泛应用于冷水机组、热泵机组、热回收机组等制冷空调行业、空气源热泵热水器、游艇、船舶海洋空调、制药行业、食品行业、化工行业等领域。在各个生产领域中，要挖掘能源利用的潜力，必须合理组织热交换过程并利用和回收余热，这往往和正确的设计热交换器[8]密不可分，同时随着生产规模的扩大和生产技术的现代化，热交换器技术的研究必须满足各种特殊情况而又条件苛刻的要求，因而各国在组织大规模工业生产的同时，都很重视热交换器的研究。

在该换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两种流体都可以在较高的温度、压力、流速下进行换热。优点是:1) 可以实现纯逆流流动，对数平均推动力较大;2) 两侧流体均可达到较高的流速，使传热面的两侧都可以有较大的传热系数;3) 结构简单，制造难度较小;4) 能承受高温、高压，耐压较高，且压降一般较小。对套管式、管壳式换热器的换热效果进行比较，可以得出套管式换热器换热效果比较好的结论; 同时套管式换热器占地小，设计难度相对较小，可以大大节约成本。鉴于以上特点，选用套管式换热器，就可以提高管壳程流速，提高换热效率。

2 国内外研究现状

    21世纪后，大量的强化传热技术应用于工业装置，我国换热器产业在技术水平上获得了快速提升，换热器日渐崛起。如兰石换热设备公司板式换热器成功进入国内核电建设项目常规岛和核岛领域，并陆续将板式换热器用于大乙烯项目、钛白粉生产线等领域。四平巨元瀚洋板式换热器公司也成功进入大亚湾二期岭澳核电站的常规岛和核岛领域。最近几年，我国还在套管式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、高效节能板壳式换热器、大型板式空气预热器方面获得了重大突破。

    目前国内对套管式换热器的研究及设计与国外还有一定的差距，而且生产制造厂家多而凌乱，规模均相对较小。在美国套管换热器目前做得比较好的有 TUBOTEC 和 PACKLESS[8-9]，其套管换热器的设计基于内管的多头螺旋槽，使制冷剂能均匀地分配到各个螺旋槽中，在制冷剂流动过程中会绕内管轴芯运动。从而获得高效的换热效果。这种内管设计不同于国内普通的套管换热器，普通套管换热器的换热管为内螺纹铜管束或高效低翅换热管[10]而非多头螺旋管，所以既能作冷凝器，又能作蒸发器使用。尽管我国在部分重要换热器产品领域获得了突破，但我国换热器技术基础研究仍然薄弱。与国外先进水平相比较，我国换热器产业最大的技术差距在于换热器产品的基础研究和原理研究，尤其是缺乏介质物性数据，对于流场、温度场、流动状态等工作原理研究不足。在换热器制造上，我国目前还以仿制为主，虽然在整造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片压制方面与发达国家还有一定的差距。在设计标准上，我国换热器设计标准和技术较为滞后。目前，我国的管壳式换热器标准的最大产品直径还仅停留在2.5米，而随着石油化工领域的大型化要求，目前对管壳式换热器直径已经达到4.5米甚至5米，超出了我国换热器设计标准范围，使得我国换热器设计企业不得不按照美国TEMA[11]标准设计。更为严重的是，我国在大型专业化换热器设计软件方面严重滞后。目前我国在换热器设计过程中还不能实现虚拟制造、仿真制造，缺乏自主知产权的大型专业计算软件。由于在换热器的相关工艺计算、传热计算和振动模型的计算方面缺少大型专业化软件支持，使得我国对设计出来的换热器产品无法准确预计其使用效果，这使得我国企业在换热器产品招标过程中处于不利地位。

3 本文研究内容及方法 

本课题研究的的主要内容套管式换热器设计计算和编程。

方法如下[6]：

参考文献

[1]史美中,王中铮.热交换器原理与设计[M].南京:东南大学出版社, 2009

[2]王国胜.化工原理课程设计[M].大连:大连理工大学出版社, 2006

[3]任晓光.化工原理课程设计指导[M]. 北京:化学工业出版社,2009

[4]申迎华,郝晓刚,申迎华,郝晓刚. 化工原理课程设计[M].北京:化学工业出版社,2009

[5]董其伍、张垚.换热器[M]. 北京:化学工业出版社,2008

[6]杨世铭、陶文铨.传热学[M]. 北京:高等教育出版社,2006

[7]刘兵.化工单位操作课程设计.第二版.北京：化学工业出版社，2009 [11]李功祥，陈兰英，崔英德.常用化工单位设备设计（第二版）.广州.华南理工大学出版社，2009.

[8]FAN Hong － ming，HE Zhong － yi，WANG Xiao － hua．Large Eddy Simulation of a Curved Duct Flow ［J］． Jouralof Hydrodynamies Ser. A，2001，16 ( 1) : 78 － 83

[9] Jacobi AMShah g K． Heat Transfer Surface Enhance-ment Through the Use of Longitudinal Vorticcsa Ｒeviewof Ｒecent Progress ［J］． Experiment Thermal and FluidScience，1995，ll [12]: 295 － 309

[10] Fiebig M． Vortices Generators and Heat Transfer ［J］．Trans ICHem E，1998，76 ( 2) :108 － 172

[11]Yilmaz MComakli OYapici S． Enhancement of Heat Transfer by Turbulent Decaying Swirl Flow ［J］． EnergyConversion and Management，1999，40 ( 13 ) : 1365 －1376