沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计（论文）
第1章 引 言
换热器是广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业的一种通用设备。换热器的种类繁多，若按其传热面的 形状和结构进行分类可分为管型，板型和其他型式换热器。而管型换热器又可分为蛇管型换热器、套管式换热器、管壳式换热器。板型换热器可分为螺旋板式换热器、板式换热器、板翘换热器、板壳式换热器。其他型式的换热器是为了满足一种特殊要求而出现的换热器，如回转式换热器，热管式换热器等。在 众多类型的换热器结构中，管壳式换热器是用得最广泛得一种换热设备类型。
BIU1200甲烷换热器是典型的管壳式换热器的一种U形管换热器设备。U 形管换热器的结构是只有一块管板，管束由多跟 U 形管组成，管的两端固定在同一块管板上，换热管可以自由伸缩。它的优点：以 U 形管尾部的自由浮动解决了温差应力的问题。结构简单，价格便宜，承压能力强。缺点：由于受管弯曲半径的限制，布管较少。壳程流体易形成短路。坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。 适用范围：是换热器中唯一可用于高温，高压，高温差的换热器。适用于管壳壁温差较大或壳程介质结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板的场合。
1.1换热器国内外发展现状及发展趋势
近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补 。
据统计，2001～2009年，我国平均每年从国外进口换热器32.49万台，总金额达到34.02亿美元。其中，仅2004年一年就进口了34.11万台，共计4.9亿美元。虽然，我国的换热器出口数量也不少，但其规模远远小于进口规模。2001年，我国换热器的进口数量、金额和均价分别比出口数量、金额和均价多44640台、8021.6万美元、245.72美元/台；但到了2005年，进出口间的差距已扩大到75667台、34517万美元和1347.57美元/台。这说明，我国换热器市场增长的速度远远超过了供给增长的速度。通过对U形管换热器产品近几年市场价格的跟踪与检
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测，U形管换热器在我国的发展历程和现状，U形管换热器发展项目的宏观的发展环境，U形管换热器市场竞争状况激烈，U形管式换热器在国内外的企业优势，U形管式换热器项目产业发展的前景与其趋势，以及中国本土对U形管换热器的项目产业发展的问题，都是我们要在未来所要解决的问题［1］。
本设计所需的一些软件，如SOLIDWORKS软件，它自1996年问世之后，就进入了中国的CAD/CAM市场，数年来SOLIDWORKS软件在草图图元类型，编辑和复制草图功能，以及编辑与复制特征功能上，都有长足的进步，更增添了许多有关曲线以及曲面的构图功能，可以让设计师更方便地建立脑海中想要的造型。Solidworks一贯倡导三维机械设计软件的“功能强大”、“易用性”和“高效性”。使用Solidworks进行产品设计，设计人员不仅能体会到Solidworks强大的建模能力、装配能力以及灵活的工程图操作，而且可以感受到Solidworks设计时所带来的轻松和效率[2]。
在国内，最流行的CAD软件莫过于AutoCAD。但在整个CAD工程应用领域，AutoCAD等二维CAD软件只能被称为低端应用，而面向汽车和飞机等复杂产品设计应用的CATIA、UG和Pro\\ENGINEER等称为高端CAD软件。近年来发展迅猛的Solidworks、Solidworks等被称为CAD中端软件。为了适应新的形势，国家劳动和社会保障部启动了全国现代制造技术应用软件远程培训工程，以解决数控技工紧缺等突出问题，为现代制造技术的应用和推广打下良好的人才基础。同时我国也加紧了在国产CAD/CAM/CAE软件的研发工作，国产CAXA系列CAD/CAM软件就是其中之一，CAXA系列CAD/CAM软件具有技术领先、全中文界面、易学、实用等特点，是一套Windows原创风格、功能强大的三维造型、曲面实体完美结合的CAD/CAM一体化软件。CAXA制造工程师为数控加工行业提供了造型设计、生成加工代码、检验一体化的的全面解决方案，目前已广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、机械加工、电子、电力、家电、轻工、设备制造等行业。
在这些CAD/CAM/CAE软件中中端软件Solidworks在设计效率、操作的便易程度等方面，都是当之无愧的佼佼者。中端CAD软件在功能方面稍逊于高端CAD软件，但已经完全可以满足产品设计的所有要求，命令执行过程更为简单直观，拥有较高的建模效率因而特别适合中小企业。它对于现代产品开发过程的支持体现在下下面几个方面：1、采用三维方式表达产品模型。2、参数化。3、一致
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性。4、对于高级设计技术的支持：自顶向下设计。5、丰富的工程应用支持。6、丰富的检测手段，保持设计数据的一致性，降低设计失误。7、产品展示。8网络互动与协作[3]~[4]。
Solidworks公司刚发布的最新版本SolidWorks2008,除了有超过200项新增功能外，还推出了创新的Solidworks智能特性技术――SWIFT。该技术首次将3D CAD最具挑战性设计操作中的专家级技术交付到每位用户手中。SWIFT技术平台，包括特征专家、草图专家、配合专家、尺寸专家。它将影响CAD技术的发展并引领三维设计进入新的潮流[5]。
1.2 BIU1200甲烷换热器的三维设计及虚拟装配研究主要研究内容
课题的主要工作内容如下:
1. 全面搜集大量相关技术文献，进行文献综述。
2. 利用Solidworks所提供的各项造型命令和功能，进行BIU1200甲烷换热器进出料（U形管式）换热器设计。
3. 基于Solidworks环境，利用参数化设计、工程制图等关键技术研究BIU1200甲烷换热器进出料（U形管式）换热器的三维建模。
4. 采用级联层次单元模型建立产品模型的方法，对BIU1200甲烷换热器进出料（U形管式）换热器进行虚拟建模、虚拟装配，然后对BIU1200甲烷换热器进出料（U形管式）换热器虚拟模型进行干涉分析，为检查BIU1200甲烷换热器进出料（U形管式）换热器结构设计中的动静态干涉问题，为装配过程提供正确、有效的装配序列和验证路径规划的合理性提供可靠的依据[6]。
5. 结合Solidworks强大的二维工程图编辑功能， 提出三维(3D)向二维(2D)自动转换建立工程图的方法，生成BIU1200甲烷换热器进出料（U形管式）换热器零部件模型的二维工程图。
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1.3 BIU1200甲烷换热器的三维设计及虚拟装配研究意义
BIU1200甲烷换热器是一种通用的标准换热设备。它有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点，在化、石油、冶金、制药等行业中得到广泛应用。
在换热器制造中，专业化生产的趋势仍将继续。加工中向“多轴化”和“数字控制化”发展。采用新技术、新工艺、新材料，提高自动化水平，提高劳动生产率，降低制造成本仍将是基本发展目标。
随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性的问题。为了缓和能源的紧张状况，世界各国要竞相采取各种节能措施，大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中的一个重要课题，换热器在节能技术改革中具有很重要的作用，表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著的提高设备的热效率。
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第2章 BIU1200甲烷换热器总体设计
2.1 计算介质定性温度及确定其物性数据
表2-1 介质的温度及流量
壳程/管程 流量（㎏/h） 温度数据 单位（℃）
75%H2、N2混合气 75%H2…、N2精制气
WS Ti 150
14399
Wi ti 90
/
To 27 to 215
流体的平均温度Tm和tm:
Tm =（215+90）/2 =152.5℃
tm = （150+27）/2=88.5℃
按介质的定性温度，查有关设计手册确定介质的物性数据[4][5]。介质的定性温度及物性数据见表2-2：
表2-2 介质的定性温度及物性数据
公 式 介质 定性温度 物性数据
物性数据
符号
单位 ℃
Tm?(To?Ti)/2 tm?(to?ti)/2
75%H2，N2精制气 75%H2、N2混合气
152.5 1120．2 0.00011 1202.1 0.153
88.5 1293 0.00017 1009．4 0.024
? ?
kg/m3
Pa.s
Cp
J/(kg.K) W/(m.K)
?
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