2014-6-31壓縮空氣換熱器設(shè)計(jì)姓名：王勇學(xué)院：化學(xué)化工學(xué)院專業(yè)：過(guò)程裝備與控制工程指導(dǎo)教師：許桂英

2023/2/32論文章節(jié)結(jié)論結(jié)構(gòu)強(qiáng)度效核工藝計(jì)算緒論設(shè)計(jì)思路論文主要工作（1）工藝計(jì)算：主要是對(duì)盤(pán)-環(huán)形折流板螺紋管換熱器精準(zhǔn)效核計(jì)算。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核：包括對(duì)換熱器的基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度的效核。（3）圖紙繪制。2023/2/341、

論文研究背景、目的與意義

1：越來(lái)越多的能源需求使得熱能應(yīng)用方面的產(chǎn)業(yè)也快速發(fā)展，冷卻作為熱力應(yīng)用當(dāng)中的一個(gè)分支，在日常生活中扮演著重要角色。

2：換熱器是制冷系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)備，他的優(yōu)劣影響到系統(tǒng)的效率，從而與運(yùn)營(yíng)成本，經(jīng)濟(jì)效率直接相關(guān)，因此對(duì)換熱器的測(cè)試和研發(fā)有著重要意義，本設(shè)計(jì)將著重對(duì)盤(pán)-環(huán)形折流板螺紋管換熱器進(jìn)行特定參數(shù)下工藝計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1研究背景2023/2/351.2目的和意義為得到企業(yè)所需壓縮空氣，空氣后冷卻系統(tǒng)是必須設(shè)備之一，而對(duì)高溫的壓縮空氣進(jìn)行降溫，一般都采用換熱器，在這個(gè)工藝過(guò)程中，最關(guān)鍵的步驟就是對(duì)高溫壓縮氣體進(jìn)行降溫和干燥處理。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)明了一系列新型高效換熱器，但一般換熱器排氣量都比較小，為0.1—40m3\s，而本設(shè)計(jì)中根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)需求，空氣壓縮機(jī)排氣量較大，為240m3\s。且設(shè)計(jì)了具有較低壓降，較高的傳熱效率和經(jīng)濟(jì)效益的盤(pán)-環(huán)形折流板螺紋管換熱器，使其具有精致的外形，且耐磨耐腐蝕，解決了該企業(yè)的生產(chǎn)要求，節(jié)約了成本。2、國(guó)內(nèi)外新型高效換熱器簡(jiǎn)介

2.1

螺旋折流板換熱器

1、螺旋折流板換熱器這種新型高效的螺旋折流板換熱器是由美國(guó)ABB公司提出的。2、其工作基本思想為：通過(guò)改變其殼側(cè)折流板的位置布置,使得殼側(cè)流體呈現(xiàn)連續(xù)性螺旋狀流動(dòng)；3、它的基本工作原理為:將圓截面特制板安裝在”擬螺旋折流系統(tǒng)”中,其中每塊折流板占?xì)こ虣M剖面的四分之一,傾角朝向換熱器的軸線,即就是與換熱器軸線保持一定的傾斜度。相鄰之間折流板的周邊相連接,與外圓處成連續(xù)的螺旋狀。每塊折流板與殼程流體的流動(dòng)方向成一定角度,使得殼程流體做螺旋運(yùn)動(dòng),并且能減少管板與殼體之間容易結(jié)垢的死角,以致提高換熱器的換熱效率。2.2折流桿換熱器

折流桿換熱器是由美國(guó)飛利浦公司研制的改變殼程管束支撐，具有較低的殼程壓降，同時(shí)，它改變殼程流體流動(dòng)模式，從而達(dá)到了強(qiáng)化傳熱的目的。在等壓降的條件下，折流桿換熱器擁有比普通單弓形換熱器一倍以上的管外傳熱膜系數(shù)。2.3空心環(huán)換熱器

空心環(huán)管殼式換熱器采用空心環(huán)支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)采取粗糙型管熱管。整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空心環(huán)管殼式換熱器取代折流板換熱器，能使鋼材消耗減少35%-50%，氣體壓降減少30%-40%。2.4內(nèi)插物管換熱器

內(nèi)插物管換熱器是在換熱管內(nèi)插入擾流元件而形成的。擾流元件一般是交叉鋸齒帶，因此管內(nèi)傳熱膜系數(shù)可以提高到2倍以上，但是管程有較大的阻力，在輸送能力允許的情況下可以采用此類換熱器以提高總傳熱系數(shù)。3、新型高效換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：新型高效能有效的防返混及卡門(mén)渦街現(xiàn)象，防止了流動(dòng)誘導(dǎo)震動(dòng)，降低了管程流動(dòng)壓力，基本不從在震動(dòng)與傳熱死區(qū)，效率很大的提高。優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外新型高效換熱器的材料基本還是金屬材料，選材范圍很窄，同時(shí)計(jì)算流體力學(xué)和模型化設(shè)計(jì)的應(yīng)用不足等。4、設(shè)計(jì)目的及解決的問(wèn)題

4.1設(shè)計(jì)目的

（1）對(duì)高溫的壓縮氣體進(jìn)行降溫，一般都采用換熱器，以水作為冷卻工質(zhì)。為了得到所需要壓縮空氣，空氣后處理系統(tǒng)是必備的設(shè)備，其中最關(guān)鍵的工藝步驟，就是對(duì)高溫壓縮氣體進(jìn)行降溫和干燥處理。

（2）考慮到換熱器效率的高低及冷卻水的消耗量等因素，此設(shè)計(jì)結(jié)合某企業(yè)壓縮機(jī)后冷卻器的改造要求，設(shè)計(jì)了一臺(tái)適合于該企業(yè)需要的壓縮機(jī)高效后冷卻器。此設(shè)計(jì)在掌握強(qiáng)化傳熱的方法和原理的基礎(chǔ)上，查閱國(guó)內(nèi)外新型好像換熱器的結(jié)構(gòu)和原理計(jì)算，最終選擇盤(pán)-環(huán)形折流板換熱器進(jìn)行工藝計(jì)算，盤(pán)-環(huán)形折流板換熱器是該企業(yè)需要的且具有較低壓降，較高的傳熱效率及良好經(jīng)濟(jì)性能的壓縮機(jī)高效后冷卻器。4.2

解決的問(wèn)題解決問(wèn)題之前，我們?cè)O(shè)計(jì)的基本參數(shù)如表1-1所示：

后冷卻器冷卻水出口溫度為35oC后冷卻器的出口溫度為37oC后冷卻器冷卻水進(jìn)口溫度為30oC空壓力出口溫度為1800C空壓機(jī)排氣量為240m3\s空壓機(jī)的出口壓力為0.38MPa基本參數(shù).

由于一般的換熱器的空氣壓縮機(jī)排氣量位0.1—40m3\s，而本設(shè)計(jì)中壓縮機(jī)的排氣量為240m3\s，這樣會(huì)引起空氣流量增加，相同流動(dòng)截面積的下提高空氣的流速，從而使系統(tǒng)側(cè)氣體壓降增加，同時(shí)增加了設(shè)備的動(dòng)力消耗及腐蝕磨損，同時(shí)造成換熱器傳熱效率下降，鑒于此情況，本設(shè)計(jì)根據(jù)以上描述情況，對(duì)換熱器設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，使空氣的流速控制在一定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)合理的壓力降和功率消耗。

考慮到以水作為冷卻介質(zhì)，會(huì)造成水一側(cè)熱阻低，空氣一側(cè)熱阻高，使得總傳熱系數(shù)K值趨近并小于水一側(cè)的h值，因此，想提高K值，就應(yīng)該提高其對(duì)流傳熱系數(shù)，所以，在本設(shè)計(jì)中，采用合理的強(qiáng)化傳熱措施，提高空氣側(cè)的湍動(dòng)程度，減少滯留層，提高系統(tǒng)地總傳熱系數(shù)，增加傳熱效率。第二章設(shè)計(jì)思路2.1設(shè)計(jì)前考慮的因素（1）管殼程流體。依靠流體的操作壓力和溫度結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu)的特性合理地安排流體流路。達(dá)到提高換熱系數(shù)并最充分地利用壓降的目的。（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)。在一定的工藝條件下，確定設(shè)備的形式，形式確定后再依據(jù)實(shí)際的要求確定換熱器的最終具體形式。（3）流速。由于提高流速可以獲得較高的傳熱系數(shù)，但系統(tǒng)壓力降和動(dòng)力消耗也會(huì)相應(yīng)增加，同時(shí)過(guò)高的流速會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重的磨損，傳熱效率下降。因此，所算出的流速不應(yīng)超過(guò)已有的經(jīng)驗(yàn)最大值。(4)允許壓力降?？紤]到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，必須要考慮壓力降。2.2設(shè)計(jì)流程（1）工藝計(jì)算。對(duì)盤(pán)環(huán)形折流板換熱器進(jìn)行給定條件下的工藝計(jì)算。（2）確定工藝方案。綜合考慮設(shè)備的壓降、傳熱性以及經(jīng)濟(jì)性能等因素，確定最優(yōu)的工藝方案。(3）選材及強(qiáng)度剛度校核。確定設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)，選擇合適的材料，進(jìn)行各部件的設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度、剛度校核。

（4）繪制圖紙。完成工程圖紙的繪制。2.3工藝設(shè)計(jì)具體步驟

（1）計(jì)算熱負(fù)荷。（2）計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差。（3）確定最少串聯(lián)殼體數(shù)。（4）選擇總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值用以估算。（5）求出總傳熱面積。（6）依照傳熱面積進(jìn)行換熱器設(shè)備型號(hào)的選型或按照換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)要求設(shè)計(jì)換熱器的幾何參數(shù)，而后校正有效平均溫差、系統(tǒng)總傳熱系數(shù)以及完成壓力降的詳細(xì)計(jì)算。（7）檢查總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值與計(jì)算值的相對(duì)誤差，若此值過(guò)大則調(diào)整經(jīng)驗(yàn)值重新計(jì)算設(shè)計(jì)，如果此值在25%范圍內(nèi)，則繼續(xù)設(shè)計(jì)。（8）檢查管殼程壓力降，若超過(guò)壓力降的許用值則進(jìn)行重新計(jì)算設(shè)計(jì)。（9）仔細(xì)分析傳熱過(guò)程和壓力降值，調(diào)整設(shè)備結(jié)構(gòu)，得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。第三章工藝設(shè)計(jì) 3.1基本參數(shù)

3.1.1空壓機(jī)的排氣量

3.1.2熱負(fù)荷

3.1.3對(duì)數(shù)平均溫差

3.1.4溫差校正系數(shù)

3.1.5有效平均溫差

3.1.6最少串聯(lián)殼體數(shù) 3.2盤(pán)-環(huán)形折流板螺紋管換熱器精確校核計(jì)算

3.2.1選型號(hào)

3.2.2管內(nèi)膜傳熱系數(shù)的計(jì)算

3.2.3管外膜傳熱系數(shù)的計(jì)算

3.2.4壁溫校正因子的計(jì)算

3.2.5總傳熱系數(shù)的計(jì)算

3.2.6換熱面積余量的計(jì)算

3.2.7管程壓力降 3.2.8殼程壓力降通過(guò)計(jì)算，現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果總結(jié)如下：3.1.1空壓機(jī)的排氣量V實(shí)=6.53m3/s3.1.2熱負(fù)荷Q=1735840.85W3.1.3對(duì)數(shù)平均溫差?tm=45.1oC3.1.4溫差校正系數(shù)Ft=08983.1.5有效平均溫差?T=40.5oC3.1.6最少串聯(lián)殼體數(shù):因?yàn)闊崃黧w與冷流體出口溫度無(wú)交叉，所以最少串聯(lián)殼體數(shù)為1。3.2碟-環(huán)形折流板螺紋管換熱器精確校核計(jì)算3.2.1選型號(hào)根據(jù)計(jì)算換熱面積，初選換熱器型號(hào)如下（?19mm×2mm換熱管，正三角形排列）碟-環(huán)形折流板螺紋管換熱器工藝型號(hào)表選定的螺紋管特性參數(shù)如下：3.2.2管內(nèi)膜傳熱系數(shù)的計(jì)算

3.2.3管外膜傳熱系數(shù)的計(jì)算

3.2.4壁溫校正因子的計(jì)算3.2.5總傳熱系數(shù)的計(jì)算3.2.6換熱面積余量的計(jì)算

3.2.7管程壓力降3.2.8殼程壓力降第四章結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)4.1圓筒設(shè)計(jì) 4.2封頭設(shè)計(jì) 4.3管箱設(shè)計(jì)4.4開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

4.4.1開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

4.4.2管箱開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng) 4.5管板設(shè)計(jì)

4.5.1計(jì)算步驟

4.5.2延長(zhǎng)部分兼做法蘭的結(jié)構(gòu) 4.6殼體法蘭的設(shè)計(jì) 4.7支座的設(shè)計(jì) 4.8拉桿的設(shè)計(jì)

4.1筒體管箱設(shè)計(jì)

1圓筒厚度按GB150-1998《鋼制壓力容器》[5]第5章計(jì)算：上式只是計(jì)算厚度，設(shè)計(jì)厚度還包括厚度附加量和加工減薄量。本設(shè)計(jì)中的圓筒有效厚度名義厚度設(shè)計(jì)厚度2

管箱設(shè)計(jì)管箱按GB150-1998《鋼制壓力容器》[8]第5章計(jì)算：驗(yàn)證

滿足使用。根據(jù)GB151-1999《管殼式換熱器》規(guī)定：（1）碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應(yīng)不小于規(guī)定值。（2）鋼板厚度負(fù)偏差C1按相應(yīng)鋼材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定選取，即鋼材的厚度負(fù)偏差不大于0.25mm，同時(shí)不超過(guò)名義厚度的6%時(shí)，取C1=0。

因此，在本設(shè)計(jì)中的管箱設(shè)計(jì)厚度，有效厚度，名義厚度都取6mm。4.2封頭設(shè)計(jì)壓力容器的封頭的種類很多，本設(shè)計(jì)綜合考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)際等因素，根據(jù)制造的難易程度、工藝條件的要求和材料的消耗等情況綜合考慮，最終采用橢圓形封頭。橢圓形封頭是由半個(gè)橢球面和短圓筒組成，如圖所示，直邊段是為了改善焊縫的受力狀況，避免了封頭和圓筒的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變。因?yàn)榉忸^的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應(yīng)力分布均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型。

查GB150-1998《鋼制壓力容器》，橢圓形封頭采用標(biāo)準(zhǔn)型，即長(zhǎng)短軸比為2。

應(yīng)力分析得，橢圓封頭承受內(nèi)壓，在過(guò)渡轉(zhuǎn)角區(qū)有著較大的周向壓力，使得內(nèi)壓橢圓形封頭即使?jié)M足了強(qiáng)度的要求，但有可能會(huì)發(fā)生周向皺褶而導(dǎo)致局部屈曲失效。所以工程上根據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》規(guī)定：1.標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的15%。2.產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因有幾何形狀或尺寸的突然改變，為了使得結(jié)構(gòu)不連續(xù)，取C2=6mm。如果鋼材的厚度負(fù)偏差不大于0.25mm，并且不會(huì)超過(guò)名義厚度的6%時(shí)候，取C1=0。綜上，該設(shè)計(jì)橢圓形封頭取值為：設(shè)計(jì)厚度，有效厚度，名義厚度都為6mm。4.3開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)4.3.1開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)(1)首先本設(shè)計(jì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)采用的是等面積補(bǔ)強(qiáng)法。(2)等面積補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法主要適用補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。(3)等面積補(bǔ)強(qiáng)法的基本原則是使有效補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積等于或大于開(kāi)孔所削弱的金屬面積。然而實(shí)際的開(kāi)孔接管是位于殼體上的，殼體總有一定的曲率，為了減少理論分析結(jié)果與實(shí)際應(yīng)力集中系數(shù)之間的差異，必須對(duì)開(kāi)孔的尺寸和形狀給予一定的限制。本設(shè)計(jì)中筒體開(kāi)孔公稱直徑為200mm，滿足開(kāi)孔最大直徑的要求?？捉庸艿牟牧线x用碳素鋼，鋼號(hào)：104.3.2管箱開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)（1）圓筒上開(kāi)孔的限制，當(dāng)內(nèi)徑

，開(kāi)孔最大直徑

,當(dāng)內(nèi)徑，開(kāi)孔最大直徑且，本設(shè)計(jì)中筒體開(kāi)孔公稱直徑為200mm，滿足開(kāi)孔最大直徑的要求。開(kāi)孔接管的材料選用：碳素鋼鋼管，鋼號(hào)：10（2）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍在殼體上開(kāi)孔處的最大應(yīng)力在孔邊，并伴隨孔邊距離的增加而減少。如果在離孔邊一定距離的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，加上補(bǔ)強(qiáng)材料，可有效降低應(yīng)力水平。殼體進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，超過(guò)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的有效范圍的補(bǔ)強(qiáng)是沒(méi)有作用的。4.4管板設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)的管板選擇