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2014-6-31压缩空气换热器设计姓名：王勇学院：化学化工学院专业：过程装备与控制工程指导教师：许桂英2/202020/5/22论文章节结论结构强度效核工艺计算绪论设计思路3/20论文主要工作（1）工艺计算：主要是对盘-环形折流板螺纹管换热器精准效核计算。（2）结构设计及强度效核：包括对换热器的基本结构的设计及强度的效核。（3）图纸绘制。4/202020/5/241、论文研究背景、目的与意义1：越来越多的能源需求使得热能应用方面的产业也快速发展，冷却作为热力应用当中的一个分支，在日常生活中扮演着重要角色。2：换热器是制冷系统的一个重要设备，他的优劣影响到系统的效率，从而与运营成本，经济效率直接相关，因此对换热器的测试和研发有着重要意义，本设计将着重对盘-环形折流板螺纹管换热器进行特定参数下工艺计算及结构设计。1.1研究背景5/202020/5/251.2目的和意义为得到企业所需压缩空气，空气后冷却系统是必须设备之一，而对高温的压缩空气进行降温，一般都采用换热器，在这个工艺过程中，最关键的步骤就是对高温压缩气体进行降温和干燥处理。近年来国内外发明了一系列新型高效换热器，但一般换热器排气量都比较小，为0.1—40m3\s，而本设计中根据企业生产需求，空气压缩机排气量较大，为240m3\s。且设计了具有较低压降，较高的传热效率和经济效益的盘-环形折流板螺纹管换热器，使其具有精致的外形，且耐磨耐腐蚀，解决了该企业的生产要求，节约了成本。6/202、国内外新型高效换热器简介2.1螺旋折流板换热器1、螺旋折流板换热器这种新型高效的螺旋折流板换热器是由美国ABB公司提出的。2、其工作基本思想为：通过改变其壳侧折流板的位置布置,使得壳侧流体呈现连续性螺旋状流动；3、它的基本工作原理为:将圆截面特制板安装在”拟螺旋折流系统”中,其中每块折流板占壳程横剖面的四分之一,倾角朝向换热器的轴线,即就是与换热器轴线保持一定的倾斜度。相邻之间折流板的周边相连接,与外圆处成连续的螺旋状。每块折流板与壳程流体的流动方向成一定角度,使得壳程流体做螺旋运动,并且能减少管板与壳体之间容易结垢的死角,以致提高换热器的换热效率。7/202.2折流杆换热器折流杆换热器是由美国飞利浦公司研制的改变壳程管束支撑，具有较低的壳程压降，同时，它改变壳程流体流动模式，从而达到了强化传热的目的。在等压降的条件下，折流杆换热器拥有比普通单弓形换热器一倍以上的管外传热膜系数。8/202.3空心环换热器空心环管壳式换热器采用空心环支撑结构，同时采取粗糙型管热管。整体结构优化的空心环管壳式换热器取代折流板换热器，能使钢材消耗减少35%-50%，气体压降减少30%-40%。2.4内插物管换热器内插物管换热器是在换热管内插入扰流元件而形成的。扰流元件一般是交叉锯齿带，因此管内传热膜系数可以提高到2倍以上，但是管程有较大的阻力，在输送能力允许的情况下可以采用此类换热器以提高总传热系数。9/203、新型高效换热器的优缺点优点：新型高效能有效的防返混及卡门涡街现象，防止了流动诱导震动，降低了管程流动压力，基本不从在震动与传热死区，效率很大的提高。优缺点缺点：现在国内外新型高效换热器的材料基本还是金属材料，选材范围很窄，同时计算流体力学和模型化设计的应用不足等。10/204、设计目的及解决的问题4.1设计目的（1）对高温的压缩气体进行降温，一般都采用换热器，以水作为冷却工质。为了得到所需要压缩空气，空气后处理系统是必备的设备，其中最关键的工艺步骤，就是对高温压缩气体进行降温和干燥处理。（2）考虑到换热器效率的高低及冷却水的消耗量等因素，此设计结合某企业压缩机后冷却器的改造要求，设计了一台适合于该企业需要的压缩机高效后冷却器。此设计在掌握强化传热的方法和原理的基础上，查阅国内外新型好像换热器的结构和原理计算，最终选择盘-环形折流板换热器进行工艺计算，盘-环形折流板换热器是该企业需要的且具有较低压降，较高的传热效率及良好经济性能的压缩机高效后冷却器。11/204.2解决的问题解决问题之前，我们设计的基本参数如表1-1所示：后冷却器冷却水出口温度为35oC后冷却器的出口温度为37oC后冷却器冷却水进口温度为30oC空压力出口温度为1800C空压机排气量为240m3\s空压机的出口压力为0.38MPa基本参数.12/20由于一般的换热器的空气压缩机排气量位0.1—40m3\s，而本设计中压缩机的排气量为240m3\s，这样会引起空气流量增加，相同流动截面积的下提高空气的流速，从而使系统侧气体压降增加，同时增加了设备的动力消耗及腐蚀磨损，同时造成换热器传热效率下降，鉴于此情况，本设计根据以上描述情况，对换热器设计合理的结构，使空气的流速控制在一定的范围内，实现系统合理的压力降和功率消耗。考虑到以水作为冷却介质，会造成水一侧热阻低，空气一侧热阻高，使得总传热系数K值趋近并小于水一侧的h值，因此，想提高K值，就应该提高其对流传热系数，所以，在本设计中，采用合理的强化传热措施，提高空气侧的湍动程度，减少滞留层，提高系统地总传热系数，增加传热效率。13/20第二章设计思路2.1设计前考虑的因素（1）管壳程流体。依靠流体的操作压力和温度结合换热器结构的特性合理地安排流体流路。达到提高换热系数并最充分地利用压降的目的。（2）设备结构。在一定的工艺条件下，确定设备的形式，形式确定后再依据实际的要求确定换热器的最终具体形式。（3）流速。由于提高流速可以获得较高的传热系数，但系统压力降和动力消耗也会相应增加，同时过高的流速会对设备造成严重的磨损，传热效率下降。因此，所算出的流速不应超过已有的经验最大值。(4)允许压力降。考虑到系统的经济性，必须要考虑压力降。14/202.2设计流程（1）工艺计算。对盘环形折流板换热器进行给定条件下的工艺计算。（2）确定工艺方案。综合考虑设备的压降、传热性以及经济性能等因素，确定最优的工艺方案。(3）选材及强度刚度校核。确定设备的具体结构，选择合适的材料，进行各部件的设计以及强度、刚度校核。（4）绘制图纸。完成工程图纸的绘制。15/202.3工艺设计具体步骤（1）计算热负荷。（2）计算对数平均温差。（3）确定最少串联壳体数。（4）选择总传热系数K的经验值用以估算。（5）求出总传热面积。（6）依照传热面积进行换热器设备型号的选型或按照换热器设计手册要求设计换热器的几何参数，而后校正有效平均温差、系统总传热系数以及完成压力降的详细计算。（7）检查总传热系数的经验值与计算值的相对误差，若此值过大则调整经验值重新计算设计，如果此值在25%范围内，则继续设计。（8）检查管壳程压力降，若超过压力降的许用值则进行重新计算设计。（9）仔细分析传热过程和压力降值，调整设备结构，得出最优设计方案。16/20第三章工艺设计3.1基本参数3.1.1空压机的排气量3.1.2热负荷3.1.3对数平均温差3.1.4温差校正系数3.1.5有效平均温差3.1.6最少串联壳体数3.2盘-环形折流板螺纹管换热器精确校核计算3.2.1选型号3.2.2管内膜传热系数的计算3.2.3管外膜传热系数的计算3.2.4壁温校正因子的计算3.2.5总传热系数的计算3.2.6换热面积余量的计算17/203.2.7管程压力降3.2.8壳程压力降通过计算，现将计算结果总结如下：3.1.1空压机的排气量V实=6.53m3/s3.1.2热负荷Q=1735840.85W3.1.3对数平均温差∆tm=45.1oC3.1.4温差校正系数Ft=08983.1.5有效平均温差∆T=40.5oC3.1.6最少串联壳体数:因为热流体与冷流体出口温度无交叉，所以最少串联壳体数为1。18/203.2碟-环形折流板螺纹管换热器精确校核计算3.2.1选型号根据计算换热面积，初选换热器型号如下（Ø19mm×2mm换热管，正三角形排列）碟-环形折流板螺纹管换热器工艺型号表19/20选定的螺纹管特性参数如下：3.2.2管内膜传热系数的计算3.2.3管外膜传热系数的计算3.2.4壁温校正因子的计算3.2.5总传热系数的计算/25227.65/ohWmk/25227.65/ohWmk24799.95/ohWmK2424.4/KWmK20/203.2.6换热面积余量的计算3.2.7管程压力降3.2.8壳程压力降107.81100%2%106fC189116.43tPPa38354.89sPPa21/20第四章结构强度设计4.1圆筒设计4.2封头设计4.3管箱设计4.4开孔补强4.4.1开孔补强设计4.4.2管箱开孔补强4.5管板设计4.5.1计算步骤4.5.2延长部分兼做法兰的结构4.6壳体法兰的设计4.7支座的设计4.8拉杆的设计22/204.1筒体管箱设计1圆筒厚度按GB150-1998《钢制压力容器》[5]第5章计算：上式只是计算厚度，设计厚度还包括厚度附加量和加工减薄量。本设计中的圆筒有效厚度名义厚度设计厚度6dmm6emm6nmm0.386001.279621050.850.380.380.40.41050.8535.7mmpsMPatMPa2sitspDp0.4tsp23/202管箱设计管箱按GB150-1998《钢制压力容器》[8]第5章计算：验证满足使用。根据GB151-1999《管壳式换热器》规定：（1）碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于规定值。（2）钢板厚度负偏差C1按相应钢材标准的规定选取，即钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，同时不超过名义厚度的6%时，取C1=0。因此，在本设计中的管箱设计厚度，有效厚度，名义厚度都取6mm。20.40.260062.2521130.850.2titttpDtppMPa0.4tsp24/2025/2026/204.2封头设计压力容器的封头的种类很多，本设计综合考虑经济实际等因素，根据制造的难易程度、工艺条件的要求和材料的消耗等情况综合考虑，最终采用椭圆形封头。椭圆形封头是由半个椭球面和短圆筒组成，如图所示，直边段是为了改善焊缝的受力状况，避免了封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲率半径突变。因为封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型。27/20查GB150-1998《钢制压力容器》，椭圆形封头采用标准型，即长短轴比为2。应力分析得，椭圆封头承受内压，在过渡转角区有着较大的周向压力，使得内压椭圆形封头即使满足了强度的要求，但有可能会发生周向皱褶而导致局部屈曲失效。所以工程上根据GB150-1998《钢制压力容器》规定：1.标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的15%。2.产生应力集中的主要原因有几何形状或尺寸的突然改变，为了使得结构不连续，取C2=6mm。如果钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，并且不会超过名义厚度的6%时候，取C1=0。综上，该设计椭圆形封头取值为：设计厚度，有效厚度，名义厚度都为6mm。22iiDh60015044iiDhmm0.26000.62521130.850.20.520.5tittpDmmp28/204.3开孔补强4.3.1开孔补强设计(1)首先本设计开孔补强采用的是等面积补强法。(2)等面积补强设计方法主要适用补强圈结构的补强计算。(3)等面积补强法的基本原则是使有效补强的金属面积等于或大于开孔所削弱的金属面积。然而实际的开孔接管是位于壳体上的，壳体总有一定的曲率，为了减少理论分析结果与实际应力集中系数之间的差异，必须对开孔的尺寸和形状给予一定的限制。本设计中筒体开孔公称直径为200mm，满足开孔最大直径的要求。孔接管的材料选用碳