畢業(yè)論文答辯PPTppt

2014-6-31壓縮空氣換熱器設計姓名：王勇學院：化學化工學院專業(yè)：過程裝備與控制工程指導教師：許桂英

2023/2/32論文章節(jié)結論結構強度效核工藝計算緒論設計思路論文主要工作（1）工藝計算：主要是對盤-環(huán)形折流板螺紋管換熱器精準效核計算。（2）結構設計及強度效核：包括對換熱器的基本結構的設計及強度的效核。（3）圖紙繪制。2023/2/341、

論文研究背景、目的與意義

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

2：換熱器是制冷系統(tǒng)的一個重要設備，他的優(yōu)劣影響到系統(tǒng)的效率，從而與運營成本，經(jīng)濟效率直接相關，因此對換熱器的測試和研發(fā)有著重要意義，本設計將著重對盤-環(huán)形折流板螺紋管換熱器進行特定參數(shù)下工藝計算及結構設計。

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)是必須設備之一，而對高溫的壓縮空氣進行降溫，一般都采用換熱器，在這個工藝過程中，最關鍵的步驟就是對高溫壓縮氣體進行降溫和干燥處理。近年來國內外發(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，而本設計中根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)需求，空氣壓縮機排氣量較大，為240m3\s。且設計了具有較低壓降，較高的傳熱效率和經(jīng)濟效益的盤-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、國內外新型高效換熱器簡介

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ABB公司提出的。2、其工作基本思想為：通過改變其殼側折流板的位置布置,使得殼側流體呈現(xiàn)連續(xù)性螺旋狀流動；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,其中每塊折流板占殼程橫剖面的四分之一,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方向成一定角度,使得殼程流體做螺旋運動,并且能減少管板與殼體之間容易結垢的死角,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，它改變殼程流體流動模式，從而達到了強化傳熱的目的。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)支撐結構，同時采取粗糙型管熱管。整體結構優(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內插物管換熱器

內插物管換熱器是在換熱管內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)缺點優(yōu)點：新型高效能有效的防返混及卡門渦街現(xiàn)象，防止了流動誘導震動，降低了管程流動壓力，基本不從在震動與傳熱死區(qū)，效率很大的提高。優(yōu)缺點缺點：現(xiàn)在國內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，同時計算流體力學和模型化設計的應用不足等。4、設計目的及解決的問題

4.1設計目的

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

（2）考慮到換熱器效率的高低及冷卻水的消耗量等因素，此設計結合某企業(yè)壓縮機后冷卻器的改造要求，設計了一臺適合于該企業(yè)需要的壓縮機高效后冷卻器。此設計在掌握強化傳熱的方法和原理的基礎上，查閱國內外新型好像換熱器的結構和原理計算，最終選擇盤-環(huán)形折流板換熱器進行工藝計算，盤-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)濟性能的壓縮機高效后冷卻器。4.2

解決的問題解決問題之前，我們設計的基本參數(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后冷卻器冷卻水進口溫度為30oC空壓力出口溫度為1800C空壓機排氣量為240m3\s空壓機的出口壓力為0.38MPa基本參數(shù).

由于一般的換熱器的空氣壓縮機排氣量位0.1—40m3\s，而本設計中壓縮機的排氣量為240m3\s，這樣會引起空氣流量增加，相同流動截面積的下提高空氣的流速，從而使系統(tǒng)側氣體壓降增加，同時增加了設備的動力消耗及腐蝕磨損，同時造成換熱器傳熱效率下降，鑒于此情況，本設計根據(jù)以上描述情況，對換熱器設計合理的結構，使空氣的流速控制在一定的范圍內，實現(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，會造成水一側熱阻低，空氣一側熱阻高，使得總傳熱系數(shù)K值趨近并小于水一側的h值，因此，想提高K值，就應該提高其對流傳熱系數(shù)，所以，在本設計中，采用合理的強化傳熱措施，提高空氣側的湍動程度，減少滯留層，提高系統(tǒng)地總傳熱系數(shù)，增加傳熱效率。第二章設計思路2.1設計前考慮的因素（1）管殼程流體。依靠流體的操作壓力和溫度結合換熱器結構的特性合理地安排流體流路。達到提高換熱系數(shù)并最充分地利用壓降的目的。（2）設備結構。在一定的工藝條件下，確定設備的形式，形式確定后再依據(jù)實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)壓力降和動力消耗也會相應增加，同時過高的流速會對設備造成嚴重的磨損，傳熱效率下降。因此，所算出的流速不應超過已有的經(jīng)驗最大值。(4)允許壓力降?？紤]到系統(tǒng)的經(jīng)濟性，必須要考慮壓力降。2.2設計流程（1）工藝計算。對盤環(huán)形折流板換熱器進行給定條件下的工藝計算。（2）確定工藝方案。綜合考慮設備的壓降、傳熱性以及經(jīng)濟性能等因素，確定最優(yōu)的工藝方案。(3）選材及強度剛度校核。確定設備的具體結構，選擇合適的材料，進行各部件的設計以及強度、剛度校核。

（4）繪制圖紙。完成工程圖紙的繪制。2.3工藝設計具體步驟

（1）計算熱負荷。（2）計算對數(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)驗值用以估算。（5）求出總傳熱面積。（6）依照傳熱面積進行換熱器設備型號的選型或按照換熱器設計手冊要求設計換熱器的幾何參數(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計算。（7）檢查總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值與計算值的相對誤差，若此值過大則調整經(jīng)驗值重新計算設計，如果此值在25%范圍內，則繼續(xù)設計。（8）檢查管殼程壓力降，若超過壓力降的許用值則進行重新計算設計。（9）仔細分析傳熱過程和壓力降值，調整設備結構，得出最優(yōu)設計方案。第三章工藝設計 3.1基本參數(shù)

3.1.1空壓機的排氣量

3.1.2熱負荷

3.1.3對數(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-環(huán)形折流板螺紋管換熱器精確校核計算

3.2.1選型號

3.2.2管內膜傳熱系數(shù)的計算

3.2.3管外膜傳熱系數(shù)的計算

3.2.4壁溫校正因子的計算

3.2.5總傳熱系數(shù)的計算

3.2.6換熱面積余量的計算

3.2.7管程壓力降 3.2.8殼程壓力降通過計算，現(xiàn)將計算結果總結如下：3.1.1空壓機的排氣量V實=6.53m3/s3.1.2熱負荷Q=1735840.85W3.1.3對數(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):因為熱流體與冷流體出口溫度無交叉，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算3.2.1選型號根據(jù)計算換熱面積，初選換熱器型號如下（?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表選定的螺紋管特性參數(shù)如下：3.2.2管內膜傳熱系數(shù)的計算

3.2.3管外膜傳熱系數(shù)的計算

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

3.2.7管程壓力降3.2.8殼程壓力降第四章結構強度設計4.1圓筒設計 4.2封頭設計 4.3管箱設計4.4開孔補強

4.4.1開孔補強設計

4.4.2管箱開孔補強 4.5管板設計

4.5.1計算步驟

4.5.2延長部分兼做法蘭的結構 4.6殼體法蘭的設計 4.7支座的設計 4.8拉桿的設計

4.1筒體管箱設計

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

管箱設計管箱按GB150-1998《鋼制壓力容器》[8]第5章計算：驗證

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不小于規(guī)定值。（2）鋼板厚度負偏差C1按相應鋼材標準的規(guī)定選取，即鋼材的厚度負偏差不大于0.25mm，同時不超過名義厚度的6%時，取C1=0。

因此，在本設計中的管箱設計厚度，有效厚度，名義厚度都取6mm。4.2封頭設計壓力容器的封頭的種類很多，本設計綜合考慮經(jīng)濟實際等因素，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。因為封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應力分布均勻，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》，橢圓形封頭采用標準型，即長短軸比為2。

應力分析得，橢圓封頭承受內壓，在過渡轉角區(qū)有著較大的周向壓力，使得內壓橢圓形封頭即使?jié)M足了強度的要求，但有可能會發(fā)生周向皺褶而導致局部屈曲失效。所以工程上根據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》規(guī)定：1.標準橢圓形封頭的有效厚度應不小于封頭內直徑的15%。2.產(chǎn)生應力集中的主要原因有幾何形狀或尺寸的突然改變，為了使得結構不連續(xù)，取C2=6mm。如果鋼材的厚度負偏差不大于0.25mm，并且不會超過名義厚度的6%時候，取C1=0。綜上，該設計橢圓形封頭取值為：設計厚度，有效厚度，名義厚度都為6mm。4.3開孔補強4.3.1開孔補強設計(1)首先本設計開孔補強采用的是等面積補強法。(2)等面積補強設計方法主要適用補強圈結構的補強計算。(3)等面積補強法的基本原則是使有效補強的金屬面積等于或大于開孔所削弱的金屬面積。然而實際的開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果與實際應力集中系數(shù)之間的差異，必須對開孔的尺寸和形狀給予一定的限制。本設計中筒體開孔公稱直徑為200mm，滿足開孔最大直徑的要求?？捉庸艿牟牧线x用碳素鋼，鋼號：104.3.2管箱開孔補強（1）圓筒上開孔的限制，當內徑

，開孔最大直徑

,當內徑，開孔最大直徑且，本設計中筒體開孔公稱直徑為200mm，滿足開孔最大直徑的要求。開孔接管的材料選用：碳素鋼鋼管，鋼號：10（2）有效補強范圍在殼體上開孔處的最大應力在孔邊，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強范圍內，加上補強材料，可有效降低應力水平。殼體進行開孔補強時，超過補強區(qū)的有效范圍的補強是沒有作用的。4.4管板設計

根據(jù)實際情況，本次設計的管板選擇