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1、2014-6-31压缩空气换热器设计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 2/202022-6-232论文章节论文章节结论结论结构强度效核结构强度效核 工艺计算工艺计算绪论绪论设计思路设计思路3/20论文主要工作论文主要工作（1 1）工艺计算：主要是对盘）工艺计算：主要是对盘- -环形折流板螺环形折流板螺纹管换热器精准效核计算。纹管换热器精准效核计算。（2 2）结构设计及强度效核：包括对换热器）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。的基本结构的设计及强度的效核。（3 3）图纸绘制。）图纸绘制。4/20202

2、2-6-2341、 论文研究背景、目的与意义论文研究背景、目的与意义 1 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，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。色。 2 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，本设计将着重对盘测试和研发有着重要意义，本设计将着

3、重对盘- -环形折流板螺纹管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。换热器进行特定参数下工艺计算及结构设计。 1.1 研究背景研究背景5/202022-6-2351.2 目的和意义目的和意义 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，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。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

4、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，为气量都比较小，为0.140m0.140m3 3ss，而本设计中根据企业生产需求，而本设计中根据企业生产需求，空气压缩机排气量较大，为空气压缩机排气量较大，为240m240m3 3ss。且设计了具有较低压降，较。且设计了具有较低压降，较高的传热效率和经济效益的盘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。成本。6/202、国内外新型高效换热器简介国内外新型高效

5、换热器简介q 2.1 2.1 螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器q 1 1、螺旋折流板换热器这种新型高效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的螺旋折流板换热器是由美国ABBABB公司公司提出的。提出的。q 2 2、其工作基本思想为：通过改变其其工作基本思想为：通过改变其壳侧折流板的位置布置壳侧折流板的位置布置 , ,使得壳侧流使得壳侧流体呈现连续性螺旋状流动；体呈现连续性螺旋状流动；q 3 3、它的基本工作原理为它的基本工作原理为: :将圆截面特将圆截面特制板安装在制板安装在”拟螺旋折流系统拟螺旋折流系统”中中, ,其其中每块折流板占壳程横剖面的四分之中每块折流板占壳程横剖面的

6、四分之一一, ,倾角朝向换热器的轴线倾角朝向换热器的轴线, ,即就是与即就是与换热器轴线保持一定的倾斜度。相邻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之间折流板的周边相连接, ,与外圆处成与外圆处成连续的螺旋状。每块折流板与壳程流连续的螺旋状。每块折流板与壳程流体的流动方向成一定角度体的流动方向成一定角度, ,使得壳程流使得壳程流体做螺旋运动体做螺旋运动, ,并且能减少管板与壳体并且能减少管板与壳体之间容易结垢的死角之间容易结垢的死角, ,以致提高换热器以致提高换热器的换热效率。的换热效率。7/202.2 2.2 折流杆换热器折流杆换热器 折流杆换热器是由美国飞利浦公司研制的改变

7、壳程管束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，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。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

8、板换热器，能使钢材消耗减少折流板换热器，能使钢材消耗减少35%-50%35%-50%，气体压降减少，气体压降减少30%-40%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。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到2 2倍以上，但是管程有较大的阻力，在输送能力允许的情倍以上，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。况下可以采用此类换热器以提高总传热系数。9/203 3、新型高效换热器的优缺点、新型高效换

9、热器的优缺点优点：新型高效：新型高效能有效的防返混能有效的防返混及卡门涡街现象及卡门涡街现象，防止了流动诱，防止了流动诱导震动，降低了导震动，降低了管程流动压力，管程流动压力，基本不从在震动基本不从在震动与传热死区，效与传热死区，效率很大的提高。率很大的提高。优缺点缺点：现在国内：现在国内外新型高效换热外新型高效换热器的材料基本还器的材料基本还是金属材料，选是金属材料，选材范围很窄，同材范围很窄，同时计算流体力学时计算流体力学和模型化设计的和模型化设计的应用不足等。应用不足等。10/204 4、设计目的及解决的问题、设计目的及解决的问题 4.1 4.1 设计目的设计目的 （1 1）对高温的压缩

10、气体进行降温，一般都采用换热器，以水）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。行降温和干燥处理。（2 2）考虑到换热器效率的高低及冷却水的消耗量等因素，此）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

11、强化传热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。热效率及良好经济性能的压缩机高效后冷却器。11/204.2 4.2 解决的问题解决的问题解决问题之前，我们设计的基本参数如表解决问题之前，我们设计的基本参数如表1-

12、11-1所示：所示：q 240m240m3 3ss基本参数12/20 由于一般的换热器的空气压缩机排气量位由于一般的换热器的空气压缩机排气量位0.140m0.140m3 3ss，而，而本设计中压缩机的排气量为本设计中压缩机的排气量为240m240m3 3ss，这样会引起空气流量增加，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，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，对换热传热效率下降，

13、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。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，使得总传热系数热阻高，使得总传热系数K K值趋近并小于水一侧的值趋近并小于水一侧的h h值，因此，想值，因此，想提高提高K K值，就应该提高其对流传热系数，所以，在本设计中，采值，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

14、，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。提高系统地总传热系数，增加传热效率。13/20第二章第二章 设计思路设计思路q2.1 2.1 设计前考虑的因素设计前考虑的因素q（1 1）管壳程流体。依靠流体的操作压力和温度结）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。提高换热系数并最充分地利用压降的目的。q（2 2）设备结构。在一定的工艺条件下，确定设备）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

15、热的形式，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。器的最终具体形式。q（3 3）流速。）流速。 由于提高流速可以获得较高的传热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，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效率下降。因此，所算出的流速不应超过已有的经验最大值。经验最大值。q (4)(4)允许压力降。考虑到系统的经济性，必须要允许压力降。考虑到系统的经济性，必须要考虑压力降。考虑压力降。14/20q2.2 2.2 设计流程设计

16、流程q（1 1）工艺计算。对盘环形折流板换热器进行给定）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。条件下的工艺计算。q（2 2）确定工艺方案。综合考虑设备的压降、传热）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。性以及经济性能等因素，确定最优的工艺方案。q (3 (3）选材及强度刚度校核。确定设备的具体结构）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，选择合适的材料，进行各部件的设计以及强度、刚度校核。、刚度校核。 （4 4）绘制图纸。完成工程图纸的绘制。）绘制图纸。完成工程图纸的绘制。15/20q2.3

17、2.3 工艺设计具体步骤工艺设计具体步骤q （1 1）计算热负荷。）计算热负荷。 q （2 2）计算对数平均温差。）计算对数平均温差。 q （3 3）确定最少串联壳体数。）确定最少串联壳体数。q （4 4）选择总传热系数）选择总传热系数K K的经验值用以估算。的经验值用以估算。q （5 5）求出总传热面积。）求出总传热面积。q （6 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）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

18、详细计算。成压力降的详细计算。q （7 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）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，如果此值在经验值重新计算设计，如果此值在25%25%范围内，则继续设计。范围内，则继续设计。q （8 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。）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。q （9 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）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第三章第三章 工艺设计工艺设计q3.1 3.1 基

19、本参数基本参数q 3.1.1 3.1.1 空压机的排气量空压机的排气量q 3.1.2 3.1.2 热负荷热负荷q 3.1.3 3.1.3 对数平均温差对数平均温差q 3.1.4 3.1.4 温差校正系数温差校正系数q 3.1.5 3.1.5 有效平均温差有效平均温差q 3.1.6 3.1.6 最少串联壳体数最少串联壳体数q3.2 3.2 盘盘- -环形折流板螺纹管换热器精确校核计算环形折流板螺纹管换热器精确校核计算q 3.2.1 3.2.1 选型号选型号q 3.2.2 3.2.2 管内膜传热系数的计算管内膜传热系数的计算q 3.2.3 3.2.3 管外膜传热系数的计算管外膜传热系数的计算q 3

20、.2.4 3.2.4 壁温校正因子的计算壁温校正因子的计算q 3.2.5 3.2.5 总传热系数的计算总传热系数的计算q 3.2.6 3.2.6 换热面积余量的计算换热面积余量的计算17/20q3.2.7 3.2.7 管程压力降管程压力降q3.2.8 3.2.8 壳程压力降壳程压力降q通过计算，现将计算结果总结如下：通过计算，现将计算结果总结如下：q3.1.1 3.1.1 空压机的排气量空压机的排气量 V V实实=6.53m=6.53m3 3/s/sq3.1.2 3.1.2 热负荷热负荷 Q=1735840.85W Q=1735840.85Wq3.1.3 3.1.3 对数平均温差对数平均温差

21、t tm m=45.1=45.1o oC Cq3.1.4 3.1.4 温差校正系数温差校正系数 F Ft t=0898=0898q3.1.5 3.1.5 有效平均温差有效平均温差 T=40.5T=40.5o oC Cq3.1.6 3.1.6 最少串联壳体数最少串联壳体数: : 因为热流体与冷流体出口温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度无交叉，所以最少串联壳体数为1 1。18/20q3.2 3.2 碟碟- -环形折流板螺纹管换热器精确校核计算环形折流板螺纹管换热器精确校核计算q3.2.1 3.2.1 选型号选型号q根据计算换热面积，初选换热器型号如下（根据计算换热面积，初选

22、换热器型号如下（19mm19mm2mm2mm换换热管，正三角形排列）热管，正三角形排列）q碟碟- -环形折流板螺纹管换热器工艺型号表环形折流板螺纹管换热器工艺型号表19/20q选定的螺纹管特性参数如下：选定的螺纹管特性参数如下：q3.2.2 3.2.2 管内膜传热系数的计算管内膜传热系数的计算 q3.2.3 3.2.3 管外膜传热系数的计算管外膜传热系数的计算 q 3.2.4 3.2.4 壁温校正因子的计算壁温校正因子的计算q 3.2.5 3.2.5 总传热系数的计算总传热系数的计算/25227.65/ohWmk/25227.65/ohWmk24799.95/ohWmK2424.4/KWmK2

23、0/20q3.2.6 3.2.6 换热面积余量的计算换热面积余量的计算 q3.2.7 3.2.7 管程压力降管程压力降q3.2.8 3.2.8 壳程压力降壳程压力降 107.81100% 2%106fC189116.43tPPa38354.89sPPa21/20第四章第四章 结构强度设计结构强度设计q4.1 4.1 圆筒设计圆筒设计q4.2 4.2 封头设计封头设计q4.3 4.3 管箱设计管箱设计q4.4 4.4 开孔补强开孔补强q 4.4 .1 4.4 .1 开孔补强设计开孔补强设计q 4.4.2 4.4.2 管箱开孔补强管箱开孔补强q4.5 4.5 管板设计管板设计q 4.5.1 4.5

24、.1 计算步骤计算步骤q 4.5.2 4.5.2 延长部分兼做法兰的结构延长部分兼做法兰的结构q4.6 4.6 壳体法兰的设计壳体法兰的设计q4.7 4.7 支座的设计支座的设计q4.8 4.8 拉杆的设计拉杆的设计22/20q4.1 4.1 筒体管箱设计筒体管箱设计 q1 1 圆筒厚度按圆筒厚度按GB 150-1998GB 150-1998钢制压力容器钢制压力容器55第第5 5章计算：章计算：q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。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。q本设计中的圆筒有效厚度本设计中的圆筒有效厚度 名义厚度名义厚度 设计厚度设计厚度 6d

25、mm6emm6nm m 0.38 6001.27962 105 0.85 0.380.380.40.4 105 0.85 35.7mmpsMPatMPa 2sitsp Dp 0.4tsp 23/20q2 2 管箱设计管箱设计 q 管箱按管箱按GB 150-1998GB 150-1998钢制压力容器钢制压力容器88第第5 5章计算：章计算：q验证验证 满足使用。满足使用。q根据根据 GB 151-1999 GB 151-1999管壳式换热器规定：管壳式换热器规定：q（1 1）碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于规定值。）碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于规定值。 q（2 2）钢板厚度负偏差

26、）钢板厚度负偏差 C1 C1按相应钢材标准的规定选取，即钢材的厚度按相应钢材标准的规定选取，即钢材的厚度负偏差不大于负偏差不大于 0.25mm 0.25mm，同时不超过名义厚度的，同时不超过名义厚度的 6% 6%时，取时，取 C1=0 C1=0。q 因此，在本设计中的管箱设计厚度，有效厚度，名义厚度都取因此，在本设计中的管箱设计厚度，有效厚度，名义厚度都取6mm6mm。20.40.260062.2521130.850.2titttp DtppMPa 0.4tsp 24/2025/2026/20q4.2 封头设计q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

27、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。 q 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。q 27/20q查查GB 150-1998GB 150-1998钢制压力容器，椭圆形封头采用标准型，即长短钢制压力容器，椭圆形封头采用标准型，即长短轴比为轴比为 2 2 。q q 应力分析得，椭圆封头承受内压，在过渡转角区有着较大的应力分析得，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

28、椭圆形封头即使满足了强度的要求，但有可能会周向压力，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。所以工程上根据发生周向皱褶而导致局部屈曲失效。所以工程上根据 GB 150-1998 GB 150-1998钢制压力容器规定：钢制压力容器规定：q1.1.标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的 15% 15%。 q2.2.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，取了使得结构不连续，取 C2=6mm C2=6mm 。如果钢材的厚度负偏

29、差不大于。如果钢材的厚度负偏差不大于 0.25mm0.25mm，并且不会超过名义厚度的，并且不会超过名义厚度的 6% 6%时候，取时候，取 C1=0 C1=0。 q综上，该设计椭圆形封头取值为：设计厚度，有效厚度，名义综上，该设计椭圆形封头取值为：设计厚度，有效厚度，名义厚度厚度 都为都为6mm6mm。22iiDh60015044iiDhmm 0.2 6000.6252 113 0.85 0.2 0.520.5tittpDmmp 28/20q4.3 4.3 开孔补强开孔补强q4.3.1 4.3.1 开孔补强设计开孔补强设计 q(1)(1)首先本设计开孔补强采用的是等面积补强法。首先本设计开孔补

30、强采用的是等面积补强法。q(2)(2)等面积补强设计方法主要适用补强圈结构的补强计算。等面积补强设计方法主要适用补强圈结构的补强计算。 (3) (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。形状给予一定的限制。q本设计中筒体

31、开孔公称直径为本设计中筒体开孔公称直径为 200mm 200mm，满足开孔最大直径，满足开孔最大直径的要求。孔接管的材料选用碳素钢，钢号：的要求。孔接管的材料选用碳素钢，钢号：101029/20q4.3.2 4.3.2 管箱开孔补强管箱开孔补强q（1 1）圆筒上开孔的限制，当内径）圆筒上开孔的限制，当内径 ，开孔最大直径，开孔最大直径 , ,当内径当内径 ，开孔最大直径，开孔最大直径 且且 ，本设，本设计中筒体开孔公称直径为计中筒体开孔公称直径为200mm200mm，满足开孔最大直径的要求，满足开孔最大直径的要求。开孔接管的材料选用：碳素钢钢管，钢号：。开孔接管的材料选用：碳素钢钢管，钢号：1010q（2 2）有效补强范围）有效补强范围q在壳体上开孔处的最大应力在孔边，并伴随孔边距离的增在壳体上开孔处的最大应力在孔边，并伴随孔边距离的增加而减少。如果在离孔边一定距离的补强范围内，加上补加而减少。如果在离孔边一定距离的补强范围内，加上补强材料，可有效降低应力水平。壳体进行开孔补强时，超强材料，可有效降低应力水平。壳体进行开孔补强时，超过补强区的有效范围的补强是没有作用的。过补强区的有效范围的补强是没有作用的。15