低温液氮洗多股流缠绕管换热器

兰州交通大学课程设计 TOC\o"1-3"\h\u25714第1章绪论 ⑷氢气经过试算合理的3.4.3.2实际流速的计算3.8.3管内侧界膜导热系数h0施密特提出下式作为盘管内流动流体的界膜导热系数h0。从层流向紊流过渡的临界雷诺数：(3.10)4253.51.求净化气管内雷诺数及普朗特常数：(3.11)式中，：管内侧流体的粘度，Kg/m·s；ρ：管内侧流体的密度，㎏/；l：缠绕管的直径，m；u：管内流体的流速，m/s；所以Re=普朗特常数为：(3.12)式中，：管内侧流体的粘度，Kg/m·s；:管内侧流体的导热系数,W/m·K；C:管内侧流体的比热,J/Kg·s；所以=0.655由于22000<Re<150000所以选用公式：=J/㎡·K2.对于污氮管道求其管内雷诺数及普朗特常数：式中，：管内侧流体的粘度，Kg/m·s；ρ：管内侧流体的密度，㎏/；l：缠绕管的直径，m；u：管内流体的流速，m/s；所以Re==普朗特常数为：式中，：管内侧流体的粘度，Kg/m·s；:管内侧流体的导热系数,W/m·K；C:管内侧流体的比热,J/Kg·s；所以=1.644由于22000<Re=<150000所以选用公式：=J/㎡·K3.对于氮气和氢气混合气体管道求其管内雷诺数及普朗特常数：式中，：管内侧流体的粘度，Kg/m·s；ρ：管内侧流体的密度，㎏/；l：缠绕管的直径，m；u：管内流体的流速，m/s；所以Re==普朗特常数为：式中，：管内侧流体的粘度，Kg/m·s；:管内侧流体的导热系数,W/m·K；C:管内侧流体的比热,J/Kg·s；所以=0.53由于22000<Re=<150000所以选用公式：=J/㎡·K4.对于氢气管道求其管内雷诺数及普朗特常数：式中，：管内侧流体的粘度，Kg/m·s；ρ：管内侧流体的密度，㎏/；l：缠绕管的直径，m；u：管内流体的流速，m/s；所以Re==普朗特常数为：式中，：管内侧流体的粘度，Kg/m·s；:管内侧流体的导热系数,W/m·K；C:管内侧流体的比热,J/Kg·s；所以=0.695由于22000<Re=<150000所以选用公式：=J/㎡·K污垢系数：查容器设计手册得知制冷剂的污垢系数为：0.0002壳侧的污垢系数为：0.0002所以总传热系数为：则净化气的总传热系数为：所以得K=W/㎡·K；则污氮的总传热系数为：所以得K=W/㎡·K；则氢气和氮气混合气体的总传热系数为：所以得K=W/㎡·K；则氢气的总传热系数为：所以得K=W/㎡·K；3.8.4传热温差计算（利用对数平均温差法计算）流体在热交换器内流动，其温度变化过程以平行流动最为简单。图十六所示的为流体平行流动时温度变化的示意图。图中的纵坐标表示温度，横坐标表示传热面积。如图十六所示是混合制冷剂一侧蒸汽冷凝而壳体一侧为液体沸腾，两种流体都有相变的传热。因为冷凝和沸腾都在等温下进行，故其传热温差，且在各处保持相同的数值。对于天然气一侧过冷液体在冷没有相变过程，而壳体一侧为液体沸腾，有一些相变过程但是速度极快，很快就变成气体的冷却。属于是冷流体在等温下沸腾，而热流体的温度沿传热面不断降低。图3.12：流体平行流动时的温度分布（a）两种流体都有相变（b）一种流体有相变以上所示的热交换器，由于其中有一种或两种流体在相变的情况下进行传热，它的温度沿传热面不变，因此无顺流、逆流之别，恒在无相变流体的进口处，而恒在无相变流体的出口处。3.8.4.1净化气采用顺流换热则（3.14）=|-108.3+120.3|=12℃=|-188+188.2|=0.2℃所以=2.882℃.。得净化气的换热面积为：=㎡；=：由可得：3.8.4.2污氮采用逆流换热则（3.14）=|-120.3+130.3|=10℃=|-188.2+191.5|=3.3℃所以=6.043℃.。得污氮的换热面积为：；=：由可得：3.8.4.3氢气和氮气混合气体采用逆流换热则（3.14）=|-120.3+130.4|=10℃=|-188.2+191.5|=3.3℃所以=6.079℃.。得污氮的换热面积为：；=：由可得：3.8.4.4氢气采用逆流换热则（3.14）=|-120.3+129.9|=9.6℃=|-188.2+191.5|=3.3℃所以=5.9℃.。得污氮的换热面积为：；=：由可得：3.8.5管内侧压力损失选用公式：（3.16）式中：：管内侧压力损失，Kg/㎡；：管内侧流体的密度，Kg/；：传热管长，m；：重力换算系数：摩擦系数从层流向紊流过渡的临界雷诺数：1.对于净化气管道：由于22000<Re<150000可以选用公式：因此净化气管道的压力损失为：因为=Pa<，所以设计合格。2.对于污氮管道：由于22000<Re=<150000可以选用公式：因此污氮管道的压力损失为：=Pa因为=Pa<，所以设计合格。3.对于氮气和氢气混合气体管道：由于22000<Re=<15000可以选用公式：=Pa因此氢气管道的压力损失为：因为=Pa<，所以设计合格。4.对于氢气管道：由于22000<Re=<15000可以选用公式：=Pa因此氢气管道的压力损失为：因为=Pa<，所以设计合格。3.8.6壳侧压力损失Gilli从与直管群错流流动时的压力损失值推算同盘管层组成的管束错流流动的流体压力损失计算公式。(3.15)式中，：壳侧流体的密度，Kg/；：壳侧压力损失，Kg/㎡；n:流动方向的管排数（每一根传热管的缠绕数）。传热管倾斜（传热管盘管的缠绕角）修正系数):代入数据和K=1查图十七得出：=0.949图3.13倾斜角度和倾斜摩擦损失修正系数之间的关系管排数修正系数：（其中n=2）代入数据得：=1.1875经查表可得出：=2.1所以代入数据可求的：=因为=Pa<，所以设计合格。第四章换热器机构设计与强度计算一、内筒的强度计算根据给定的流体的进出口温度，选择设计温度；设计压力管内为0.3Mpa，管外为一个大气压。由于所设计的换热器属于低温换热容器，并且在工厂中多采用合金钢制造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择0Cr18Ni9(板材)为壳体与管箱的材料。0Cr18Ni9(板材)是合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。在确定换热器的换热面积后，应进行换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算，主要包括壳体和封头的厚度计算、材料的选择、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算，还有主要构件的设计（如管箱、壳体、折流板、拉杆等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接等），具体计算如下。（一）1.高压氮气冷却器内筒强度计算长度：4443mm内直径：1456mm中心筒直径：338mm表4-1内筒下圆筒强度校核表内压下圆筒校核计算条件筒体简图计算压力Pc0.30MPa设计温度t-64.00C内径Di1456mm材料0Cr18Ni9(板材)试验温度许用应力137.00MPa设计温度许用应力t137.00MPa试验温度下屈服点s205.00MPa钢板负偏差C10.80mm腐蚀裕量C23.00mm焊接接头系数0.85厚度及重量计算计算厚度==1.88mm设计厚度δ=1.88+3=4.88Mm有效厚度e=n-C1-C2=2.20mm名义厚度n=4.88+0.8=5.68圆整后6.00mm压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT=1.25P=0.3750MPa压力试验允许通过的应力水平TT0.90s=184.50MPa试验压力下圆筒的应力T==146.21MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[Pw]==0.35138MPa设计温度下计算应力t=99.42MPat116.45MPa校核条件t≥t结论合格2.一号原料气体冷却器内筒强度计算长度：4901mm内直径：2183mm中心筒直径：338mm表4-2内筒下圆筒强度校核表内压下圆筒校核计算条件筒体简图计算压力Pc0.30MPa设计温度t-121.00C内径Di2183mm材料0Cr18Ni9(板材)试验温度许用应力137.00MPa设计温度许用应力t137.00MPa试验温度下屈服点s205.00MPa钢板负偏差C10.80mm腐蚀裕量C23.00mm焊接接头系数0.85厚度及重量计算计算厚度==2.82mm设计厚度δ=2.82+3=5.82Mm有效厚度e=n-C1-C2=3.20mm名义厚度n=5.82+0.8=6.62圆整后7.00mm压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT=1.25P=0.3750MPa压力试验允许通过的应力水平TT0.90s=184.50MPa试验压力下圆筒的应力T==150.70MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[Pw]==0.3409MPa设计温度下计算应力t=102.48MPat116.45MPa校核条件t≥t结论合格3.二号原料气冷却器内筒强度计算长度：7004mm内直径：2687mm中心筒直径：338mm表4-3内筒下圆筒强度校核表内压下圆筒校核计算条件筒体简图计算压力Pc0.30MPa设计温度t-189.00C内径Di2687mm材料0Cr18Ni9(板材)试验温度许用应力137.00MPa设计温度许用应力t137.00MPa试验温度下屈服点s205.00MPa钢板负偏差C10.80mm腐蚀裕量C23.00mm焊接接头系数0.85厚度及重量计算计算厚度==3.47mm设计厚度δ=3.47+3=6.47Mm有效厚度e=n-C1-C2=4.20mm名义厚度n=6.47+0.8=7.27圆整后8.00mm压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT=1.25P=0.3750MPa压力试验允许通过的应力水平TT0.90s=184.50MPa试验压力下圆筒的应力T==113.08MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[Pw]==0.36347MPa设计温度下计算应力t=96.11MPat116.45MPa校核条件t≥t结论合格（二）1.高压氮气冷却器内筒下封头强度计算材料：0Cr18Ni9公称直径：1456mm曲面高度：364mm直边高度:40mm表4-4内筒椭圆下封头校核表内压椭圆下封头校核计算条件椭圆封头简图计算压力Pc0.30MPa设计温度t-64.00C内径Di1456mm曲面高度hi364mm材料0Cr18Ni9(板材)设计温度许用应力t137.00MPa试验温度许用应力137.00MPa钢板负偏差C10.80mm腐蚀裕量C23.00mm焊接接头系数0.85厚度及重量计算形状系数计算厚度=1.88mm有效厚度e=n-C1-C2=8.20mm最小厚度min=3.90mm名义厚度n=12.00mm结论满足最小厚度要求压力计算最大允许工作压力[Pw]==1.308MPa结论合格2.一号原料气体冷却器内筒下封头强度计算材料：0Cr18Ni9公称直径：2183mm曲面高度：546mm直边高度:40mm表4-5内筒椭圆下封头校核表内压椭圆下封头校核计算条件椭圆封头简图计算压力Pc0.30MPa设计温度t-121.00C内径Di2183mm曲面高度hi546mm材料0Cr18Ni9(板材)设计温度许用应力t137.00MPa试验温度许用应力137.00MPa钢板负偏差C10.80mm腐蚀裕量C23.00mm焊接接头系数0.85厚度及重量计算形状系数计算厚度=2.82mm有效厚度e=n-C1-C2=8.20mm最小厚度min=3.90mm名义厚度n=12.00mm结论满足最小厚度要求压力计算最大允许工作压力[Pw]==0.873MPa结论合格3.二号原料气体冷却器内筒下封头强度计算材料：0Cr18Ni9公称直径：2687mm曲面高度：672mm直边高度40mm表4-6内筒椭圆下封头校核表内压椭圆下封头校核计算条件椭圆封头简图计算压力Pc0.30MPa设计温度t-189.00C内径Di2687mm曲面高度hi672mm材料0Cr18Ni9(板材)设计温度许用应力t137.00MPa试验温度许用应力137.00MPa钢板负偏差C10.80mm腐蚀裕量C23.00mm焊接接头系数0.85厚度及重量计算形状系数计算厚度=3.47mm有效厚度e=n-C1-C2=8.20mm最小厚度min=3.90mm名义厚度n=12.00mm结论满足最小厚度要求压力计算最大允许工作压力[Pw]==0.71MPa结论合格二、外筒（塔壳）的强度计算（一）1.高压氮气冷却器外筒的强度计算长度：4543mm内直径：1656mm外压圆筒计算长度：L1=4543+404×1/3=4677.7mm表4-7外压下圆筒校核外压下圆筒校核计算条件简图计算压力Pc-0.10MPa设计温度t30.00C内径Di1656mm材料Q345R(板材)试验温度许用应力181.00MPa设计温度许用应力t181.00MPa试验温度下屈服点s325.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT=1.25Pc=0.1250MPa压力试验允许通过的应力水平TT0.90s=292.50MPa试验压力下圆筒的应力T==5.96MPa校核条件TT校核结果合格厚度计算计算厚度=19.60mm有效厚度e=n-C1-C2=20.70mm名义厚度n=23.00mm外压计算长度LL=4677.7mm筒体外径DoDo=Di+2n=1702.00mmL/Do2.75Do/e82.2A值A=6B值B=178许用外压力[P]==2.165MPa结论合格加强圈计算加强圈类型扁钢加强圈规格-150x14LsLs=4764.3mm加强圈面积AsAs=1900.00mm2B值B＝=8.067A值A＝0.0000605加强圈惯性矩Ix1750000.00mm4所需惯性矩II==641173.1mm4有效惯性矩Is641173.1mm4结论合格2.外压下圆筒加强圈校核表4-83.外压圆筒上封头设计公称直径：1656mm曲面高度：414mm直边高度：40mm表4-9外压椭圆上封头校核外压椭圆上封头校核计算条件椭圆封头简图计算压力Pc-0.10MPa设计温度t30.00C内径Di1656mm曲面高度hi414mm材料Q345R(板材)试验温度许用应力189.00MPa设计温度许用应力t181.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C23.00mm焊接接头系数0.85厚度计算计算厚度=4.87mm有效厚度e=n-C1-C2=14.70mm名义厚度n=18.00mm外径DoDo=Di+2n=1692系数K1K1=0.8928A值A==0.001216B值B=162.185压力计算许用外压力[P]==1.578MPa结论合格（二）1.一号原料气体冷却器外压圆筒强度计算长度：5001mm内直径：2383mm外压圆筒计算长度：L2=5001+586×1/3=5196.3表4-10外压上圆筒校核外压上圆筒校核计算条件简图计算压力Pc-0.10MPa设计温度t30.00C内径Di2383.00mm材料Q345R(板材)试验温度许用应力181.00MPa设计温度许用应力t181.00MPa试验温度下屈服点s325.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT=1.25Pc=0.1250MPa压力试验允许通过的应力水平TT0.90s=292.50MPa试验压力下圆筒的应力T==8.54MPa校核条件TT校核结果合格厚度计算计算厚度=14.70mm有效厚度e=n-C1-C2=20.70mm名义厚度n=23.00mm外压计算长度LL=5196.3mm筒体外径DoDo=Di+2n=2429mmL/Do2.14Do/e117.34A值A=5B值B=177许用外压力[P]==1.508MPa结论合格2.外压上圆筒加强圈校核表4-11加强圈计算加强圈类型扁钢加强圈规格-120x16LsLs=5283mm加强圈面积AsAs=1900.00mm2B值B＝=11.53A值A＝0.00008648加强圈惯性矩Ix1750000.00mm4所需惯性矩II==5111160.5mm4有效惯性矩Is5111160.5mm4结论合格3.外压圆筒上封头设计公称直径：2383mm曲面高度：596mm直边高度：40mm表4-12外压椭圆上封头校核外压椭圆上封头校核计算条件椭圆封头简图计算压力Pc-0.10MPa设计温度t30.00C内径Di2383.00mm曲面高度hi596.00mm材料Q345R(板材)试验温度许用应力189.00MPa设计温度许用应力t181.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C23.00mm焊接接头系数0.85厚度计算计算厚度=4.87mm有效厚度e=n-C1-C2=14.70mm名义厚度n=18.00mm外径DoDo=Di+2n=2419系数K1K1=0.8928A值A==0.0008508B值B=113.44压力计算许用外压力[P]==0.772MPa结论合格（三）1.二号原料气体冷却器外压圆筒强度计算长度：7104mm内直径：2887mm外压圆筒计算长度：L3=7104+712×1/3=7341.3表4-13外压上圆筒校核外压上圆筒校核计算条件简图计算压力Pc-0.10MPa设计温度t30.00C内径Di2887mm材料Q345R(板材)试验温度许用应力181.00MPa设计温度许用应力t181.00MPa试验温度下屈服点s325.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT=1.25Pc=0.1250MPa压力试验允许通过的应力水平TT0.90s=292.50MPa试验压力下圆筒的应力T==10.33MPa校核条件TT校核结果合格厚度计算计算厚度=14.70mm有效厚度e=n-C1-C2=20.70mm名义厚度n=23.00mm外压计算长度LL=7341.3mm筒体外径DoDo=Di+2n=2933mmL/Do2.5Do/e141.7A值A=3B值B=175许用外压力[P]==1.235MPa结论合格2.外压上圆筒加强圈校核表4-14加强圈计算加强圈类型扁钢加强圈规格-120x16LsLs=7428mm加强圈面积AsAs=1900.00mm2B值B＝=14.0A值A＝0.000105加强圈惯性矩Ix1750000.00mm4所需惯性矩II==12899201.8mm4有效惯性矩Is12899201.8mm4结论合格3.外压圆筒上封头设计公称直径：2887mm曲面高度：722mm直边高度：40mm表4-15外压椭圆下封头校核外压椭圆下封头校核计算条件椭圆封头简图计算压力Pc-0.10MPa设计温度t30.00C内径Di2887mm曲面高度hi722mm材料Q345R(板材)试验温度许用应力189.00MPa设计温度许用应力t181.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C23.00mm焊接接头系数0.85厚度计算计算厚度=6.20mm有效厚度e=n-C1-C2=14.70mm名义厚度n=