干燥器设计【全套CAD图纸+毕业论文】【机械专业原创设计】
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摘 要
在现今能源问题严重困扰我们日常生活的情况下，氢气作为一种新型的绿色能源被作为替代能源方面被人们寄予厚望，因此对于氢气的处理问题一直是一个比较热点的话题，由于现今氢气的工业生产绝大数情况是伴随着有水的情况，所以制备的氢气中往往含有一定量的水分。水分的存在会严重的影响氢气的使用性能同时会对相关的设备造成腐蚀影响，所以氢气干燥器有着广阔的市场利用空间。
本课程设计针对氢气实际生产过程中干燥的技术问题进行了解分析，在材质的选择、工艺的安排以及处理能力的方面均能够满足实际生产中的需要。
氢气干燥具有多种方法，比如吸附法、冷冻法等。往往根据不同的实际需要进行选择，本设计中通过进行实际的对比以及操作的方便性的现实原因出发选择冷冻法氢气冷却的方法，过程中涉及流体力学、冷却技术、高压容器、高等数学等相关知识点。学生得到了较为充实的知识复习，同时也较为深刻的了解了实际设计生产过程中的注意事项。
关键词：机械设计，流体力学，冷却技术，高压容器，热量传导等
目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第1章 干燥器的介绍 1
1.1 干燥器 1
1.2 干燥机的分类 1
1.3 冷干机简介 4
1.3.1冷干机工作原理 4
1.3.2 冷干机的分类 4
1.3.3 冷干机的构成 4
⑴制冷压缩机 4
⑵冷凝器 5
⑶蒸发器 5
⑷热力膨胀阀（毛细管） 5
1.2.4冷干机的使用注意 5
1.2.5冷干机的选型 6
第2章 压力容器 7
2.1概述 7
2.2设计思路 8
2.2.1选型 8
2.3设计计算 8
2.3.1壁厚的计算 8
2.3.2封头壁厚计算 9
2.3.3附件的选择 10
2.3.4补偿计算 11
2.3.4.1内压容器开孔后所需的补强面积 11
2.3.4.2有效补强面积即已有的加强面积 11
2.3.4.3连接管的确定 13
2.3.4.4安全阀的选择 14
2.3.4.5容器载荷计算 14
2.3.4.6容器焊缝标准 14
2.3.4.7筒体与椭圆封头的焊接接头 15
2.3.4.9接管与壳体的焊接接头 15
2.3.4.10由弯矩引起的轴向应力 16
2.3.4.11筒体和封头切向应力校核 17
第3章 热量交换 18
3.1概述 18
3.1.1 热量的计算 18
第4章 压缩机的选型 20
4.1绪论 20
4.2压缩机的分类 20
4.3冷却能力计算 22
第5章 膨胀阀 23
5.1绪论 23
5.2膨胀阀的工作原理 23
第6章 散热机构 25
6.1本节标题 25
6.2冷却系统冷却能力计算与分析 25
6.3 冷却能力审核 26
总结与展望 28
参考文献 29
致 谢 30
第1章 干燥器的介绍
1.1 干燥器
干燥器是通过加热使物料中的湿分(一般指水分或其他可挥发性液体成分)汽化逸出，以获得规定湿含量的固体物料的机械设备。干燥过程需要消耗大量能量，为了节省能量，某些湿含量高的物料、含有固体物质的悬浮液或溶液一般先经机械脱水或加热蒸发，再在干燥器内干燥，以得到干的固体。
干燥的目的是为了物料使用或进一步加工的需要。如木材在制作木模、木器前的干燥可以防止制品变形；陶瓷坯料在煅烧前的干燥可以防止成品龟裂。另外干燥后的物料也便于运输和贮存，如将收获的粮食干燥到一定湿含量以下，以防霉变。由于自然干燥远不能满足生产发展的需要，各种机械化干燥器越来越广泛地得到应用。
在干燥过程中需要同时完成热量和质量(湿分)的传递，保证物料表面湿分蒸汽分压(浓度)高于外部空间中的湿分蒸汽分压，保证热源温度高于物料温度。
热量从高温热源以各种方式传递给湿物料，使物料表面湿分汽化并逸散到外部空间，从而在物料表面和内部出现湿含量的差别。内部湿分向表面扩散并汽化，使物料湿含量不断降低，逐步完成物料整体的干燥。
1.2 干燥机的分类
物料的干燥速率取决于表面汽化速率和内部湿分的扩散速率。通常干燥前期的干燥速率受表面汽化速率控制；而后，只要干燥的外部条件不变，物料的干燥速率和表面温度即保持稳定，这个阶段称为恒速干燥阶段；当物料湿含量降低到某一程度，内部湿分向表面的扩散速率降低，并小于表面汽化速率时，干燥速率即主要由内部扩散速率决定，并随湿含量的降低而不断降低，这个阶段称为降速干燥阶段。
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分 类 号 密 级 宁宁波大红鹰学院毕业设计(论文)毕业设计（论文）题目所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文XXXXXXXX均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘 要在现今能源问题严重困扰我们日常生活的情况下，氢气作为一种新型的绿色能源被作为替代能源方面被人们寄予厚望，因此对于氢气的处理问题一直是一个比较热点的话题，由于现今氢气的工业生产绝大数情况是伴随着有水的情况，所以制备的氢气中往往含有一定量的水分。水分的存在会严重的影响氢气的使用性能同时会对相关的设备造成腐蚀影响，所以氢气干燥器有着广阔的市场利用空间。本课程设计针对氢气实际生产过程中干燥的技术问题进行了解分析，在材质的选择、工艺的安排以及处理能力的方面均能够满足实际生产中的需要。氢气干燥具有多种方法，比如吸附法、冷冻法等。往往根据不同的实际需要进行选择，本设计中通过进行实际的对比以及操作的方便性的现实原因出发选择冷冻法氢气冷却的方法，过程中涉及流体力学、冷却技术、高压容器、高等数学等相关知识点。学生得到了较为充实的知识复习，同时也较为深刻的了解了实际设计生产过程中的注意事项。关键词：机械设计，流体力学，冷却技术，高压容器，热量传导等III目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 干燥器的介绍11.1 干燥器11.2 干燥机的分类11.3 冷干机简介41.3.1冷干机工作原理41.3.2 冷干机的分类41.3.3 冷干机的构成4制冷压缩机4冷凝器5蒸发器5热力膨胀阀（毛细管）51.2.4冷干机的使用注意51.2.5冷干机的选型6第2章 压力容器72.1概述72.2设计思路82.2.1选型82.3设计计算82.3.1壁厚的计算82.3.2封头壁厚计算92.3.3附件的选择102.3.4补偿计算112.3.4.1内压容器开孔后所需的补强面积112.3.4.2有效补强面积即已有的加强面积112.3.4.3连接管的确定132.3.4.4安全阀的选择142.3.4.5容器载荷计算142.3.4.6容器焊缝标准142.3.4.7筒体与椭圆封头的焊接接头152.3.4.9接管与壳体的焊接接头152.3.4.10由弯矩引起的轴向应力162.3.4.11筒体和封头切向应力校核17第3章 热量交换183.1概述183.1.1 热量的计算18第4章 压缩机的选型204.1绪论204.2压缩机的分类204.3冷却能力计算22第5章 膨胀阀235.1绪论235.2膨胀阀的工作原理23第6章 散热机构256.1本节标题256.2冷却系统冷却能力计算与分析256.3 冷却能力审核26总结与展望28参考文献29致 谢30第1章 绪论第1章 干燥器的介绍1.1 干燥器干燥器是通过加热使物料中的湿分(一般指水分或其他可挥发性液体成分)汽化逸出，以获得规定湿含量的固体物料的机械设备。干燥过程需要消耗大量能量，为了节省能量，某些湿含量高的物料、含有固体物质的悬浮液或溶液一般先经机械脱水或加热蒸发，再在干燥器内干燥，以得到干的固体。 干燥的目的是为了物料使用或进一步加工的需要。如木材在制作木模、木器前的干燥可以防止制品变形；陶瓷坯料在煅烧前的干燥可以防止成品龟裂。另外干燥后的物料也便于运输和贮存，如将收获的粮食干燥到一定湿含量以下，以防霉变。由于自然干燥远不能满足生产发展的需要，各种机械化干燥器越来越广泛地得到应用。 在干燥过程中需要同时完成热量和质量(湿分)的传递，保证物料表面湿分蒸汽分压(浓度)高于外部空间中的湿分蒸汽分压，保证热源温度高于物料温度。 热量从高温热源以各种方式传递给湿物料，使物料表面湿分汽化并逸散到外部空间，从而在物料表面和内部出现湿含量的差别。内部湿分向表面扩散并汽化，使物料湿含量不断降低，逐步完成物料整体的干燥。 1.2 干燥机的分类物料的干燥速率取决于表面汽化速率和内部湿分的扩散速率。通常干燥前期的干燥速率受表面汽化速率控制；而后，只要干燥的外部条件不变，物料的干燥速率和表面温度即保持稳定，这个阶段称为恒速干燥阶段；当物料湿含量降低到某一程度，内部湿分向表面的扩散速率降低，并小于表面汽化速率时，干燥速率即主要由内部扩散速率决定，并随湿含量的降低而不断降低，这个阶段称为降速干燥阶段。干燥器可按操作过程、操作压力、加热方式湿物料运动方式或结构等不同特征分类。按操作过程，干燥器分为间歇式(分批操作)和连续式两类 按操作压力，干燥器分为常压干燥器和真空干燥器两类，在真空下操作可降低空间的湿分蒸汽分压而加速干燥过程，且可降低湿分沸点和物料干燥温度，蒸汽不易外泄，所以，真空干燥器适用于干燥热敏性、易氧化、易爆和有毒物料以及湿分蒸汽需要回收的场合 按加热方式，干燥器分为对流式、传导式、辐射式、介电式等类型。对流式干燥器又称直接干燥器，是利用热的干燥介质与湿物料直接接触，以对流方式传递热量，并将生成的蒸汽带走；传导式干燥器又称间接式干燥器，它利用传导方式由热源通过金属间壁向湿物料传递热量，生成的湿分蒸汽可用减压抽吸、通入少量吹扫气或在单独设置的低温冷凝器表面冷凝等方法移去。这类干燥器不使用干燥介质，热效率较高，产品不受污染，但干燥能力受金属壁传热面积的限制，结构也较复杂，常在真空下操作；辐射式干燥器是利用各种辐射器发射出一定波长范围的电磁波，被湿物料表面有选择地吸收后转变为热量进行干燥；介电式干燥器是利用高频电场作用，使湿物料内部发生热效应进行干燥。 按湿物料的运动方式，干燥器可分为固定床式、搅动式、喷雾式和组合式；按结构，干燥器可分为厢式干燥器、输送机式干燥器、滚筒式干燥器、立式干燥器、机械搅拌式干燥器、回转式干燥器、流化床式干燥器、气流式干燥器、振动式干燥器、喷雾式干燥器以及组合式干燥器等多种。 对湿物料进行干燥的设备。各种生产过程需经干燥处理的物料是多种多样的，对干燥的要求也各不相同,因此干燥器种类繁多，根据供热方式，有以下四类：1 对流干燥器 应用最广的一类干燥器，包括流化干燥器、气流干燥器、厢式干燥器、喷雾干燥器、隧道式干燥器等。此类干燥器的主要特点是：热气流和固体直接接触，热量以对流传热方式由热气流传给湿固体,所产生的水汽由气流带走；热气流温度可提高到普通金属材料所能耐受的最高温度（约730），在高温下辐射传热将成为主要的传热方式，并可达到很高的热量利用率；气流的湿度对干燥速率和产品的最终含水量有影响；使用低温气流时,通常需对气流先作减湿处理；汽化单位质量水分的能耗较传导式干燥器高，最终产品含水量较低时尤甚；需要大量热气流以保证水分汽化所需的热量，如果被干燥物料的粒径很小，则除尘装置庞大而耗资较多；宜在接近常压条件下操作。2 传导干燥器 包括螺旋输送干燥器、滚筒干燥器、真空耙式干燥器、冷冻干燥器等，这一类干燥器的主要特点是：热量通过器壁(通常是金属壁)，以热传导方式传给湿物料；物料的表面温度可以从低于冰点（冷冻干燥时）到330；便于在减压和惰性气氛下操作，挥发的溶剂可回收。常用于易氧化、易分解物料的干燥，亦适用于处理粉状物料。3 辐射干燥器 通过辐射传热，将湿物料加热进行干燥。电加热辐射干燥器用红外线灯泡照射被干燥物料，使物料温度升高而干燥。煤气加热干燥器则燃烧煤气将金属或陶瓷辐射板加热到400500，使之产生红外线，用以加热被干燥的物料。辐射干燥器生产强度大，设备紧凑，使用灵活，但能量消耗较大。适用于干燥表面大而薄的物料，如塑料、布匹、木材、涂漆制品等。4 介电干燥器 将被干燥物料置于高频电场内，利用高频电场的交变作用将物体加热进行干燥。这种加热的特点是物料中含水量越高的部位，获得的热量越多。由于物料内部的含水量比表面高，因此物料内部获得的能量较多，物料内部温度高于表面温度，从而使温度梯度和水分扩散方向一致，可以加快水的汽化，缩短干燥时间，这种干燥器特别适用于干燥过程中容易结壳以及内部的水分难以去尽的物料（如皮革）。介电加热干燥的电能消耗很大，目前主要应用于食品及轻工生产。进行干燥器的设计计算，首先必须选择合适的干燥器类型。目前干燥器的选型还带有很大的经验性，主要应当考虑以下几个方面：物料和产品的特点，例如物料的形态（如浆状、糊状、粉末、块粒、薄片等），固体颗粒的粒度和强度，初始含水量和水分的存在形式,物料是否有毒、易燃、易氧化，产品要求的最终含水量,产品是否允许稍有污染，形体是否允许稍有改变，产品的最高允许温度和产品的价格等。与生产过程有关的条件，例如处理的物料量，干燥的前处理与后处理情况,挥发的溶剂，是否回收等。干燥器的操作性能和经济指标。经过上述几方面的综合考虑，对各类干燥器进行比较筛选后，一般只剩下为数不多的几种干燥器，然后进行小试，寻找最适宜的操作参数及结构参数，最后根据设备价格和小试情况，决定采用何种干燥器。根据处理氢气的性质：温度300摄氏度，压力1.6兆帕，的特点以及氢气具有易燃、爆炸性的特点，本设计决定采用冷冻干燥的方式对氢气进行冷却。1.3 冷干机简介冷干机是采用降温结露的工作原理，对压缩空气进行干燥的一种设备。主要由热交换系统、制冷系统和电气控制系统三部分组成。从氢气生成设备出来的热而潮湿并含有水份的氢气首先经过湿热氢气对干冷氢气热交换器预冷却；然后经过预冷却的氢气，在氢气对冷媒热交换器被冷干机的冷冻剂循环回路进一步冷却，与已经从蒸发器出来被冷却到压力露点的冷氢气进行热交换，使氢气的温度进一步降低。之后氢气进入蒸发器，与制冷剂进行热交换，氢气的温度降至0-8，氢气中的水份在此温度下析出，通过冷凝器将湿热氢气中冷凝出的水分油和杂质分离，通过自动排水器将其排出机外。而干燥的低温氢气则进入热量交换器进行热交换，温度升高后输出，能有效地防止管路结露现象的发生，旁通阀能根据负荷变化的要求自动调节冷媒的通过量。1.3.1冷干机工作原理 利用冷媒与湿热氢气进行热交换，把湿热氢气温度降到100150范围的露点温度，使湿热氢气中含水量趋于超饱和的状态，从而除去其中的水分。1.3.2 冷干机的分类冷干机按冷凝器的冷却方式分有气冷型,水冷型两种；按进气温度高低分有高温进气型(80以下) 和常温进气型(45左右)；按工作压力分有普通型(0.31.0MPa)和中、高压型(1.2MPa 以上)。此外许多特殊规格的冷干机可以用来处理非空气类介质,如:二氧化碳,氢气,天然气,高炉煤气,氮气等。1.3.3 冷干机的构成制冷压缩机制冷压缩机是制冷系统的心脏，目前大多数压缩机采用全密封往复式压缩机。压缩机吸入来自蒸发器的制冷剂气体经压缩使其变为高压高温的过热蒸气，最后由排气管排出。 冷凝器冷凝器的作用是将冷媒压缩机排出的高压、过热冷媒蒸气冷却成为液态制冷剂，其热量被冷却水或冷却空气带走。使制冷过程得以连续不断进行。 蒸发器蒸发器是冷干机的主要换热部件，压缩空气在蒸发器中被强制冷却，其中大部分水蒸气冷却而凝结成液态水排出机外，从而使压缩空气得到干燥。低压冷媒液体，在蒸发器里发生相变变成为低压冷媒蒸汽，在相变过程中吸收周围热量，从而使压缩空气降温。 热力膨胀阀（毛细管）热力膨胀阀（毛细管）是制冷系统的节流机构。在冷干机中，蒸发器制冷剂的供给及其调节者是通过节流机构来实现的。节流机构使制冷从高温高压液体进入蒸发器。1.2.4冷干机的使用注意1）不要放在日晒、雨淋、风吹或相对湿度大于85%的场所。不要放置在灰尘多、有腐蚀性环境中。不要放置在有振动、冷凝水有冻结危险的地方。不要离壁面太近，以免通风不良。不得已需在有腐蚀性气体的环境中使用，应选用不锈钢管的干燥器。应在环境温度40以下使用。 2）湿热氢气的进口不要接错。为便于维修，要确保维修空间，应设置旁通管路。要防止的无关振动传给干燥器。配管重量不要直接加在干燥器上。 3）排水管不要向上立着，不要打折或压扁。 4）电源电压允许波动小于10%。应设置适当容量的漏电断路保护器，使用前必须接地。 5）湿热氢气进口温度过高、环境温度过高（300以上）、使用流量超过额定处理流量、电压波动超过10%、通风太差（冬季也要换气，否则室温也会升高）等情况下，保护电路会发挥作用，指示灯灭，停止运转。 6）当气体压力高于2.0MPa时，常开式自动排水器的排水口才能关闭。7）干燥器的通风口每月要用吸尘器清扫一次。 8）接通电源，待运转状态稳定后，再接通湿热氢气。停止运转后，必须等待3min以上才能再起动。 9）若使用自动排水器，应经常检查其排水功能是否正常。要经常清扫冷凝器上的灰尘等。要经常检查冷媒的压力，可判断冷媒是否泄漏及冷冻机的能力是否有变化，要检查排除冷凝水的温度是否正常。1.2.5冷干机的选型冷干机的技术参数主要有:处理量(Nm3/min),进气温度() ,工作压力(MPa) ,压力降(MPa) ,压缩机功率(Kw) 。 冷干机的目标性参数压力露点 () ,在国外厂商的产品型录上一般并不作为独立参数标注在性 能规格表上.究其原因, 压力露点与被处理压缩气体的很多参数有关.如果标出压力露点 ,也一定附带说明相关条件(诸如进气温度,工作压力,环境温度等) 。31第2章 本章标题第2章 压力容器2.1概述压力容器，英文：pressure vessel，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。（1）工作压力大于或者等于0.1Mpa(工作压力是指压力容器在正常工作情况下，其顶部可能达到的最高压力。 （2）内直径(对非圆形截面指宽度高度或对角线如矩形为对角线椭圆为长轴)不小于50mm的容器 （3）工作介质为气体、液化气体或者温度高于标准沸点的液体。 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。压力容器的分类方法很多，从使用、制造和监检的角度分类，有以下几种。 (1)按承受压力的等级分为：低压容器、中压容器、高压容器和超高压容器。 (2)按盛装介质分为：非易燃、无毒；易燃或有毒；剧毒。 (3)按工艺过程中的作用不同分为： 反应容器：用于完成介质的物理、化学反应的容器。 换热容器：用于完成介质的热量交换的容器。 分离容器：用于完成介质的质量交换、气体净化、固、液、气分离的容器。 贮运容器：用于盛装液体或气体物料贮运介质或对压力起平衡缓冲作用的容器压力容器的设计压力（p）划分为低压、中压、高压和超高压四个压力等级： (1)低压(代号L) 0.1MPap1.6MPa (2)中压(代号M) 1.6MPap10.0MPa (3)高压(代号H) 10.0MPap60100153153150141128116 圆筒的计算压力为2.16Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为1.00,全部无损探伤。取许用应力为163 Mpa。壁厚： （3.1）钢板厚度负偏差,查材料腐蚀手册得300下氢气对钢板的腐蚀速率小于0.05/年，所以双面腐蚀取腐蚀裕量。所以设计厚度为：圆整后取名义厚度24。2.3.2封头壁厚计算 标准椭圆形封头a:b=2:1 封头计算公式 ： （3.2）可见封头厚度近似等于筒体厚度，则取同样厚度。因为封头壁厚20则标准椭圆形封头的直边高度2.3.3附件的选择人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷。人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。人孔类型：从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。人孔标准HG21524-95规定PN1.0Mpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。容器上开设人孔规定当Di1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为400。综合考虑选择水平吊盖带颈对焊法兰人孔（HG21524-95）,公称压力PN2.5、公称直径DN450、H1=320、RF型密封面、采用类20R材料、垫片采用外环材料为低碳钢、金属带为0Cr19Ni9、非金属带为柔性石墨、C型缠绕垫。标记为：人孔RF（WC-1220）450-2.5HG21524-95总质量为256kg.法兰标准号为HGJ5053-91,垫片标准号为HGJ6972-91,法兰盖标准HGJ6165-91材料为20R，螺柱螺母标准HGJ75-91螺柱材料40Cr螺母材料45，吊环转臂和材料Q235-AF,垫圈标准为GB95-85材料100HV,螺母标准GB41-86，吊钩和环材料Q235-AF，无缝钢管材料为20，支承板材料为20R2,3,5。尺寸表如下表4.1 人孔标准尺寸表密封面型式PN/MpaDNdwsdDD1H1H2总质量kg突面2.5450480124506706003202142562.3.4补偿计算开孔补强结构：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强圈补强形式。但必须满足规定的条件。 压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。补强材料采用16MnR。2.3.4.1内压容器开孔后所需的补强面积式中 开孔直径：；强度削弱系数：壳体开孔处的计算厚度接管有效厚度：则 22.3.4.2有效补强面积即已有的加强面积壳体开孔后，在有效补强范围内，可作为补强的截面积（包括来自壳体、接管、焊缝金属、补强元件）筒体上多余金属面积：有效补强宽度 B=2d筒体的有效厚度 所以2人孔接管上多余的面积：外侧有效高度：内侧有效高度即实际内伸高度 接管计算厚度：所以2焊缝金属截面积：2则 2比较的 满足以下条件的可选用补强圈补强：刚材的标准常温抗拉强度Mpa；补强圈厚度应小于或等于壳体壁厚的1.5倍；壳体名义厚度；设计压力；设计温度。可知本设计满足要求，则采用补强圈补强。所需补强圈的面积为：2补强圈的结构及尺寸：为检验焊缝的紧密型，补强圈上钻M10的螺孔一个，以通入压缩空气检验焊缝质量。按照根据焊接接头分类，接管、人孔等与壳体连接的接头，补强圈与壳体连接的接头取D类焊缝。根据补强圈焊缝要求，并查得结构图为带补强圈焊缝T型接头，补强圈坡口取B型（查化工容器及设备简明设计手册）。查标准HG 21506-92 得补强圈外径,内径则取485。计算补强圈厚度： （4.5）查标准补强圈厚度取20，计算的补强圈厚度也满足补强圈补强的条件。查得对应补强圈质量为42.3.2.3.4.3连接管的确定材料：容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选择无缝钢管，采用无缝钢管标准GB8163-87。材料为16MnR。结构：接管伸进设备内切成45度，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对壁的磨损与腐蚀。接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊接参数、加工条件、施焊位置等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。一般情况下，管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。不需另行补强的条件：当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。 设计压力小于或等于2.5Mpa。 两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的2倍。 接管公称外径小于或等于30。 接管最小壁厚满足以下要求。表4.2 接管最小壁厚要求接管公称直径/mm25403546最小壁厚/mm2.03.0因此热轧无缝钢管的尺寸为3012。 钢管理论重量为22.79/m。取接管伸出长度为150。 管法兰的选择：根据平焊法兰适用的压力范围较低（PN4.0Mpa）,选择突面板式平焊管法兰，标记为：HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5,其中D=190,管法兰材料钢号（标准号）:20（GB711）。根据（欧洲体系）钢制管法兰、垫片、垫片、紧固件选配表（HG20614-1997）选择：垫片型式为石棉橡胶板垫片(尚无标准号)，密封面型式为突面，密封面表面为密纹水线，紧固件型式为六角螺栓双头螺柱全螺纹螺柱。在离筒体底以上250处安装容器出料管，容器内的管以弯管靠近容器底，这种方式用于卧式容器。出料口的基本尺寸以及法兰与进料口相同。进出料接管满足不另行补强的要求所以不再另行补强。2.3.4.4安全阀的选择由操作压力决定安全阀的公称压力，由操作温度决定安全阀的使用温度范围，所以由本设计的温度、压力、介质等基本参数可以查得标准型号A21H-40,公称通径DN取20，质量约为80。与安全阀和接管连接的法兰选择突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5，与壳体连接的接管为无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为89125。2.3.4.5容器载荷计算筒体的质量：查得圆筒体理论质量为1778/m,筒体长度加上封头的直边长度为6m,则W1=17786=10668。封头的质量:根据封头的名义厚度查得2:1标准椭圆形封头理论质量为1901。 水压试验时水的质量：由常用压力容器手册查得公称直径3000mm厚24mm的标准椭圆封头的容积为3.887,则容器容积为：水重 =49.45751000=49457.5。附件的质量：人孔重256kg,人孔补强重42.3kg,进出料管约100kg,两个液面计共180kg,安全阀80kg,排污阀44.4kg,再加上与阀门相接的接管重量，附件总质量约为750kg.所以设备总质量为62776.5kg.即627.765kN.2.3.4.6容器焊缝标准 焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。2.3.4.7筒体与椭圆封头的焊接接头压力容器受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，查得封头与圆筒连接的环向接头采用A类焊缝。焊接方法：采用手工电弧焊，其原理是利用电弧热量融化焊条和母材，由融化的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，生产率低，劳动强度高。封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为I型坡口。根据16MnR的抗拉强度=490Mpa和屈服点=325Mpa选择E50系列（强度要求：490Mpa；400Mpa）的焊条，型号为E5014.该型号的焊条是铁粉钛型药皮（药皮成分：氧化钛30%，加铁粉），适用于全位置焊接，熔敷效率较高，脱渣性较好，焊缝表面光滑，焊波整齐，角焊缝略凸，能焊接一般的碳钢结构。2.3.4.8管法兰与接管的焊接接头 管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照标准HG20605-97,根据公称通经DN 80选择坡口宽度b=6mm。2.3.4.9接管与壳体的焊接接头所设的接管都是不带补强圈的插入式接管，接管插入壳体，接管与壳体间的焊接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊接接头均属T形或角接接头。选择HG20583-1998标准中代号为G2的接头形式，基本尺寸为；，且，它适用于，因为所选接管的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的厚度为24mm，所以符合要求。选择全焊透工艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。2.3.4.10由弯矩引起的轴向应力筒体中间处截面的弯矩：式中 F鞍座反力，N； 椭圆封头长轴外半径，mm； L两封头切线之间的距离，mm； A鞍座与筒体一端的距离，mm； hi封头短轴内半径，mm。支座处截面上的弯矩：所以 由化工机械工程手册（上卷，P1199）得K1=K2=1.0。因为M1M2，且ARm/2=762mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。筒体中间截面上最高点处所以 最低点处：鞍座截面处最高点处：最低点处：2.3.4.11筒体和封头切向应力校核筒体切向应力计算：由化工机械工程手册（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。所以封头切向应力计算：因 所以合格。第4章 本章标题第3章 热量交换3.1概述热气源在热量交换罐中会自然的与温度较低的干燥后的氢气发生热量交换，在这个过程中完成干燥后氢气的加热和湿热氢气的初步冷却两个过程。3.1.1 热量的计算板式换热器选型计算步骤及公式 1)求热负荷Q:Q=VCPt。其中,Q为热负荷,W;V为冷、热流体流量,t/h;为流体密度,kg/m3;CP为比热,kJ/(kg);t=t1-t2或T1-T2,。 2)求冷、热流体进出口温度:t1=t2+Q/( VCP)。 3)求冷、热流体流量:V=Q/CP(t2-t1)。 其中,V为体积流量,m3/s。 4)求平均温度差tm:tm=( T1-t2)-( T2-t1)/ln(T1-t2)/(T2-t1)。 当T1-t2=T2-t1时,采用tm=(T1-t2)+(T2-t1)/2。 其中,tm为平均温度差,;T1,T2分别为热流体进出口温度,;t1,t2分别为冷流体进出口温度,。 5)设定冷、热流体板内流速W,m/s。 6)确定总传热系数:查表k,W/(m2)。 7)计算传热面积:F=Q/(ktm)。 其中,F为传热面积,m2;为裕度,一般取0.70.9。 8)求板片数:N=传热面积/单片传热面积。 9)求流道数:n=(N-1)/2。 10)计算实际流速:W=V/(3 600fn)。 其中,W为流速,m/s;f为单通道截面积,m2,查性能参数表;n为流道数。 11)计算实际k值:ka=1/(1/ah+1/ac+/0); a=Nu/de; Re=Wde/。 其中,a为给热系数,W/(m2);为运动粘度,m2/s;为介质导热系数,W/(m);Re为雷诺数;de为当量直径,m;0为板片导热系数,W/(m)。 12)计算实际带走热量:Q=kaFtm。13)计算压降:P=EuV2m。其中,m为压降修正系数,单流程时取1.21.4,2,3流程取1.82.0,4,5流程取2.62.8。经某一过程温度变化为T，它吸收(或放出)的热量Q表示热量(J)，Q=cmT Q吸=cm（tt0） Q放=cm（t0t） （t0是初温;t是末温） 其中C是与这个过程相关的比热(容)热量的单位与功、能量的单位相同在国际单位制中热量的单位为焦耳(简称焦，缩写为J)历史上曾定义热量单位为卡路里(简称卡，缩写为cal)，目前只作为能量的辅助单位，1卡=4.184焦注意：1千卡=1000卡=1000卡路里=4184焦耳=4.184千焦 某一区域在某一时段内吸收的热量与释放、储存的热量所维持的均衡关系。第4章 压缩机的选型4.1绪论制冷压缩机是空调系统的核心部件，通常称为制冷机的主机。科学技术的进步，新式制冷系统不断出现，推动了制冷压缩机制造技术的不断进步。从目前制冷压缩机的发展趋势来看，结构紧凑、高效节能以及微振低噪等特点是空调压缩机制造技术不断追求的目标。面对制冷压缩机做一个概述.作用:l、从蒸发器中吸蒸气，以保证蒸发器内一定的蒸发压力；2、提高压力(压缩)，以创造在较高温度下冷凝的条件；3、输送制冷剂，使制冷剂完成制冷循环。4.2压缩机的分类压缩机的种类很多，根据工作原理的不同，空调压缩机可以分为定排量压缩机和变排量压缩机。l、定排量压缩机的排气量是随着发动机的转速的提高而成比例提高的，它不能根据制冷的需求而自动改变功率输，而且对发动机油耗的影响比较大。它的控制一般通过采集蒸发器出风口的温度信号来实现，当温度达到设定的温度，压缩机停止工作；当温度升高后，压缩机开始 T二作。定排量压缩机也受空调系统压力的控制，当管路内压力过高时，压缩机停止工作。2、变排量压缩机可以根据设定的温度自动调节功率输出。空调控制系统不采集蒸发器风口的温度信号，而是根据空调管路内压力变化信号来控制压缩机的压缩比从而自动调节m 风口温度。在制冷的全过程中，压缩机始终是工作的，制冷强度的调节完全依赖装在压缩机内部的压力调节阀来控制。当空调管路内高压端压力过高时，压力调节阀缩短压缩机内活塞行程以减小压缩比，这样就会降低制冷强度。当高压端压力下降到一定程度，低压端压力上升到一定程度时，压力调节阀则增大活塞行程以提高制冷强度。根据工作方式的不同，可分为两大类 容积型与速度型。 容积型压缩机是靠工作腔容积的改变来实现吸汽、压缩、排汽等过程。属于这类压缩机的有往复式压缩机和回转式压缩机。速度型压缩机是靠高速旋转的T作I1轮对蒸气做功，压力升高，并完成输送蒸气的任务。属于这类压缩机的有离心式和轴流式压缩机，目前常用的是离心式压缩机。1、往复式压缩机的工作原理往复式压缩机又称活塞式压缩机。压缩机的工作腔是汽缸。活塞在汽缸内作上下往复运动，从而完成了压缩、排汽、膨胀、吸汽等过程。图1中的四个过程分别表示了压缩机工作中的四个过程。 到最低位置(称活塞的下止点)时，汽缸吸满蒸气。而活塞转而向上，这时吸、排汽门都关闭，汽缸容积缩小，蒸气被压缩，一直压缩到排汽压力为止。图中(b)为排汽过程：当压力达到一定值(大于排汽管内压力)时，排汽阀开启，活塞继续上移，蒸气排出，一直到活塞上移到最高位置(这位置称活塞的上止点)时，排汽结束。图中(c)是余隙膨胀过程：为了防止活塞与吸排汽阀碰撞，活塞上移到上止点时，活塞与汽缸顶部之间留有一定间隙，称余隙。当活塞转而向下运动时，排汽结束时留在余隙内的高压蒸气阻止吸汽阀开启，吸汽不能开始。这时余隙内的蒸气随着活塞下移而进行膨胀，一直膨胀到吸汽压力以下时才结束。图中之(d)是吸汽过程：吸汽阀开启，随着活塞往下运动而吸汽，一直进行到活塞下移到活塞下止点为止。 ( 2)优点：它应用比较广泛，制造技术成熟，结构简单，而且对加工材料和加工lT艺要求较低，造价比较低，适应性强，能适应广阔的压力范围和制冷量要求，可维修性强。(3)缺点：无法实现较高转速，机器大而重，不容易实现轻量化，排气不连续，气流容易出现波动，而且工作时有较大的振动。由于曲轴连杆式压缩机的上述特点，已经很少有小排量压缩机采用这种结构形式，曲轴连杆式压缩机目前大多应用在客车和卡车的大排量空调系统中。4.3冷却能力计算各种制冷量单位的换算关系如下：1. 1kcal/h (大卡/小时)=1.163W，1W=0.8598kcal/h；2. 1Btu/h（英热单位/小时=0.2931W，1W=3.412Btu/h3. 1USRT(美国冷吨)=3.517KW，1KW=0.28434USRT;4. 1kcal/h=3.968Btu/h,1Btu/h=0.252kcal/h;5. 1USRT=3024kcal/h,10000kcal/h=3.3069USRT;6. 1匹=2.5KW(用于风冷机组)，1匹=3KW（用于水冷机组）说明：1.“匹”用于动力单位时，用Hp（英制匹）或Ps(公制匹)表示，也称“马力”，1Hp(英制匹)=0.7457KW, 1Ps(公制匹)=0.735KW；2.中小型制冷机组的制冷量常用“匹”表示，大型空调制冷机组的制冷量常用“冷吨（美国冷吨）”表示。每立方米负荷按W0=75W/m3计算。在1.6Mpa压力下设定湿热气体流速为N=0.5m3/s，P=W/N =W0*N*3600 =75*0.5*3600=135KW设定安全系数S=1.5所以P1=P*S =135*1.5 200KW第5章 膨胀阀 5.1绪论在制冷系统中，制冷剂液体的膨胀过程是有节流来完成，膨胀节流的作用是将液体制冷剂从冷凝压力减小到蒸发压力，并根据需要调节进入蒸发器的制冷剂流量。在制冷系统中节流膨胀的机构主要有热力膨胀发、电子膨胀阀和毛细管等，但毛细管在节流过程中有不可调性，所以在大型系统中采用膨胀阀来控制。5.2膨胀阀的工作原理膨胀阀作用节流降压。把冷凝来的高温高压制冷剂液体节流降压成为容易蒸发的低温低压雾状制冷剂送入蒸发器，即分开了制冷剂的高压侧和低压侧，为制冷剂蒸发创造了条件。自动调节制冷剂流量。由于室内温度的改变，相应的制冷负荷也发生改变，要求流量作相应的调节，以保持室内温度稳定，膨胀阀自动调节进入蒸发器的制冷剂流量以满足制冷循环要求。控制制冷剂流量，防止压缩机液击和异常过热现象发生。膨胀时以感温包作为感温元件控制制冷剂流量大小，保证蒸发器尾部有一定的过热度，从而保证蒸发器容积的有效利用，避免液态制冷剂进入压缩机而造成液击现象；同时又能将过热度控制在一定范围内。膨胀阀的分类： 1.热力膨胀阀。2.电子膨胀阀。热力膨胀阀内平衡式热力膨胀阀。外平衡式热力膨胀阀。（1）内平衡式热力膨胀阀结构组成：阀体、推杆、阀座、阀针、弹簧、调节杆、感温包、连结管、感应膜片等部件组成。 第5章 实验与调试 第6章 散热机构6.1本节标题散热机构是冷却系统中不可缺失的部分，压缩机通过制冷剂将冷却区域的热量传递到外界由散热系统实现热量的散发。6.2冷却系统冷却能力计算与分析计算过程为：（1）根据试验结果，确定冷却系统的安装效率及扭矩点的水套散热量；（2）根据（1）的结果，预测安装效率；（3）计算冷却常数。安装效率的确定：考虑到叶尖间隙对容积效率的影响、以及风扇效率，一般冷却系统的安装效率在45%70%之间。（1）功率点实际匹配风速散热器全速全负荷时的散热量为：Qw=200kW。转毂试验的结果：功率点冷却常数T为100故，此时散热器的标准散热量为：=200x60/100=180kW对应散热器对应风速：Vr1=4.85m/s*插值计算局部数据如下：风速（m/s)标准散热量（kW）4.5575870.622724.6545580.138214.7515289.64764.8484898.150874.94545110.64803（2）理论匹配风速功率点风扇转速为3750rpm，匹配空气流量：Qa=2.36612m3/s扭矩点风扇转速为3000rpm，匹配空气流量：Qa=1.85578m3/s散热器正面积：Fr=0.19368m2通过散热器的对应风速为功率点：扭矩点：（3）安装效率：根据功率点的实际匹配风速和理论匹配风速，有：安装效率与实际使用情况相符，也接近我们的预测。可以认为，功率点与扭矩点的安装效率是一样的。6.3 冷却能力审核（1）理论匹配风速功率点风扇转速为3750rpm，匹配空气流量：Qa=2.11517m3/s。扭矩点风扇转速为3000rpm，匹配空气流量：Qa=1.69551m3/s。散热器正面积：Fr=0.2385m2通过散热器的对应风速为功率点：扭矩点：（2）实际匹配风速：安装效率：=55%则实际匹配风速：功率点： Vr1=Vr. .=8.8686x55%=4.8773m/s扭矩点： Vr1=Vr .=7.1091x55%=3.9101m/s
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