CL02-032@天然气汽车供气系统减压装置设计
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机械毕业设计全套
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CL02-032@天然气汽车供气系统减压装置设计,机械毕业设计全套
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1 减压系统的改进 符号命名 ： C=电导， L/S C*=层流电导， L/S Cm=分子流动电导， L/S Cp=恒压时的热容量， Btu/mol Cv=恒容时的热容量， Btu/mol d=管子内径， in Fa=泵送能力， ft3/min Fs=流率， std ft3/h g=重力常数， 32.2ft/s2 G=天然气相对空气的比密度，无量纲 h =静态液压差动， in.H2O Kn=克努森数，无量纲，查看上下文 L=管子长度， ft P=减压量 ,torr Pend=结束压力， mbar Pstart=开始压力， mbar Pult=泵的极限压力， mbar P =压降， psi r=压力减速比， (Pstart- Pult)/( Pend -Pult)， 无量纲 R=气体常数， 1545（ lbf/ft2） ft3/lbmol R Re=雷诺数，查看公式 3 Seff=有效泵送速度， L/s 或 m3 tp=抽气时间， s,min, 或 h T0=温度， T=温度， R U=速度， ft/s V=系统体积， ft3 Vl=系统体积， L Vs=音速， ft/s =压力校正因素，无量纲，图 7 =粘度， lbf-s/ft2 nts 2 c=温度， 厘泊 =时间， min =密度， lb/ ft3 =时间常数， s 间歇式减压系统的性能取决于泵的选择，以及系统底座的设计。如果泵选择的不适合，最好的设计系统将会不满足它的设计性能。另一方面，如果系统的底座设计不合格，特殊的泵将会不满足整体系统标准。因此，系统必须要整体看，特别是管子的设计，设备的布置，当然，还有适当的泵。 确立研究的基础 每一个设计都有一个开始点。四个参数有利于第一步的开始：系统体积，抽气时间，渗漏率和泵送能力。压降在后面考虑。泵的选择在后面 91 页的方框里讨论。 系统体积是所有容器，管子和其他必须抽空的中间设备 的总 体积。一个典型的间歇式装置仍然带有夹套，搅拌式反应设备，提升管，冷凝器和夹套减压接收器，这个体积大约是实际反应器体积的两倍。有些还带有传统的间歇式旋转系统或其他粉末干燥系统。 大多数间歇式工艺选择系统抽气时间在 20-30 分钟范围内的。因为大多数商业地紧缩系统处于低水平减压，在计算抽气时间时可以忽略渗漏。在泵的实际流量恒定的情况下，抽气时间可以用下面的方程式计算（多级泵或者单级泵）： =（ V/Fa） （ 760/P） (1) 中水平减压装置受 渗透率的影响，精确的方程式不仅长，而且复杂， 是使用图1 的计算图表，而不是处理方程式。我们必须指出：如果尺寸单元是减压装置设计的一部分。请在整篇文章中忽略它们。 实际上，渗漏率是要计算的，而且也是在上面的方程式中被估算的，然后渗漏率和泵送率的比也是要计算的。 如果比值小于 1/10，则泵送率是安全的，否则，则要选择更大的泵。 下一步是向目标的一个小的飞跃。换热器研究所收集了许多系统的统计关键资料，这是 在一个非常广泛的关于渗漏率系统的条件。图 2 是一个对数表，包括系统体积和减压设计 的程度，以及比较渗漏率。 这个简单方法源自于模糊、准确系统设计，在大多数化学加工 工业（ CPI）的应用领域，和及其适合的老工业经验法则，假设 1cfm 是 每 100-torr（或是大于）系统在每 1 ft3 系统体积的量。不要试图在微电子或 板材运用方面利用这个图表，在那些方面需要更高的精度，超过本篇文章所需要的范围。 在系统有一些不寻常的管子尺寸或垫片构型时，图 2 可以做适当补充。图 3，有 6 个部分，允许通过单独封口测定渗漏。查看相关的 4,这是处理沉浸式结合和nts 3 传动轴。 中心减压系统必须被设置用来满足一点数量的使用者，而且必须有足够的 复杂性用来满足变动容量和减压水平的要求。通常地低压减压系统在 600-680torr 范围内操作。 在所有的减压系统中，特别是高减压系统中，使用的经济费用必须最低。在就意味着空气渗漏必须 严格 地控制。同样，打算清除惰性物质和去除冷凝物，带有适当的管套结晶器，更可能地满足减压装置使用者的要求。 压降 在减压装置中，气体的流动要求一定的压降，这不仅仅是满足工作要求。允许管道系统的压降是要求大小的 10%的显著压力。这就意味着：例如：一个 10-torr的减压系统可以减至只有 1torr 的管道压降。 随着减压装置深度的增加，实际的天然气流动的替代速度呈线形增加，允许的管道压降 呈比例的减少， 而减压管线的尺寸在增加。如果系统管线和设备没有合适的压降，那么无论真空发电装置有多大，也不可能达到设计所要求的压降水平（图 4）。 流量特性随着压力的显著变化而发生变化。当雷诺数在计算中占有非常重要的地位时，是克努森数（ Kn：意味着自由程 /容器直径）来 决定流量的。深减压装置是根据分子流动的范围而定义的。 Kn0.5。每个分子之间的相互作用和气体分子与容器壁之间的相互作用关系不大。减压水平一般在 7.5 10-4torr 之下。方程式（ 2）是用来计算流量的。 Fa=1983d3/L （ 2） 克努森数一般在 0.01-0.5 范围之内，流量是在过渡范围内的。这是高于深减压装置范围的（大约在 7.5 10-5-7.5 10-1torr 范围内）。有帮助的图表（图 5）限定了范围的边界。计算流量是非常困难的。推荐雇佣一名顾问。 许多加工工艺是处于粘流状况的， Kn4000；过渡状态是处于 2300 和 4000 之间的，图 6 就是对此的 描述。 Re=dU / (3) 节流栓流量（音速）可以选择不同类型的发动机，用方程式（ 4）来计算最大速度。 Vs=（ gR Cp T/ Cv） 0.5 （ 4） 计算层流状态下的压降利用方程式（ 5）是很简单的。 P =6.68 10-4 cU/d5 （ 5） nts 4 紊流状态相关的摩擦系数要考虑到计算中去。在不需要明确摩擦系数时，方程式（ 6）表明了它们之间的关系。方程式、图表、和计算图表在“液 体流动” 10同样要解决这个计算。减压装置利用图 7、 8、 9 和 87 页的表格进行在生产，使得一些图表已经适应了这种情况。 Fs=3550（ h d5 ） /GL（ 1+3.6/D+0.03D） 0.5 （ 6） 管子和接合 衬管，大多数的直径都小于 4in，拥有在整个范围内的减压能力。除非有特殊情况，我们将会避免采用非常昂贵的金属管子（如：合金、 钽 、钛 ） ，或是玻璃管子（纯的或编制纤维）。 在温度不是问题放的情况下，如果工业气体产物是适合的，可以考虑使用溶剂焊接管子、塑料胶管子或者是 玻璃钢管子。 连接金属管子的最好办法是整体焊接。既然这个系统不可能打开来清理或清扫，再化合放入过程不得不限制清扫加工场地。液体和固体污垢同样规定了要焊接。如果需要法兰，微电子 工业最适合的类型是槽面法兰。 其他管线连接方法会有泄露的倾向。密封管子法兰可以用扭矩扳钳进行适当地紧缩（理论上地）。但是，聚四氟乙烯（ PTFE）会发生密封蠕变，然后减压装置的管线成分的循环将最终会使 法兰螺栓松散。检测螺栓扭矩经常被忽略。除非聚四氟乙烯使用许多公里，螺纹管的连接泄露将会低于 100torr。 机械密封是关键的组成部分。不同类 型的热虹吸管，会串联双倍的机械密封和双倍的干燥机械密封。市场上可买得到的螺纹干燥泵使用了氮气清扫作为密封。 大多数泵都是碳钢结构的。在油密封泵中，油提供了腐蚀剂与泵的金属部件的一层隔层。在运转在有效高温的干燥泵中，腐蚀剂是不能使用的，因为它们缺少一种液相。然而。通常这些是不够的 ，而且聚四氟乙烯和镍涂层已经使用了。 管子的布置可能解决问世，也可能引发问题。许多潜在的布置问题必须被提出：冷凝，伴随的液体在管线上的积聚，和超高压降。在中心减压系统中，在不同的区域内会有潜在的交叉污染。如果减压装置会在不同的使用者 之间使用，例如：多级模量的反应器和干燥器，压力可能产生波动。假设系统有了合理的管子直径和泵的尺寸，硬件的定义是战略脱模壶低压降止回阀和抑制孔口。 考虑到同时有许多使用者在使用，加热器须应该设计有大余量尺寸。部分哲学来避免交叉污染，同时， 意于避免相关放入液击问题：在一个机械厂安装减压系统（允许已准备好的维修），这在加工工厂处于最高的可能性。 设计管线只有一个关键点。管线在从最高点回到使用者的系统和脱模壶减压泵时应该有一定的倾斜。减压管线应该从最高点进入加热器，而且，加热器应该向脱模壶或泵的方向倾斜。所有的加热器应该有带有报警水平或自动放液口的脱模壶。没有这些设备，减压系统可能失败，而且液体可能回流到加工工艺过程中去。 nts 5 器件和硬件 冷凝器是用来驱走挥发性组分。如果第一个冷凝器是用来达到要求的加工平衡，则在减压源之前再增加一个排气冷凝器。 如果溶剂是现成的，只要没有达到加工冰点，操作具有最低的冷却液体的冷凝器是可行的。 无水溶剂的通常水平是-20 。根据溶剂和减压水平，这个温度适用于大多数的排放标准。这些单元结构的材料于加工工艺是基本一样的。 第一个冷凝器是为减压源服务的。气体冷凝成液体 一般是忽略压力的。为了保证系统压降的最小值，采用 TEMA 型中的 M 型低压换热器是比较合理的。专业的换热器设计技术 ，已经被专业的制造者所使用，这会确保一个非常成功的设计。 许多系统使用了脱模壶和过滤器只是使减压泵有了一个提高。它的目的是 改变气溶胶和任何其他的固体颗粒。这些单元中的绝大部分是用碳钢或是不锈钢制成的。 清扫系统用来要求启动单元干燥减压泵 ， 在关闭循环系统时，去除腐蚀性材料。典型地液循环式系统可以实现对换热器中的封闭液体进行冷却，减小它的蒸汽压力。典型地喷射系统在蒸汽液化成液体的过程中有中间冷凝器，因此 ，减小了后面的喷射系统的尺寸。油封泵有附加油系统和收集系统。 中间系统是由许多使用者共用一个单一的减压泵。对此，好的附属设备是低压降的检验阀，带有旁路阀的抑制空口，和压载箱。为了是新的使用者对现有使用者的冲击最小，可以建立辅助硬件，而且必须操作初始系统进行抽气，硬件还可以减小使用者之间造成的潜在的交叉污染，这是由加热器的回流造成的。 高流减压装置可以借助传感器和 V 行缺口球阀进行控制。低流减压装置可以借助系统入口处的泄放孔进行很好的控制。如果压入溶剂，则空气泄放孔是非常危险的；氮气泄放孔昂贵但更加安全。 从蒸 汽喷射到泄放孔回流一些废气到已完成的减压控制中是很普遍的。在一些机械减压泵中，例如螺杆泵，使用变速操作可以实现很好的控制。真空表和变送器采用了许多不同的形状和样式。图 10 描述了许多操作范围。 测试和启动 在做任何测试之前，为了避免外来杂质的干扰，例如：焊渣， PTFE 卷尺，手套和金属刮屑，要对整个系统进行清扫。安装一个永久的低压降粗滤器可以节省设备，和减少生产的停工时间。 当对一个新的减压系统进行试车时，不要在测试压力时停车。这个方法成功地发现了大的泄露，但是它不能发现那些随着系统使用时间的增加而不可避免的产生的小的泄露。压力测试和减压装置的操作两者的泄露特性不同，特别是在组分nts 6 方面，例如阀和法兰。 一个更好的测试方法是使整个减压 系统的压力低于运转压力，然后在一定时间内显示压力的升高。这种方法很自然地被称为“提高速率”测试方法。提供给系统一定的真空度，泄露就可以很准确地计算出来。可以对系统的不同组分进行这种测试，例如管线，反应器，过滤器和脱模壶，非常准确。这将会是以后排出系统故障的原始资料的来源。 标定一个减压泵意味着一个带有计算孔口系列的管子，或者带有其他类型的计算流量计，混合有一个显著压力表。为将来排除故障的 需要保留这些数据。 在液体循环减压泵中，显示器用来显示换热器中的内部循环液体的急冷程度。最小的仪表用来记录温度的上升和下降，流量和压力的减小。这些提供了没有拆分的临界流数据和热平衡数据。 检查排气管的泄露和污染或交叉污染的可能性。由于底板处有水的存在，这种情况是很可能发生的。避免后续加工过程中蒸汽的冷凝，可以使腐蚀降到最小。放气必须要处于安全状态，边界区域不是普通的通道，而且你不要想将加工气体泵入 HVAC 系统中作为替代。 减压泵的选择 在选择一种类型的减压泵时，所要做的第一件事情就是确定它的任务，为了简单的 原因，将减压装置的应用分成三类：低减压装置， 380-760torr；中减压装置，100-380torr；高减压装置， 0.1-100torr。 低减压装置 低减压装置的应用包括灌瓶，风送 ，储油罐 3，真空冷却，脱水和真空过滤。减压泵最适合的应用包括：文丘里空气喷射和蒸汽喷射，单作用工作台的液体循环，和再生的或旋转凸起型的吹风机。 泵的选择主要是根据不同的设计考虑，例如公用工程的可利用性（例如，用来蒸汽喷射的蒸汽，文丘里空气，和提供给液体循环装置的液体水）。基于加工工艺的考虑， 例如：固体的挟带作用，可以引起鼓风机 的操作问题。液体的流动和腐蚀，同样可以对设计的选择造成影响。 喷射系统可以是蒸汽、水或气体状态。蒸汽喷射除了比较小的实验单元之外是比较占优势的。所有的蒸汽喷射在处理液体导管和固体颗粒方面是可靠的，并且可以控制大范围的减压和流速。然而，喷射系统有两个主要缺点：操作他们的能量损耗（ 20 世纪 70 年代石油的短缺导致了对它们使用的严重减少），和蒸汽冷凝时排放的污染问题。 nts 7 中减压装置 中减压装置的应用包括：中间实验减压系统，真空过滤，真空干燥，减压蒸馏，除空气，挤塑机的除气和解决回收问题。减压泵最适合的应用场合包括：单 作用工作台的液体循环，单作用工作台的旋转叶片，旋转活塞， 2-3 工作台蒸汽喷射器，多工作台吹风机，旋转螺杆干燥泵。同样，选择合适的减压泵不得不考虑到所有的设计条件，包括花费。 在最近几年里，对环境的冲击问题已成为主要的考虑问题。在操作费用和选择中，两个最主要的因素是：海水通过液体循环或蒸汽喷射最后进入下水道；和来自于旋转叶片泵或旋转活塞泵的石油污染或废弃物的处理问题。 由于低花费和操作时的无相关问题产生，液体循环类型在现在的减压泵应用中得到最广泛应用。然而，蒸汽压力限制了减压的实现。除非内部淬火循环液体系统被 采用，否则对于它的使用将会受到限制。 解决清洗循环液体（通常是水）的趋势是将会加剧对环境的冲击。 单程油润滑泵 可生产出好的减压装置，但是要求对油的引进和收集有更复杂的系统。已收集的油通常包装好后到界区外焚烧，并且通常会产生有害物质。这些泵比其它涉及类型的泵价格更高，而且复杂。 干燥减压泵的新设备是一个大的卖家，这是由于它们容易操作，可实现高减压，高的生产能力，和相应地中等花费。然而，这些泵在运转时可产生热量，因此溶剂的闪点必须被考虑到。如果具有高闪点的
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