年产3.2万吨NaOH 装置设计（全套CAD图+说明书+开题报告+翻译）
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年产3.2万吨NaOH
装置设计（全套CAD图+说明书+开题报告+翻译）
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DD 大 学毕业设计（论文）任务书学 院： 机械工程学院 题 目：年产3.2万吨NaOH装置设计 论文 (设计) 内容及要求：一、毕业设计（论文）原始依据装置参数：年产3.2吨NaoH（256工作日），操作温度为80原料液浓度为0.3，完成液浓度为0.45（质量分率）蒸发器中溶液的沸点为102.8度，蒸发器中总的传热系数平均为1200加热蒸汽的绝对压力为450kpa，冷凝器绝对压力为20kpa, 二、毕业设计（论文）主要内容设计图纸折合0#图3张以上（其中手工绘图不少于1张1#图）。设计说明书12000字以上，并有20003000字的外文文献翻译和300字左右中英文摘要。三、毕业设计（论文）基本要求设计符合最新国家标准及行业标准。设计图样达到工程设计施工图水平。四、毕业设计（论文）进度安排 2013.1.72013.1.14 文献查阅 2013.1.152013.1.16 开题报告 2013.3.12013.4.1 总体设计 2013.4.22013.5.1 强度校核 2013.5.12013.6.1 画图及编写说明书 2013.6.22013.6.8 毕业答辩五、主要参考文献 钢制压力容器 GB150-2011化工工艺设计手册单片机原理及接口技术压力容器设计手册 指导老师： 年 月 日 毕业设计(论文)题 目 年产3.2万吨NaoH装置设计 学院名称 机械工程学院 指导教师 职 称 班 级 学 号 学生姓名 年 05月 30日购买后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 年产3.2万吨NaOH装置设计摘要：在本次的三效蒸发制碱装置的设计中，是需要运用许多的化工机械专业的基础知识，例如有：一些设计中的管壳式换热器，它主要参考了GB150-1998和GB151-1998；关于蒸发的一些工艺设计的计算中，则又要用到很多与化工原理相关的物料平衡以及热量平衡的计算方法；同时，受到内压作用的设备在选材时，都必须严格要求其选择容器用钢；另外，在设备的形状以及尺寸的确定中，参考和借鉴了相关传统化工设备设计的经验和方法。 同时，因为本次设计的设备其处理的介质是具有腐蚀性的NAOH溶液，所以一些与烧碱有所接触的零件在其选材之时，通常都是要用到不锈钢OCr18Ni9的。但是这在其管板的设计中，管板的一侧才与烧碱有所接触的，因此若是都要用不锈钢来制造，那么这样既不经济也不好加工。所以在本次设计中的管板选择采用复合钢板，但是管板的计算和校核还是按照其中一种材料进行的。关键词：三效蒸发;管板;换热器;物料平衡;复合钢板 年产3.2万吨NaOH装置设计Abstract:In the design of the three effect evaporation alkali produced device in this time, which is the need to use the basic knowledge and many chemical engineering .for example: in some shell and tube type desiging of the heat exchanger,which mainly refers to the GB150-1998 and GB151-1998; some calculation process design of evaporation is also used in many related the chemical principle of material balance and heat balance calculation method. at the same time, because of the action of internal pressure of the equipment in the material, it must be strictly required to choose a vessel steel; in addition, what reference the experience and methods of design related traditional chemical equipment in determining the shape and size of the equipment. At the same time, because the equipment is the design of the process medium,which is NAOH solution is corrosive, some contaction with caustic soda in the selection of parts is usually to use stainless steel OCr18Ni9. But ,this ,in the tube sheet design, is in the side of the tube plate and caustic soda are exposed.so ,if you are made of stainless steel, that is neither economic nor good processing. So the tube plate, in this design, adopted the composite steel, but the calculation and checking of tube plates or in one of the materials.keyword:device of triple ； tube plates ；heat exchanger ； materical balance ；clad steel 目录前 言11、绪论22、工艺设计及计算62.1、主要操作条件62.2、整个系统的总蒸发水量62.3、选取各效出效浓度72.4、各效温差分配：83、蒸发器的设计及计算113.1、蒸发室内径和气相空间高度的确定113.2、蒸汽进出口管内径的确定123.3、蒸发器加热室直径及高度的确定144、加热器的设计计算164.1、初定参数164.2、各效总传热系数的校核175、管板的设计计算215.1、设计计算公式的基本考虑22 5.2、管板强度的基本分析方法235.3、符号说明和计算245.4、法兰的选取和计算285.5、壳程压力作用的危险组合346、螺旋板式换热器的设计406.1、传热工艺的设计406.2、流体压力降计算446.3、螺旋板强度和挠度的计算及校核457、蒸发器分离室设计527.1、分离室的初步设计527.2、各效蒸发室壁厚537.3、分离室的封头设计537.4、人孔的设计537.5、旋液分离板设置547.6、视镜设计547.7、法兰设计54英文翻译56附录一 外文原稿：56参考文献：69谢 辞70- viii -前 言 本次设计是对我们大学四年来所学知识的综合和总结，主要目的在于在培养我们正确的设计思想以及运用我们所学的基础知识和专业知识去分析，解决生产实际问题的能力，同时在此次设计过程中学会了运用设计标准和规范、设计手册、设计图册以及查阅相关技术资料去进行相关的理论计算、结构思考和绘制图样，对培养我们机械设计的基本技能和工程设计者的基本素质有较大的帮助，也为毕业后走上相关的工作岗位打下了良好的基础。这次我设计的是年产3.2万吨制碱装置，三效蒸发系统的方案有下列几个组成部分：蒸发器、预热器、加热器等都进行了专业的设计、计算、校核和绘图。在化工生产中，腐蚀问题是个设计中要考虑的一个重大因素，也是大家一直所关注并力求解决的，它不仅仅与生产设备的使用寿命和效率相关，还与整个生产的经济效益息息相关的。因此如何在经济和效益的基础上寻求腐蚀与防腐的平衡便成为了设计者应该首先考虑的问题。 由于本人水平有限，相关设计经验不足，设计中难免有错误和疏漏之处，恳请各位老师指正。1、绪论蒸发操作是指运用加热的方法，在溶液沸腾的状态下，使其中的水分或者其他具有挥发性的溶剂部分的气化移除，从而达到使溶液浓缩的过程。由于溶质一般为不挥发的，因此蒸发又是一个使挥发性的溶剂与不挥发性的溶质分离过程。蒸发操作在工业生产中的目的如下：（1）提高溶质在水溶液中的浓度; （2）用蒸发制备纯净的溶剂；（3）用于浓缩溶液和回收溶剂。另外，还经常用于溶剂地脱臭、放射性废染料的处理等等。多效蒸发是蒸发操作中的一种方法。多效蒸发既可以在常压的状态下进行，也可以在加压、减压的状态下进行。蒸发操作的实质为在间壁的两侧分别有蒸汽冷凝、溶液沸腾的传热的过程。因此蒸发器实质上是一种换热器。但是，与一般的传热过程相比教，蒸发操作又具有以下的特点：（1）蒸发物料为溶有不挥发性的溶质的溶液。从乌拉尔定律可得出：在相同的温度下，溶有溶质的溶液蒸气压较纯溶剂低，因而在相同的压力下溶液的沸点要比纯溶剂的沸点高，当加热蒸汽的温度达到一定程度时，前者的传热温差就比后者时为小，另外溶液的浓度越大，这种影响也会越加的显著。（2）由于蒸发时的气化溶剂量很大，因此会消耗掉大量的蒸汽。为了提高加热蒸汽的经济性，有效的利用能量，可用多效蒸发的方法达到目的。（3）蒸发物料可能具有某些的特性：一些蒸发物料会在浓缩时可能会结垢或析出结晶，一些具有较强的腐蚀性或较高的粘度，一些热敏物料会在高温下容易分解而变质等等。因此在选择适宜的蒸发方法和设备时，应根据物料特殊性和其工艺要求来选择。以上所述的特性是选择和设计蒸发器所必须考虑的一些问题。从能源的利用方面来讲，蒸发过程的操作方式又可分为单效蒸发、多效蒸发和多级闪蒸等等。对各种操作方法的介绍如下所述：1、单效蒸发 采用单效蒸发的条件：当生产的能力小，而加热蒸汽又是廉价的，且所处理物料是有腐蚀性的，或者产生的蒸汽是被污染的而不能再次利用的情形下可采用。它的操作方法如下：（1）间歇式。这种方法是按加料、蒸发、排料依次分步来进行的。这种方式不太常用，但是由于它需要很大的设备容量一次性的把料液全部装入，且它的加热面是需要放地很低的，以便浓缩液在蒸发的终点时也能淹没到加热面。（2）半间歇式。这种方式顾名思义是指溶液在达到其所要求的终点浓度之前，连续不断地于其加料，以便能保持设备内恒定不变的液面的一种方式。（3）连续式。该操作方法是指连续地进出料，进料与产品的浓度基本上保持不变。 2、多效蒸发 多效蒸发是一种有效地利用能量的方法。它的特点如下所述：第一效时通入加热的蒸汽，下一效时以二次蒸汽作为加热蒸汽，后面的各效分别依次地类推，而末效的二次蒸汽进入到冷凝器冷凝。理论上的单位质量所加热的蒸汽蒸发的水量应该为效数的倍数。依据加热蒸汽、料液的流向，多效蒸发流程有以下的四种： 1)、顺流法（又称为并流法） 优点：a、其各效间可以省去输料泵。由于各效之间有较大压差，所以料液与蒸汽能自动得从前效进入到后效；b、在各效之间不需设预热器。由于前效操作温度是高于后效的，料液从前效进入到后效的时候呈现过热的状态，而可以产生自动蒸发；c、由于辅助的设备较少、装置紧凑、管路较短，因而温度的损失也较小；d、装置操作相对简便，工艺条件相对稳定，因而设备维修工作减小。 缺点：由于后效的温度低、溶液的浓度大，因此料液粘液的粘度也增加的很大，而降低了传热系数。所以对于这样随着浓度增加很大的料液不宜于采用并流的方式，同时也说明并流操作只适用于粘度不是很大的液体。 2）、逆流法，即指蒸汽与料液的流向呈逆流的操作。 优点：a、逆流法可充分发挥设备能力。随着料液的浓度的提高，它的温度因此也相应提高，相应地料液粘度也会增加较小，所以各效的传热系数相差也不是很大，才能充分的发挥设备能力；b、可产生较高的浓缩液。因为浓缩液的排出温度是很高的，因此可利用它的显热在减压状况下进行闪蒸增浓。所以逆流法用于粘度较大的料液地蒸发。 缺点：a、由于辅助的设备较多，其动力的消耗较大，各效之间还须设置相应的料液泵、预热器，有时浓缩液的出料时的温度可能过高，还应须增设相应的冷却器；b、不适用于浓缩液在高温之时容易分解的料液；c、操作较之为复杂，工艺条件也不太稳定，必须设置有相对完善的控制与测量的仪表。 3）、错流法 也称为混流法，它是顺流法、逆流法的结合。错流法的特点是兼有两者的优点而避开其的缺点，但是操作较复杂，也缺少比较完善的自控仪表来满足它的稳定操作，因此此法在我国目前主要用于造纸业的碱的回收系统中。 4）平流法即在各效之中全部加入料液，同时每效都引出浓缩液。平流法主要用于一些有结晶析出的料液，其他的一般都不采用，另外此法还可用在浓缩两种和两者以上的不相同的水溶液。3.多级蒸发 此法主要用于海水淡化,它的主要优点是使汽化在无传热面的气室内发生,因此多级闪蒸汽就可以通入大量的加热蒸汽. 综合以上所述:考虑制造、生产的因素，所以本次的设计采用多效蒸发中的的顺流法。蒸发装置的选型 蒸发装置设置的选型的首要问题应优先考虑那些传热系数高的型式，但是料液的物理和化学性质通常会使些许的传热系数高的型式在生产、使用方面受到相应的限制，因此在选型时应考虑的因素有一下几种：1)、料液的性质包括料液的组成成分、物料的粘度以及腐蚀性、热稳定性和发泡性、料液的变化范围等，料液是否容易结垢、结晶和是否含有固体悬浮物。2、工程技术要求 包括有料液的处理量和蒸发量，料液进口、出口的浓度和温度，现场安装时的浓度和高度、设备的投资额度、是否要求连续或间隙生产等。3）公用系统的情况 包括可利用的热源、压力、蒸馏量、冷水的水量、水质和温度等等。 综上所述因素，故本次的三效制碱装置选择采用列文式的蒸发器，有以下原因： 1）设计中要求的处理量较大; 2）设计中的电解液有很强的腐蚀性； 3）料液的粘度比较小，且随浓度的变化也较小； 4）浓缩过程中会有结晶析出，很容易结垢； 5）料液稳定性比较好，无须考虑到热敏性的影响； 另外，这种蒸发器的结构简单，它的制造成本较低，其操作和维修很方便所以，整个的工艺流程选择采用三效分级蒸发方式，而蒸发器的结构型式选用列文式。2、工艺设计及计算2.1、主要操作条件 1.加热蒸汽的绝对压力为450kpa。 2.原料液的浓度为0.3，完成液的浓度为0.45. 3.操作温度为80。 4.冷凝器的绝对压力20kPa。 5.年产3.2万吨NaoH,工作日256天，每天24小时，约5.2吨/小时。2.2、整个系统的总蒸发水量 根据生产要求，取系统的洗水量为500kg/1t NaoH 100%。 Ws=5.2。为原料液中的NaoH的质量百分比。为电解液中的的质量百分比。 为完成液中的NaoH的质量百分比。为完成液中的的质量百分比。已知、可得：即有Ws =5.2 再将Ws在三效中进行分配，其各级分配比可按1：1.1 ：1.2 进行分配，即有： ： ：= 1 ：1.1 ：1.2 效的蒸发水量； 效的蒸发水量； 效的蒸发水量；则有： = =2538.5kg/h =1.1 =2792.4kg/h = 1.2=3046.2kg/h2.3、选取各效出效浓度 初估效的出效浓度为32.3%，由手册查得公式可得 =2617kg/h 故 =32.3% ， =67.7%。 同理依次可得，效的浓度分布如下： NaoH 效 进料 30% 70%效出料效进料 32.3% 68.7%效效出料 效进料 37.5% 62.5%效 出料 45% 55% 2-3-12.4、各效温差分配：2.4.1通过查表可得在450kpa下饱和蒸汽的温度为147.7.93， 在2 0kpa下水的沸点为60.6 ，由上可得蒸发系统的理论总温差是 =147.9360.06=87.872.4.2各效的温差损失：由溶液的沸点升高而引起的温差损失，可查NaoH溶液的沸点升高图=11 =13 =20.5因静压引起的沸点升高值=2 =2 =3各效间的温差损失： 因此可得各效的温差损失表如下效效效小计溶液沸点升高值111320.544.5静压引起沸点升高值 2 2 37效间温差损失 1 1 1 3合计141624.554.5实际温差为=87.87-54.5=33.372.4.3采用沸点试差法来确定各效的操作条件 根据条件给定的水蒸汽，冷凝器压力和三效经验数据，假设、效的沸点依次为 =140 =110 =83 则有各效的二次蒸汽温度为： =140112=127 =110132=95 =8320.53=59.5 根据以上所得，可从水蒸汽得性质查取各效的操作条件和相关的热力参数： 效： 加热蒸汽的压力：450kpa (绝压) 加热蒸汽的温度：147.93 二次蒸汽的压力： 245kpa(绝压) 二次蒸汽的汽化潜热：2182KJ/kg 二次蒸汽的温度：127 碱液温度：140 效：加热蒸汽的压力：245kpa (绝压) 加热蒸汽的温度：127 二次蒸汽的压力： 84.55kpa(绝压) 二次蒸汽的汽化潜热：2171KJ/kg 二次蒸汽的温度：95 碱液温度：110 效：加热蒸汽的压力：84.55kpa (绝压) 加热蒸汽的温度：95 二次蒸汽的压力：19.9kpa(绝压) 二次蒸汽的汽化潜热：2357KJ/kg 二次蒸汽的温度：59.5 碱液温度：83 根据各种经验，需考虑到热损失系数，假定效为5%，效为15%，效为15%，那么各效热负荷则为 效： =6390402.06（千卡/小时）效： =3509854（千卡/小时）效： =3967719.4（千卡/小时）2.4.4温差分配： t1：t2:：t3 = =1：1.5 ：2 则： t1=12. t2=18.1 t3=26.02.4.5沸点的核校： =164.2-12.0=152.2 =137-18.1=119.9 =105-26=79 直到该核算值和预设的沸点值相接近，则停止核算，取用前面所设的沸点值。3、蒸发器的设计及计算3.1、蒸发室内径和气相空间高度的确定3.1.1、确定蒸发室内径： 由计算公式 ： 为该蒸发器的蒸发量 a为蒸发器允许的表面汽化强度 其中 a可取（12001600 kg/）在这里取 a=1500kg/ 效：=1.67m 效：=1.75m 效：=1.83m 3.1.2、蒸发室汽相空间的高度 由计算公式 式中： 为蒸发皿的汽化体积流量； b为蒸发室的体积汽化强度； 在这里为了统一该多效蒸发系统中各蒸发器的高度，仅根据真空效即效的操作条件来计算求得。 因此对于效蒸发器来说，20kpa(表) =30466.23/3600 =5.27 Hz=1.19m3.2、蒸汽进出口管内径的确定蒸发器的加热蒸汽进口管以及二次蒸汽的出口管的内径dz，可由下面的公式计算求得： 其中：为蒸汽的体积流量， 为蒸汽流速，一般在蒸发装置的设计中蒸汽在管内的流速 可取4，这里全取=20。3.2.1、效装置蒸汽进、出口管内径的装置 查表得在450kpa压力下 =0.414 (1) 加热蒸汽的进口管径 =0.155m (2) 二次蒸汽的出口管径 通过查水蒸汽性质表可知，在84.55kpa压力下，=1.981 =0.323m 3.2.2、效装置进出口管内径的确定 =0.155m 二次蒸汽出口的管内径 可查手册得 在19.94kpa压力下，=7.671 =0.73m 3.2.3、效装置的进出口管内径的确定 (1) 加热蒸汽进口的管径 =0.73m (2) 二次蒸汽出口管径 可查手册得 在19.44kpa的压力下，=6.21 =1.52m3.3、蒸发器加热室直径及高度的确定 3.3.1、从前文可知本设计所选得的蒸发皿为列文式蒸发器，因此需先根据料 液于一次循环后的所需的温升值来确定该加热室的高度Hg。 其中：为该蒸发器内的料液的循环速度，可取=1.5m/s 为该蒸发器内料液的速度 为该蒸发器内的料液的比热，可取c=0.9 为该蒸发器内的料液在一次循环后的温升，可取=2.5 为该蒸发器的传热系数 为该蒸发器的传热温差 该该蒸发器内的换热管内径 mm （不锈钢） 该该蒸发器内的换热管中径 mm 42.5 (1) 、求取效加热室的高度 =4.9m(2) 、 求取效加热室的高度 (3)、 求取效加热室的高度 3.3.2、各效加热管数假定取为n =4461632千卡/小时 =3509854千卡/小时 =4165719千卡/小时 取k1=2300, k2=1200, k3=1000 又t1=12，t2=18.1 ，t3=26.0 =161.1 =161.6 同理 =160.2 故可取传热面积为162 取n = 240. =166.2 =2237 , =1166.8, =9643.3.3、计算加热室的内径 由计算公式 ： 其中 t为该加热室加热列管间距m, t=1.3 b为加热室上最外层六角形的对角线上的管距 按三角形布管，=17根。 加热管外径， =1071mm4、加热器的设计计算4.1、初定参数 综合前面所得可初步地确定列文式固定管板换热器的部分所述规格尺寸如下：4.1.1、壳径D 1100mm 公称面积S 管程数 为1 壳程数 为1 管数n 为 240根 管长l 为5m 换热管 452.5（OCr18Ni9） 布管的方式 为正三角形式布管4.1.2、求取该换热器的实际传热面积S0 S0=166.2m24.1.3、求取各效的换热器所要求的总传热系数 由公式 K= K01=2237kcal/( h.m2.) K02=1166 kcal/( h.m2.) K03=935 kcal/( h.m2.)4.2、各效总传热系数的校核4.2.1、计算管程的对流传热系数 （1）效: Re1= 式中的1按循环速度可取1=1.5m/s 因为碱液的加热温度为130150 所以定性温度为 tm=（130+150）/2=140 通过查手册可得在140的温度下碱液的物性数据如下： =1185kg/cm3 c=0.9kcal/kg. =0.24cPa Re11= Pr11= 11= =9727.3kcal/( h.m2.) (2)效： 同理 通过查手册可得在120时碱液的物理参数如下： =0.67kcal/( h.m2.) =1185kg/m3 c=0.9kcal/kg. =0.5cPa 其中取u2=1.5m/s 则Re2= = =1.42105（湍流） Pr2= = =2.42 21= =7242.1kcal/( h.m2.) (3)效 同理 通过查手册可得在77时碱液的物理参数如下： =0.62kcal/( h.m2.) =1185kg/cm3 c=0.9kcal/kg. =2.4cPa 其中取循环速度u3=1.5m/s 则Re3= =（湍流） Pr3= = =12.54 21= =3704.4kcal/( h.m2.)4.2.2.壳程内的饱和蒸汽的冷凝传热系数 一般情况下、效均取 i2=10000kcal/( h.m2.)4.2.3.管程中的不锈钢（OCr18Ni9）的导热系数 可查手册得：=15kcal/( h.m2.)4.2.4.各效中的料液的污垢热阻Rsi其中第效的污垢热阻忽略不计，而，效的污垢热阻通过查手册取 Rsi=2.6410-4 h.m2./15kcal 另外蒸汽的污垢热阻忽略不计o 4.2.5.校核各效的总传热系数 （1）效K01 K01= = =2706.7 kcal/( h.m2.) 则有效安全强度： 21% 可知符合标准（在10%-25%内），故合格。 （2）效K02 K02= = =1452 kcal/( h.m2.) 则有效的安全强度： 24% 可知符合标准（在10%-25%内），故合格。（3）效K03 K03= = =1203 kcal/( h.m2.) 则有效的安全强度： 24.4% 可知符合标准（在10%-25%内），故合格。5、管板的设计计算 由于装置中的管板为管壳式换热器中的重要部件，因此管板的合理设计对于换热器的安全运行、节约使用的金属材料和降低相关制造成本有着至关重要的影响。 在本次的设计中，管板延长的部分是作为法兰的，同时考虑到本次设计中的介质即碱液是具有较强腐蚀性的，而且NaoH溶液走的是管程，所以换热器的管子需用不锈钢 O，而其中的管板则不需全部都用不锈钢来代替，考虑众多的因素，因此本次设计中的管板选择用负荷钢板来制作。5.1、设计计算公式的基本考虑 管板的设计计算公式是把其作为放置在弹性基础上来考虑的，因此是把管板当作承受着均匀分布的载荷同时受到众多的管孔均布削弱的一当量平板来考虑的。由于这种方法主要是考虑管板的周边支撑系数，使其支撑情况符合实际的情况，但是在推导和计算的过程中，还是有着一些问题有待来解决，因此下面是该推导作的一些假定。5.1.1管束对管板的支撑作用假设管板的直径比管子的直径要大很多而且管子的数量是足够量的多，那么可以把离散的每个管子的整体支撑作用简化为一个受均布且连续支撑的弹性基础，一般称之为第一弹性基础。而第二弹性基础则为管束在外载荷的作用下对于管板转角一定的约束作用，因为第二弹性基础对于管板的强度的影响较小，所以在这里可以忽略不计，因此只需要考虑管束（第一弹性基础）对管板扰度相关的约束作用，在管板的计算公式中就可以用管束的加强系数（即K）来表示。5.1.2、管孔对管板的削弱作用1、 系于管孔对管板整体刚度的削弱作用，因此需在计算中采用刚度削弱系数；管孔对于管板整体强度的削弱，故在计算中采用强度削弱系数；2、管板在管孔的边缘产生局部应力可考虑忽略不计，这种情形下就可把管板当作一均布连续的当量平板来计算。3、对管板的周边系布管区的处理： 在管板的周边部分，通常存在有一个比较窄的布置管区。由于该区域的存在导致管板边缘的应力会下降，因此在计算中该布管区可以简化成一个环板，它的面积需和无管区的面积是相等的来考虑。4、管板的弯曲作用以及管板、法兰的中心面向的拉伸作用对管板的削弱。由于本次设计的管板又当作法兰用，故拉伸作用的因素可以不于考虑。5、当法兰变形之时，可认为管板的整个横截面形状是不变的，而只需考虑其绕环截面中心的转动和径向移动；同时该转动和径向的移动导致了法兰和管板中心面的连接点处产生相应的径向移动量，应该考虑到与其在管板延长中心面向上的径向位移相互协调一致。6、考虑到温度膨胀、管程压力和壳程压力三者会引起壳壁产生轴向位移，其应当与管板管束系统的在轴向上的位移在管板周边相互协调一致。7、管板边缘的转角应受壳体、法兰、封头、垫片系统的约束，其转角在连接部位处应协调一致。8、在设计中把管板同时当作法兰用，需考虑法兰力矩对于管板应力的影响，故法兰需要有足够相当的刚度，来保证装置的密封要求。9、对于不是相同类别的应力要用不相同的作用值，如壳体中的壳程压力，换热器中的管程压力以及法兰力矩所引起的相应的管板应力都可称为一次弯曲应力，另外与壳体和管子产生的温度膨胀差而在其管板内所引起的应力称为二次应力。 计算规定如下：当应力为一次应力（无温差）时应不大于1.5倍的许用应力；当应力为二次应力、一次应力两者的综合（有温差）时应不大于3倍的许用应力。5.2、管板强度的基本分析方法依据以上所述的考虑，在分析其管板的强度时，可以选择用“结构”分析的方法，将其整体分作下列几个部分：封头、分头法兰、壳体法兰、壳体以及管板开孔区，螺栓和垫片等等若干个单独部位。其中换热器中各个部件之间相互作用的内力因素、位移的正方向共有一下十三个：、H、。将它们全部看作基本未知量，然后再给出换热器中全部单独部件的位移以及那些作用在该单独部件上的内力关系式，最后再写出所有的变形协调条件和那些以内力因素作为基本的未知量表达的方程组，综合所有方程组，解之可得各内力因素，求得答案即管板内的应力。5.3、符号说明和计算 为壳体内径的横截面积 为管板开孔后的横截面积 n为换热器的数目，已指n=240根，则有固定式换热器的横截 面积 P管的间距 已知p=57mm 为管板布管区的面积 单程的换热器则有：i、 对于正三角形布管 ii、 对于正方形布管 多管换热器则有：则应当取得上面计算式的结果值与隔板槽面积 之和，由于本次的设计为单管程，因此就不必这样地考虑。 St为该换热器的壁厚 St= 2.5mm S 为该壳体的壁厚 S=10mma为一根换热管的管壁横截面积 由公式可得 = B为壳壁金属的横截面积 由公式可得 L为换热管的有效长度（两板内侧的间距） 假定管板厚度为45mm,则有 为该换热管材料的弹性模量， 此次的设计，该换热管用的是OCr18Ni9，查手册可得： =206GPa。 为管束的模数 i、对于固定式换热器则有 可得： ii、对于浮头式和填料式换热器则有： 因为本次的设计所用的换热器是固定式，可得 为该管板布管区的当量直径，管束呈正三角形布管,取 , 为该管板材料的弹性模量 根据要求可选取管板的内侧材料为16MnR， 通过查手册 可得 =206Gpa i为各管子的回转半径，m 由公式可得： = =0.015m 为换热管的受压失稳当量长度，m 为换热管的材料在其设计温度下的对对应的屈服 极限， 查手册得 为该换热管的滤定许用临界压力 又 则有： 由公式可得： = =55.2Mpa 为管板的刚度削弱系数 取=0.4 为壳体材料（16MnR）的弹性模量， 可查手册得=206Gpa。 Q为该换热管束与该壳体的刚度比（壳体不带波形膨胀节时） 由公式可知 系数： 系数： 导数： 由公式可知 = =3.7 导数： 由公式可知 = =5.8 为该管板的布管区的当量直径与该壳体的内径之比： K为固定换热器的管板的管子加强系数 由公式可得： = K=5.54 k为管板周边的不布管区的无量刚度： =5.54(10.84) =0.895.4、法兰的选取和计算 1、本设计在这里仅给出了效的加热器法兰的选取和计算， 已知 设计压力： ， 设计温度： i、该法兰类型的确定： 法兰的公称直径 ： 法兰的公称压力 ： 根据要求选择长颈对焊法兰（查JB470292）ii、法兰材料及尺寸的确定： 已知， 另外 材料为，t=200 所以 , 为合格。iii、该法兰的大致结构的确定 其大致的参数如下： 各螺柱的规格：M24 ，数量为40个。2、 法兰计算 根据要求螺栓可用钢，螺母可用钢，儿使用的垫片则是非金 属胶板() 当其厚度；时，则对应的垫片内径依次分别为 d=1105mm， D=1155mm 计算时已知：(1) 法兰的垫片基本密封宽度： 。 (2) 法兰的垫片接触宽度 ： N=8mm (3) 法兰的垫片系数 ： m=2.75 (4) 法兰的垫片比压力：y=25.5Mpa 又 则有 （b是该垫片的有效密 封宽度） (5) 垫片在压紧力作用下的中心圆直径 i、求取预紧状态下的最小螺栓的载荷 = 即 ii、求取在操作状态下的需要的最小螺栓载荷 =840kN iii、求螺栓面积 Am 通过查手册可知 在常温下 35号钢的许用应力为 . 则有 那么螺栓的实际面积 ， 故取Ab=0.008iv、螺栓的设计载荷 (a)、在预紧状态下的螺栓设计载荷 由公式可得 = =892KN (b)、在操作状态下的所需要的最小螺栓载荷 v、 法兰力矩 (a)、求取预紧时的法兰力矩 由公式 (b)、求取操作状态下的法兰力矩 由公式 又 且 又 公式可得： 通过查手册可得，该法兰材料(16MnR)的 而 =79.9mm vi、法兰应力 (a)、求取轴向应力 由公式可得 K为法兰外的径与内径的比值 即 查阅GB15098 表95可得 T=1.87, Z=9.54, Y=18.42, V=20.25 该法兰的大小端有效厚度依次为： 为法兰颈部的高度 h=13.5mm 参数 由GB98可查得 参数 又查GB15098 可得f=0.8另外 系数： 参数：查GB98 可得 . 而 则有： 其轴向应力为： 其径向应力为： = =30.4Mpa 其环向应力为： = =97Mpa vii、应力的校核 (a)、 故， 合格。 (b)、 故， 合格。 (c)、 故 ， 合格。 (d)、组合应力 故，合格。 5.5、壳程压力作用的危险组合 如上文设计的把该管板的延长部分同时兼作法兰来算的话，则有 壳程的设计压力： 管程的压力： 注： 为该壳程圆筒材料的导电系数， 为该换热管材料的导电系数， 为沿长度平均的壳程圆筒的金属温度， 为沿长度平均的换热管的金属温度， 为制造环境的温度， 为换热管与壳程圆筒之间的膨胀变形差 由公式可得 = = = 注：基本法兰力矩为 同时在管程压力操作的法兰力矩为 Mp=79.9 （已算） 可得基本法兰力矩系数Mm为 = =0.0017 注 ： 补算的下列参数：(1)、求取该壳体法兰和该管程法兰的宽度 = =78mm(2)、壳体的法兰厚度 (3)、为该壳体法兰与的弹性模量 可查机械设计实用手册求得，(4)、为该壳体法兰与该壳体的旋转刚度参数Pa 由公式可知： 查换热器设计手册可得 则 : =6.2Mpa 另外对于将延长的部分兼作法兰的管板，它的旋转刚度 为系数 (5)、为旋转刚度的无量纲参数 由公式可得(6)、根据，的值通过查阅换热器设计手册 可得管板的第一弯矩系数 (7)、系数 (8)、求取管板边缘的力矩系数 关于将延长的部分当作法兰的管板，在壳程压力的 作用情况下可得 注 ：根据，查取换热器设计 可得 根据 K,Q查换热器设计手册可得 该法兰力矩的折减系数 为 又 该管程法兰的厚度 同时该管程的法兰材料的弹性模量： 它的管程壁厚为 S=10mm 该管程法兰和它的管程的旋转刚度参数 ，pa 由公式可得： =6.2Mpa 该管板边缘力矩的变化系数可由公式可得： (9)、求取该固定管板式的换热器管板的边缘修剪系数V为 由公式可得： (10)、求取该固定管板的总弯矩系数m 第一步，根据K，Q的值查阅换热器设计手册可得： 该管板的第二弯矩系数为 由公式可得： (11)、求取 当 m为E时，通过查换热器设计可得 又 所以有 当m为E时，按K,m可查得 时， 即有： (12)、校核的管板应力（有温差） 、径向应力的校核 由公式可得： 该公式中的为径向应力的系数，可由公式得： = =0.012 = 故 径向应力合格。 、管板布管周边的径向应力的校核 由公式可得： = = 故 径向应力合格 、该管板布管的周边应力的校核 由公式可得： = 故 合格。6、螺旋板式换热器的设计6.1、传热工艺的设计 在本次的设计有着两台螺旋板式的换热器，而在给料液的预热设计时应：第一次时把碱液从80的温度加热到100的状态下，当中用来加热的为效中的二次蒸汽,然后在经过效后再产生的冷凝水，而第二次则是将100状态下的碱液预热到130，当中用来加热的是效的加热蒸汽（164.5）。另外由于避免计算的重复计算，故本次的加热只是给第一台的换热器而设计。 1、传热量Q 已知条件：电解液的（100NaoH）流量为40000kg/h, 温度t1=80，出口的温度为t2=100,。 定性温度为 则有再次定性温度F和水溶液的物性参数如下： M1=0.63cpa. r1=1185KG/ cp1=0.9kcal/kg. =0.63 kcal/m.h. 由公式可得 = =72000 2、求换热器中冷却水（加热水）的出口温度 由公式可知： 已知条件：T1=137， 把条件代入公式得： 在其定性温度下有： 则有在此温度下，通过手册可查得水的物性参数为 3、螺旋式换热器的通道截面积和当量直径的计算 其中对于10%溶液通道： 假设溶液的流速为： 其通道的截面积 为 ： 选螺旋板的宽度为： 。 通道的宽度为：=0.00525m 其当量直径为：de1=0.0105m 对于加热水通道则有： 假设水的流速为：=0.9m/s 其通道的截面积为：F2=0.0107 通道的宽度为：=0.0084m 通道的当量直径为：de2=0.0167m4. 换热器中其雷诺数Re以及普兰特数Pr的计算： 其中对于NaoH的溶液通道有： 由公式可得：= =296256000 Pr1=3.24 对于水加热的通道则有： =588916000 Pr2=1.5 5、传热系数的计算 从设计可知换热器的传热为液液传热，而料液的雷诺数Re则均要大于6000，即全部在湍流的范围内，因此就可用下面的公式来进行相关计算： 由公式可得： 对于热程通道有： 假定中心管的直径为：. 螺旋体的外径为 ： 平均直径为 ： 对被冷的介质为： m=0.3 对被加热的介质则为： m=0.4 综上所述可知： =6718 对于冷程通道则有： =8965.3 6、求取平均温差 假设流体的流动方向是全逆流的操作： 则由公式可得： 又 已知： 。 将其代入公式得： =27.63 7、求取换热器传热面积F 已知其传热量为 Q=720000 由传热公式可得： 代入以上已知数据Q，K，可得 8、对于螺旋通道的长度L有： 9、求取换热器的螺旋圈数n和螺旋外径 综合上面所得，可知其螺旋中心直径和 板厚， ，。 对于不等通道的宽度的螺旋圈数则按下式来计算： 式中： 将其代入上式可得： =10.7 圈其螺旋体的外径D0为： =0.16+（0.0084+0.002）+19.7（0.0089+0.0053+0.004） =0.57m 那么该计算值与假设值两者之差为 即5% 所求的数据说明所设计的螺旋体的外径是符合要求的。6.2、流体压力降计算 定距柱以及进口局部阻力的影响因素关于结果的实际切合行有着重要作用，故需考虑两者的影响。综合上述，可利用大连工学院推荐的公式来计算： 由于是液液热交换方式，则可根据下列公式来计算各通道以及进出口的压力降。则有： 假设其定距柱的间距为t=80mm则n0=181个/m2 而螺旋通道的长度为L=10.43m 则热程通道的压力降为： =12578Pa 同理冷程压力降为： =80680Pa6.3、螺旋板强度和挠度的计算及校核6.3.1、 强度的计算 由公式可得 已知条件：D0=0.6m，H=1.2m， 该换热器操作压力为 p=0.25MPa 其设计压力为pn=1.1p=0.3MPa. 又知螺旋板材料是OCr18Ni9.其 则 则有曲率影响系数为： r0=1+0.96(1.28-2R) =1+0.96(1.28-20.3) =1.65 那么定距柱间距t可按下式来计算： 当采用的是定距柱时，则取C=4.7 将上述的数据代入到上式可得： 当采用的是定距泡时可取C=5.36 通过上面的计算可知，在计算压力降时假设距柱的间距为8cm，都小于计算值，因此是合理的。所以定距柱的间距则为t=80mm。6.3.2、螺旋板的挠度 由公式可得：已知条件：E=2.06105MPa. =0.3.p=0.3MPa 对于定距柱则有，=0.00638对于定距泡则有，=0.00681故当采用定距柱之时，板所产生的挠度为： =0.52mm当采用定距泡之时，板所产生的挠度为： =0.56mm0.52mm上式结果说明了采用定距泡的方式其挠度大于采用定距柱的方式所产生的挠度。6.3.3、螺旋板换热器的稳定性的校核 已知数据如下：H=1.2m, 螺旋板的曲率半径为：R= 把各数据分别代入到定距柱的间距公式中可得： =0.3m=30cm 而强度计算的结果为t=8cm 则有 t.在此种条件下，选用其计算临界压力Pk 为 将已知的 =1.84MPa 将Pk=1.84MPa代入到p= 可得 p= 又已知设备的操作压力为p=0.29MPa 则有pp ，所以认为设备稳定，操作安全的。6.4、螺旋板式换热器的结构尺寸 由上文可知碱液具有较强的腐蚀性，所以，对于换热器各部件的材质均用不锈钢OCr18Ni9，又螺旋式换热器是一种液液换热器，因此要按型的换热器来确定每个部件的相关结构尺寸。 关于其流体流向的选择：由于碱液是从中心管进入再沿着螺旋而流向外部最终排出的，而其冷凝体（加热水）却是由外部向其中心再排出的，另外换热器中的流体呈螺旋状流动的，属于逆流操作。 1、密封结构的选择 密封结构的螺旋通道是采用垫入圆钢条方式来焊接密封的，因此可计算得出该密封结构相关尺寸为b1=0.0084m,b2=0.0053,，由此可按其标准来选b=10mm的型换热器。 2、悬距柱尺寸的选择 根据其标准可选取d=10mm,l=12mm：而把圆钢条当作定距柱，其中定距柱的位置呈三角排列方式。同时为了制作上的方便简单，可选用冲压的定距泡来代替定距柱。3. 换热口的外壳。 换热口选择用卷筒后对接焊方式的结构，其外壳主要承受内压的作用，它的厚度可由公式得： 已知条件如下，其设计压力为： 其圆筒半径为： 其壁厚的附加量为： 其壳体材料可用 取 又壳体和连接板所采用的是单向V型坡口对接焊缝方式则其 把以上的数据分别代入到计算公式可得： 因此不锈钢板的厚度取3mm。 4、进出口接管的直径d。 中心管的结构采用的是垂直于螺旋板的横断面的方式。为了减少螺旋通道的接管的加工量，故螺旋通道的接管也选择用垂直于面的直接管。 利用传热工艺的计算可知： 换热器中的热程加热水的通道截面积为： 其冷程碱液的通道面积为： 假设管内的流量和通道内的流量是相等的，也就是它们各自的截面积 是相等的。那么： 换热器的热程通道接管直径为： 可选型号的不锈钢管，而配管的法兰采用平焊法兰。 同理可得 可选型号的不锈钢管，而配管的法兰采用平焊法兰。 5、中心隔板的尺寸设计 已知换热器的螺旋板是不锈钢板，它的厚度，宽度 则可求得中心隔板的宽度为： 所以可知其中心隔板的高度是与螺旋板宽度相等的，其厚度为8mm。 6、水压试验的应力校核 根据条件可得水压试验的应力为： 在上述的实验压力下，其壳体相应产生的应力可根据以下的公式来计算。 已知条件： 将其代入以下公式可得： 同时 比较可得 故， 满足要求。 7.换热器支座的选取 因为支座的直径。所以根据JB/T4724-92来选取支座如图 所示： 该换热器的各类设计参数如下： 换热面积为： 螺旋板的长度为： 螺旋板的宽度为： 螺旋体的外径为： 螺旋通道的宽度： 其热程的通道为： 其冷程的通道为： 其螺旋板的厚度为： 其螺旋的中心直径为： 定距柱的间距为： 定距的管数为： 热程的进出口管为： 冷程的进出口管为： 7、蒸发器分离室设计7.1、分离室的初步设计 分离室的分离能力与其本身的直径和蒸发段高度密切相关，而且它的体积还与二次蒸气的体积、流量以及设计的蒸发强度相关联。 分离室的各项参数如下表所示： 效 效 效 料液的流量 52000 42276 30232.8 二次蒸汽的流量 2538.5 2792.4 3046.2 蒸发室的直径 2.4 2.5 2.6 工作压力 0.24 0.025 0.015 设计压力 0.264 0.028 0.017 壁厚 10 10 10 蒸发段高度 5 5 57.2、各效蒸发室壁厚 前文可知该设计装置中的原液为一定浓度的 NAOH电解液，由于它具有比较强的腐蚀性，所以需采用镍铬不锈钢1Cr18Ni9，由此可知该材料的特性为S=210MPa ， S=136.7MPa =2.7mm =0.3mm =2mm依据第效的直径D8查阅手册可取能满足刚度要求的较小的厚度为10mm7.3、分离室的封头设计 本设计中蒸发器顶部的筒体直径为D=1400mm，其下部筒体的直径为D=2600mm，并且两者使用锥形筒体来连接。其中下封头则采用标准锥形的封头，又考虑到料液的高度而使压强增大，所以下封头的设计压力可取为0.32MPa =3.59+14.6mm 取整可为10mm。 7.4、人孔的设计 已知该筒体的主体部分其内径为Di=2600mm，而且在蒸发过程中必须于蒸发室上的部尽量留较多的空间可以方便排气。所以可以选择将人孔设置在分离室的顶部，人孔接管的型号和尺寸为3258,法兰用Pg3Dg300。7.5、旋液分离板设置 当蒸汽在料液中的上升速度比较快时，料液中会夹带着较多的雾沫，而雾沫混合料液和部分热量，这样一来不仅仅带来其中料液的损失和热量的损失，而且当雾沫进入到下一个加热室中将会腐蚀加热管的外壁和壳体。所以应当在蒸发室的顶部布置一个相对较小的内径的筒体，而在小筒体的下部可设置一旋转分离板，如此一来蒸汽将会以较大的速度通过旋液分离板，进而形成一较强的离心力把雾沫从蒸汽之中分离开来。7.6、视镜设计 本设计的视镜可取HGJ501及HGJ502，但是HGJ502的外部必须设置它的温层栅方可使用。 所以可取带颈视镜PG10DG80，h=70，HGJ502-86-4。 7.7、法兰设计 其中管法兰的选取可根据各接管的公称直径来（标准按HGJ45-91），而容器法兰的选取如下： 已知P设=0.66MPa，且容器法兰的公称直径大于1000mm，故可按JB4702-92来选取法兰。 容器法兰英文翻译附录一 外文原稿：A Kind of Potential Practical Sensors of Metamaterial inElectromagnetic Flaw Nondestructive TestingAbstract：We present a new kind of method of electromagnetic flaw nondestructive testing with coating of metamaterials and simulation near electromagnetic field property for test crack. The simulation of improving a Nondestructive testing (NDT) probe electromagnetic radiant property by Metamatrials (MMs) covering a tiny current element is investigated and analyzed using Ansoft HFSS based on finite element method (FEM), which permittivity and permeability are negative. Electromagnetic model: Ideal MMs ball shell with inner radius of 1 mm and outer radius variation, and the shells relative permittivity and relative permeability are all 3.0, dielectric loss tangent and magnetic loss tangent are all 0.1; and exciting current element length is with 0.3 mm, diameter 0.2 mm, value 1 mA at frequency 10 GHz; and simulation is with radiation boundary conditions. The simulating near electromagnetic field variety with ratio of inner radius and out radius, and so near or local field of MMs sensor on a surface crack, as well as comparing near field value of sensor with coating common material are finished. Results can be seen that MMs film sensor near electromagnetic field and radiation properties are obviously better than other two kinds of structures without coating medium and coating with common medium, and Metamaterial may be opened out some new kinds of sensors in electromagnetic flaw nondestructive testing for potential practical applications in future.Keywords: Metamaterial, Nondestructive, Flaw, Ansoft HFSS Software, Sensor1. Introduction In 1967, Veselago theoretically considered a homogeneous isotropic electromagnetic material in which both permittivity and permeability were assumed to have negative real values. Since the E, H fields and the wave vector k of a propagating plane EM wave form a left-handed system in these materials, Veselago referred to them as “left-handed” media, or metamaterial media 1-3. In such a medium, he concluded, the direction of the Poynting vector of a monochromatic plane wave is opposite to that of its phase velocity. It suggests that this isotropic medium supports backward-wave propagation and its refractive index can be regarded negative. Since these materials were not available until recently, the interesting concept of negative refraction, and its various electromagnetic and optical consequences, suggested by Veselago, had received little attention. This was until Smith et al. 4, inspired by the work of Pendry et al.3,5 constructed a composite “medium” in the microwave regime by arranging periodic arrays of small metallic wires and split-ring resonators 4,6-9 and demonstrated the anomalous refraction at the boundary of this medium, which is the result of negative refraction in this artificial medium 8. Metamaterials are broadly defined as artificial effectively homogeneous electromagnetic structures with unusual properties not readily available in nature. This opened the field of composite materials or metamaterials for microwaves and optical applications. Since the idea proposed by Victor Veselago in 1968, the availability of such a material is taken up nowadays and extended 10-21. In this paper, we present a new kind of sensor of electromagnetic flaw nondestructive testing with coating of metamaterial and then apply it to simulate near electromagnetic field property for test crack. Our aim is to find out some application of metamaterial covering in sensor through better field design, and this method can greatly improve the near electromagneticfield and radiation properties of the transducer.2. Split Ring Resonators (SRRs) Double split ring resonator (SRR) is a common kind of metamaterial cell, and conductive structure in which the capacitance between the two rings balances its inductance, Figure 1. A time-varying magnetic field applied perpendicular to the rings surface induces currents which in dependence on the resonant properties of the structure, produce a magnetic field that may either oppose or enhance the incident field, thus resulting in positive or negative effective . For a circular double split ring resonator in vacuum and with a negligible thickness, the following approximate expression is valid 22: where, a is the unit cell length, and is electrical conductance. It becomes negative for 0m pm, where 0m is the resonant frequency (for which eff ); pm is the magnetic plasma frequency (for which eff 0). Usually, there is a narrow frequency range where the eff 0. Thin metallic wires were described as one of the earliest structures with negative permittivity , and the media with the embedded thin metallic wires can be as artificialdielectrics for microwave applications, Figure 2. The structure with 0 described by Pendry consists of a square matrix of infinitely long parallel thin metal wires embedded in dielectric medium. In the situation, the medium is air or vacuum, and the radius of a single wire is very thinner than the distance between two wires, that is r a , the effective dielectric permittivity can be written as follow 23:where, p is the plasma frequency for the longitudinal plasma mode. Clearly, it becomes negative for p.3. Metamaterial Sensor Simulation Simulation of improving the Nondestructive testing (NDT) transducer electromagnetic radiant property by Metamatrials (MMs) covering a tiny current element is investigated and analyzed using Ansoft HFSS based on finite element method (FEM), which permittivity and relative permeability are negative.3.1. Electromagnetic Model and Assigning MaterialsThe ideal MMs ball shell film is with inner radius of 1 mm and outer radius variation, and the shells relative permittivity and relative permeability are all 3.0, dieloss tangent and magnetic loss tangent are all 0.1.3.2. Selecting the Solution Type Choose the Driven Modal solution type when we want HFSS to calculate the modal-based S-parameters of passive, high-frequency structures such as micro strips, waveguides, sensors, and transmission lines. The S-matrix solutions will be expressed in terms of the incident and reflected powers of waveguide modes.3.3. Assigning Boundaries Assigning Boundaries and Assigning Excitations For Driven Modal, a radiation boundary is used to simulate an open problem that allows waves to radiate infinitely far into space, such as antenna designs. HFSS absorbs the wave at the radiation boundary, essentially ballooning the boundary infinitely far away from the structure. A radiation surface does not have to be spherecal, but it must be exposed to the background, convex with regard to the radiation source, and located at least a quarter wavelengths from the radiating source. In some cases the radiation boundary may be located closer than one-quarter wavelength, such as portions of the radiation boundary where little radiated energy is expected. Here, simulation is with radiation boFigure 3. Excitations in HFSS are used to specify the sources of electromagnetic fields and charges, currents, or voltages on objects or surfaces in the design. We may assign the current source of excitations to a Driven Modal solution type HFSS design, and exciting current element length is with 0.3 mm, diameter 0.2 mm, value 1 mA at frequency of 10 GHz.4. Running Simulations and Conclusions After specify how HFSS is to compute the solution, we begin the solution process. Adaptive solution, maximum number of 15, and maximum delta energy 0.08 are selected for solution setup, we get some results as following: For three kinds of states of a sensor with coating MMs, those are coating common medium and without coating, simulating near electromagnetic field variety with ratio of inner radius and out radius, see Figure 4. Near field is that one its distance less than 20 mm from exciting source point. Suppose test an aluminum work piece with surface crack by the MMs sensor with r1/r2 =0.5, crack length 6 mm, width 1 mm, and depth 0.1 mm, the near field around crack flaw see Figure 5; and comparing to near field value of probe with coating common material see Figure 6. Results can be seen from Figure 4 that for MMs film sensor, near electromagnetic field property is obviously better than other two kinds of structures without coating medium and coating with common medium, and near field value is variety of ratio inner radius and out radius. When r1/r2 = 0.5 and no load, near and local field of MMs sensor can reach to 10 dB, but only 21 dB for sensor with coating common medium, and 22 dB for sensor without coating any medium. We get from Figure 6 that near field of a MMs sensor is higher about 30 dB than one of transducer coating common medium when r1/r2 = 0.5 and with load. Similarly, radiation power of MMs sensor can reach to53 dB, but only 74 dB for sensor with coating com- mon medium, and 75 dB for sensor without coating any medium. MMs sensor is higher about 20 dB than one of transducer coating common medium. Near field and ra- diation power are both important properties of a sensor. From above results, we know that MMs film sensor is excellent for near electromagnetic field and radiation properties. So some metamaterial nondestructive electromagnetic sensors including sound wave transducer may be opened out for potential practical applications in future. 5. References1 V. G. Veselago, “The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of and ,” Soviet Phys2 V. G. Veselago, “The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of and ,” Uspekhi Fizicheskikh Nauk, Vol. 92, 1967, pp. 517-526.3 J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, et al., “Low-Frequency Plasmons in Thin Wire Structures,” Journal of Physics Condensed Matter, Vol. 10, No. 22, 1998, pp. 4785-4809. 4 D. R. Smith, W. J. Padilla, D. C. Vier, et al., “Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity,” Physical Review Letters, Vol. 84, No. 18, May 2000, pp. 4184-4187. 5 J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, et al., “Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 47, No. 11, 1999, pp. 2075-2081.6 D. R. Smith and N. Kroll, “Negative Refractive Index in Left-Handed Materials,” Physical Review Letters, Vol. 85, No. 14, 2000, pp. 2933-2936.7 R. A. Shelby, D. R. Smith, S. C. Nemat-Nasser, et al., “Microwave Transmission through a Two-Dimensional, Isotropic, Left-Handed Metamaterial,” Applied PhysicsLetters, Vol. 78, No. 4, 2001, pp. 489-491. 8 A. Shelby, D. R. Smith and S. Schultz, “Experimental Verification of a Negative Index of Refraction,” Science, Vol. 292, No. 5514, 2001, pp. 77-79. 9 N. Engheta and R. W. Ziolkowski, “A Positive Future for Double-Negative Metamaterials,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 53, No. 4, 2005, pp. 1535-1556. 10 S. Enoch, G. Tayeb, P. Sabouroux, N. Guerin, et al., “A Metamaterial for Directive Emission,” Physical Review Letters, Vol. 89, No. 21, 2002, Article ID: 213902. 11 B. Li, B. Wu and C.-H. Liang, “Study on Hign Gain Circular Waveguide Array Antenna with Metamaterial Structure,” Progress in Electromagnetics Research, Vol. 60, 2006, pp. 207-219.12 A.-K. Hamid, “Axially Slotted Antenna on a Circular or Elliptic Cylinder Coated with Metamaterials,” Progress in Electromagnetics Research, Vol. 51, 2005, pp. 329-ics Uspekhi, Vol. 10, No. 4, 1968, pp. 509-514. 341. 13 J. B Pendry, A. J. Holden, W. J. Stewart, et al., “Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Microstructures,” Physical Review Letters, Vol. 76, No. 25, 1996, pp. 4773-4776. 14 C. G. Parazzoli, R. B. Greegor, J. A. Nielsen, et al., “Performance of a Negative Index of Refraction Lens,” Physical Review Letters, Vol. 84, No. 17, 2004, pp. 3232-3234.15 J. B. Pendry and D. R. Smith, “Reversing Light with Negative Refraction,” Physics Today, Vol. 57, No. 6, 2004, pp. 37-43. 16 Z. X. Xu and W. G. Lin, “Controllable Absorbing Structure of Metamaterial at Microwave,” Progress in Electromagnetics Research, Vol. 69, 2007, pp. 117-125.一种电磁探伤无损检测方面实际的传感器超材料摘要：我们提出了一种新的电磁无损检测方法，通过超材料涂层和仿真靠近电磁场属性来检测裂纹。覆盖细小的电流元素的超材料（MMS）来提高无损检测（NDT）探头的电磁辐射属性的仿真，使用基于有限元法（FEM）中的Ansoft HFSS调查和分析，它的负介电常数和磁导率是负的。电磁模型：理想的MMs球壳内径是1毫米，外径是变化的，和壳的相对介电常数和相对磁导率都是-3.0，介电损耗角正切值和磁损耗角正切值都是0.1，并且与涂层为普通材料做的球传感器的近领域的值相比较，当频率为10 GHz时，该模型的励磁电流元长度是0.3毫米，其直径为0.2毫米，值为1毫安。电磁场附近的各种内半径和外半径的比率的仿真，和MMs传感器表面上的裂纹如此接近或本区域，相对于带涂层的普通材料的传感器附近区域的值是完成的。结果很明显：MMs薄膜传感器近电磁场和辐射特性明显优于无涂层的介质和涂层与普通介质这两种结构传感器，在将来，超材料将打开一些新的各种传感器在电磁缺陷无损检测方面的潜在的实际应用。关键词：超材料，无损探伤，缺陷，Ansoft HFSS软件，传感器1 介绍 在1967年，韦谢拉戈理论上认为一个均匀各向同性电磁材料的介电常数和磁导率被假定为具有负实值。自从在这些材料中E，H场和波矢k传播的平面电磁波形成一个左手系统以来，韦谢拉戈称他们为“左撇子”的介质或超材料介质1-3。他的结论是，在这样的介质中，一个单色平面波的坡印廷矢量的方向与它的相位速度是相反的。它表明，这个各向同性介质支持的向后波的传播，它的折射率可视为负。由于这些材料是不可用的，直到最近，这个有趣的概念负折射，和它的各种电磁和光学结论才得到关注，韦谢拉戈说到。这是直到Smith等人4，受到彭德里等人工作的启发3,5，在微波体系中通过整理小金属导线和开口环谐振器4,6-9周向阵列构建了一个复合的“介质”，并陈述了此介质的边界处的异常折射，这是在该人工介质的负折射的结果8。超材料被广泛定义为人工有效均匀的电磁结构，在自然界其不同寻常的特性是无法找到的。这打开了复合材料或微波和光学应用的超材料领域。自从韦谢拉戈1968年提出的想法以来，这种材料的可用性从现在开始并扩大10-21。在本文中，我们提出了一种新的带涂层的超材料电磁探伤无损检测传感器，然后将它应用到靠近电磁场附近的裂纹检测。我们的目的是通过更好的现场设计找出传感器方面的一些超材料覆盖的应用，这种方法可以大大提高传感器近磁场和辐射特性。2 开口谐振环（谐振环） 双开口谐振环（SRR）是一种常见的超材料电池，如图1所示，导电结构，其中两环之间的电容平衡其电感，。一种随时间变化的磁场垂直于环表面诱导电流，该电流依赖于结构的共振特性，产生既可以减少也可以增强入射场的磁场，从而导致在正或负的有效值。对于一个在真空中和厚度可以忽略不计的圆形双开口环谐振器，下面的近似式是适用的22： 其中，a是单位导体的长度，是电导。它变成负有0mpm，其中
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