CBT3961-2004船用热交换器设计计算方法.pdf 14页

'ICS47.020.50U42备靡号:13316-2004《总中华人民共和国船舶行业标准CB/T3961-2004船用热交换器设计计算方法Methodofdesignformarineheatexchanger2004一02一16发布2004一06一01实施国防科学技术工业委员会发布 CB/73961-2004目次前言..⋯，........⋯⋯1范围..⋯⋯，..⋯⋯2强度计算.⋯，..⋯，.2.1热交换器材料许用应力.2.2热交换器圆筒厚度.⋯2.3热交换器封头二，二，.d2.4热交换器管板..⋯⋯_人刃2.5。膨胀节二，..⋯⋯，.1内2.6换热管的最小壁厚.，⋯b卜匕2.7换热管弯曲附加余量计算一了2.8换热管腐蚀余量⋯⋯﹄丫3热工计算......⋯⋯，，叮3，1换热面积.⋯，..⋯，，月︻了3.2热交换器换热量.⋯⋯03.3对数平均温差的计算二，口034总传热系数.⋯，⋯︸ CB/T3961-2004HI1青本标准由中国船舶工业集团公司提出。本标准由中国船舶工业综合技术经济研究院归口。本标准起草单位:中国船舶工业综合技术经济研究院、营口船舶辅机厂、湖北登峰换热器股份有限公司、南通吉达热工机械有限公司、营口船检局。本标准主要起草人:刘士文、仲崇欣、徐敬辉、汤健、刘祥。 CB/T3961-2004船用热交换器设计计算方法1范围本标准规定了船用滑油冷却器、淡水冷却器、蒸汽冷凝器、燃油加热器、滑油加热器、淡水加热器(以下简称热交换器)的强度计算和热工计算方法。本标准适用于设计压力不大于3.0MPa，介质温度不超过250℃的壳管式热交换器。2强度计算2.1热交换器材料许用应力热交换器用的材料的许用应力仁。〕按公式(1)、公式(2)计算并取其中较小值，而铸钢的许用应力分别取公式(1)、公式(2)计算结果的80%0a)金属温度不高于50℃时:尸，1口‘一J-o}/2.7厂飞0es一}······.·..·····················，·········一(1).一J‘a,/1.5b)金属温度高于50℃时:汇，口.-J一o,了2.7r飞口es一.一La,"/1.5一les口-es一L。介1.5}···································一式中:0!〕—材料在环境温度下抗拉强度的数值，单位为兆帕(MPa):0,—材料在环境温度下屈服点的数值，单位为兆帕〔MPa);。，r—材料在设计温度下屈服点或规定非比例伸长应力的数值，单位为兆帕(MPa)。了—材料在设计温度下100X10"h乎均破断应力的数值，单位为兆帕(MPa)。c)铸铁材料的许用应力[0」为。e/52.2热交换器圆筒厚度热交换器圆筒厚度按公式(3)计算，除铜材外最小厚度还应满足公式(4)。PD.1i=，下一r-+0.7b·.....····.......················。···一(3)L沪护一尸d-3+A/1500.....................······。····。····⋯⋯(4)式中:d—圆筒最小计算厚度的数值，单位为毫米(mm);P—设计压力的数值，单位为兆帕(MPa);D—圆筒内径的数值，单位为毫米(二);【。〕—圆筒材料许用应力的数值，单位为兆帕(MPa);必—焊缝系数。焊缝系数必取值规定如下:a)双面焊或相当于双面焊的对接焊缝，若100%进行射线无损检验，0取1.0，若进行局部射线无损检验，则0取0.85;b)单面焊的对接焊缝若10096进行射线无损检验，0取0,9，若局部进行射线无损检验，则0取0.8; CB/T3961-2004C)焊缝若不进行射线无损检验，沪取。.602.3热交换器封头2.3.1热交换器椭圆形封头、扁球形封头见图1,图2。其最小厚度按公式(5)计算:图1YPD.0=.习爪可+u.rb4L01式中:6—封头最小厚度的数值，单位为毫米(二);y—封头形状系数:P—设计压力的数值，单位为兆帕(MPa);D，一一封头外径的数值，单位为〔mm);〔。]—材料许用应力的数值，单位为兆帕(MPa)。封头形状系数Y按图3选取，对无孔封头，根据S/D和HM值在线组内选取:对开孔而未加强的封头，根据d/了D}d值和H/D值在线组内选取，其中:d为封头最大开孔直径(椭圆孔按长轴计算)。100.150.200.乃0.300.40认50HID,图3 CB/T3961-20042.3.2热交换器平封头(水室)见图4，其最小厚度按下列要求计算。才耳书阵科沪产叫r>6】但不1“一。8db0’一0ta)b)蛋d0DDI图4a)圆形平封头最小厚度按公式(6)计算:一汤0.75·····························‘········，一‘6)式中:6—封头最小厚度的数值，单位为毫米(mm);c—计算系数;D—筒体计算直径的数值，单位为毫米(mm);P—设计压力的数值，单位为兆帕(MPa);[al—材料许用应力的数值，单位为兆帕(MPa)。计算系数c按表1选取。表1封头形式计算系数c0.38图4a)图4b)0.43图4c、图4d)0.52Li刀=0.050.57图4e)LID=0.10.62LID=0.15067 CB/T3961-2004b)矩形平封头最小厚度按公式(7)、公式斤(8)计算:S=CD,杨0.75..........................................·一(8)式中:DQ—封头当量直径的数值，单位为毫米(。耐;a—矩形封头的短边的数值，单位为毫米(mm):b—矩形封头的长边的数值，单位为毫米(mm);6—封头最小厚度的数值，单位为毫米(mm);C—计算系数;P—设计压力的数值，单位为兆帕(MPa);〔。〕—材料许用应力的数值，单位为兆帕(MPa)。计算系数C按表2选取。表2封头形式计算系数C图4b)0.50图4c)、图4d)0.572.4热交换器管板热交换器管板的最小厚度按公式(9)计算，U形管热交换器管板的最小厚度按公式(工0)计算，但所有管板厚度应不小于14mm.d=2PDt/o=(t-d)+0.75···，························，，······⋯⋯(9)6=0.4544(P/0.4/司)"+0.75·····················”，，，·⋯(10)式中:8-管板最小厚度的数值，单位为毫米(mm);P—设计压力的数值(取管、壳程设计压力较大者)，单位为兆帕(MPa)D,-最外排管列的管孔中心径向距离的数值，单位为毫米(mm):—两管孔中心距离的数值，单位为毫米(mm);1—材料抗拉强度的数值，单位为兆帕(MPa);d—管fiL直径的数值，卑位为毫米(mm)。D}—垫片压紧力作用中心圆直径的数值，单位为毫米(mm);IaI管板材料许用应力的数值，单位为兆帕(MPa)。2.5。膨胀节2.5.1。膨胀节最小厚度按公式(11)、公式(12)计算，并取其中较大值。s,=PR/(2【司)x-0.75····，.···，····，·········，，⋯(11)8。二PR(D-R)/(仁c](D-2劝)+0.75···········，，·······⋯⋯(12)式中:5，、乙:—膨胀节最小厚度的数值，单位为毫米(，); CB/T3961-2004P—设计压力的数值，单位为兆帕(MPa);R—膨胀节无缝管平均半径的数值，单位为毫米(mm);【。」—材料许用应力的数值，单位为兆帕(MPa);D-膨胀节中心直径的数值，单位为毫米(mm)。2.5.24膨胀节疲劳寿命计算按公式(13)计算:N二(15847.8T/。,-288))3.25···········，···········‘······⋯⋯(13)式中:,N-4膨胀节疲劳寿命的数值，单位为次;T-一一温度修正系数;o,—疲劳组合应力，单位为兆帕(MPa)。2.5.3温度修正系数的计算按下列要求。a)。膨胀节在变温下由热膨胀产生循环位移时，其修正系数按公式(14)计算:T二(“。+“6H)/(2。W)······························，·⋯(14)式中:T—变温下由热膨胀产生循环位移时的修正系数;。二低温度下材料的抗拉强度，单位为兆帕(MPa);a}x—高温度下材料的抗拉强度，单位为兆帕(MPa)。b)n膨胀节在恒温下由机械载荷产生循环位移时，其修正系数按公式(15)计算:T=a耐aeL.............................................巧)式中:T—恒温下由机械载荷产生循环位移时的温度修正系数;。、—低温度下材料的抗拉强度，单位为兆帕(MPa);ahi;高温度下材料的抗拉强度，单位为兆帕(MPa)。2.5.4。膨胀节疲劳组合应力按公式(16)、公式(17)、公式(18)、公式(19)计算:c,=PR(D-R)/(s(D-2劝)·······················‘···⋯⋯(16)a3=8f6}52/10.92:R3....................................(17)a，二E#P,5/1.82:R}···························........(18)c,73a,+。十。。························，·················⋯⋯(19)式中:a2—内压引起的径向薄膜应力，单位为兆帕(MPa);P一一设计压力的数值，单位为兆帕(MPa);R-一-膨胀节无缝管平均半径的数值，单位为毫米(mm);2，—膨胀节中心直径的数值，单位为毫米(mm)-.d—膨胀节厚度的数值，单位为毫米(咖);ay—位移引起的径向薄膜应力，单位为兆帕(MPa);E—膨胀节在设计温度「弹性模量的数值，单位为兆帕(MPa);:—膨胀节轴向位移的数值，单位为毫米(mm);fl,—修正系数;Rz—修正系数;a,—位移引起的径向弯曲应力，单位为兆帕(MPa);a,疲劳组合应力，单位为兆帕(MPa).修正系数fl、刀2的取值见图5: CB/T3961-2004口II}口1Bl乙葬1B2L=}u}1}I!11}1111}I!n{!w{!III}w!一l一111111)11一图52.5.5图5中系数‘按公式(20)计算:C=旦61r二.............................⋯⋯。二。.。.....(20)D,5式中:c—系数;r—4形圆环无缝管半径的值，单位为毫米(mm):D}—4形圆环弯制后的中心径的值，单位为毫米(mm);S,—考虑减薄而修正的厚值，单位为毫米(，)，一般可取(0.80^-0.95)S。2.6换热管的最小壁厚换热管的最小壁厚按公式(21)计算:5=pD/(2[。]+P)+b+c····································⋯⋯(21)式中:8一一换热管最小壁厚的数值，单位为毫米(mm):P—设计压力的数值，单位为兆帕(MPa);D一一换热管外径的数值，单位为毫米(mm);【。〕一一材料许用应力的数值，单位为兆帕(MPa);b—弯曲附加余量的数值，单位为毫米(mm):C—腐蚀余量的数值，单位为毫米(mm)。2.7换热管弯曲附加余量计算弯曲附加余量b的数值应不小于按公式(22)计算值: CB/T3961-2004b=0.4Pd/[R(2[a]十A).......................................(22)式中:b—弯曲附加余量的数值，单位为毫米(mm);D—换热管外径的数值，单位为毫米(mm);仁。〕—材料许用应力的数值，单位为兆帕(MPa);R—管子平均弯曲半径的数值，单位为毫米(mm);P—设计压力的数值，单位为兆帕(MPa)。2.8换热管腐蚀余量换热管腐蚀余量的数值按下列要求:a)钢管为1.0mm;b)铜、铝黄铜和镍含量低于10%的铜镍合金为0.8。:c)镍含量大于10%的铜镍合金为0.5mm;d)钦及钦合金为零。3热工计算3.1换热面积热交换器的换热面积按公式(23)计算:A=召△TvIK····································，·.··。⋯(23)式中:A—换热面积的数值，单位为平方米(mz);Q—换热量的数值，单位为瓦(w);△T—热交换器对数平均温差的数值，单位为摄氏度(℃);W-温度修正系数，一般应不小于0.8;K—总传热系数的数值，单位为瓦每平方米摄氏度【w/(m,℃)」。3‘2热交换器换热量3.2.1滑油冷却器的换热量按公式(24)计算:Q=Go兀············，，········，················⋯⋯(24)式中:Q—换热量的数值，单位为瓦(w);G—滑油流量的数值，单位为千克每小时(kg/h);AT-滑油进出口温差的数值，单位为摄氏度(℃);C-滑油定性温度下的比热数值，单位为瓦时每千克摄氏度[wh/(kg℃)〕。3.2.2淡水冷却器的换热量按公式(25)计算:Q=Go兀·························，················⋯⋯(25)式中:Q—换热量的数值，单位为瓦(w);‘—淡水流量的数值，单位为千克每小时(kg/h);AT淡水进出口温差的数值，单位为摄氏度(℃);C-淡水定性A度下的比热值，单位为瓦时每千克摄氏度〔wh/(kg℃)〕。3.2.3冷凝器的换热量按式(26)计算:Q=G)H···········，······，，·······，······⋯⋯(26)式中:Q-—换热量的数值，单位为瓦(w);‘—蒸汽流量的数值，单位为千克每小时(kg/h); CB/T3961-2004AH蒸汽进出口烩值差的数值，单位为瓦时每千克(wh/kg)o燃油加热器的换热量按公式(27)计算:Q二‘△TC·············································⋯⋯(27)式中:Q—换热量的数值，单位为瓦(w);G-燃油流量的数值，单位为千克每小时(kg/h);4T一一燃油进出口温差的数值，单位为摄氏度(℃);C燃油定性温度下的比热数值，单位为瓦时每千克摄氏度〔wh/(kg℃)〕。3.2.4滑油加热器的换热量按公式(28)计算:口=G}咒···············。·······························一(28)式中:Q—换热量的数值，单位为瓦(w);G-滑油流量的数值，单位为千克每小时(kg/h);4T—滑油进出口温差的数值，单位为摄氏度<℃);C燃油定性温度下的比热数值，单位为瓦时每千克摄氏度〔wh/(kg℃)〕。3.2.5淡水加热器的换热量按公式(29)计算:Q=GOTC···············。··························，·⋯⋯(29)式中:Q—换热量的数值，单位为瓦(w);G淡水流量的数值，单位为千克每小时(kg/h);八T淡水进出口温差的数值，单位为摄氏度(℃);C—淡水定性温度下的比热数值，单位为瓦时每千克摄氏度「wh/(kg℃)]。3.2.6空气冷却器的换热量按公式(30)计算:Q二‘oH...................................................(30)式中:Q—换热量的数值，单位为瓦(w);G—空气流量的数值，单位为千克每小时(kg/h);AH空气进出口焙值差的数值，单位为瓦时每千克(wh/kg).3.3对数平均温差的计算无相变的热交换器的对数平均温差按公式(31)计算:△T,n(△T,一△Tz)lln(4T,lATZ)·················一“................(31)式中:oTi-对数平均温差的数值，单位为摄氏度(℃);dT}-端口温差的数值，单位为摄氏度(℃)，按图6所示;oTz-端口温差的数值，单位为摄氏度(℃)，按图6所示。 CB/T3961-2004△ATr-T,t,图63.4总传热系数3.4.1总传热系数按公式(32)计算:K=(32)1/ao+6/d/(Aa/A)+R+1/a}/(Ao/A;)式中:K—总传热系数的数值，单位为瓦每平方米摄氏度【W/(m"0C)〕。二管外给热系数的数值，单位为瓦每平方米摄氏度〔W/(m20C)〕;凡—换热管导热系数的数值，单位为瓦每米摄氏度〔W/(m20C)〕;d—换热管壁厚度的数值，单位为米(m);AdA;—管外与管内表面积之比的数值;R-污垢热阻的数值，单位为平方米摄氏度每瓦(m20C/W);al—管内给热系数的数值，单位为瓦每平方米摄氏度(W/m,0C)。3.4.2换热管外给热系数按公式(33)计算:a0=1.13ACR"P,,""Id··································‘·⋯⋯(33)式中:。一换热管外给热系数的数值，单位为瓦每平方米摄氏度〔W/(mz0C)〕;C—修正系数的数值;Re—换热管外侧介质的雷诺数值;P,二换热管外侧介质的普朗特数值;m—雷诺数的指数值;入—管外介质的导热系数的数值，单位为瓦每米摄氏度【W/(m"0C)〕;d—换热管外径的数值，单位为毫米(咖)。修正系数C、雷诺数的指数值m按表3选取; CB/T3961-2004表3及/D1.251.52.03.0反/DCmCmC刃C口顺排1.250.3480.5920.2750卜6080.1000.7040.06330.7521.500.3670.5860.2500.6200.1010.7020.06780.7442.0004180.5700.2990.6020.2290.6320.1980.6483.000.2900.6010.3570.5840.3740.5810.2860.608叉排0.6000.2130.6360.9000.4460.5710.4010.5811.0000.4970.5581.1250.4780.5650.5180.5601-2500.5180.5560.5050.5540.5190.5560.5220.5621.5000.4510.5680.4600.5620.4520.5680.4880.5682.0000.4040.5720.4160.5680.4820.5560.4490.5703.0000.3100.5920.3560.5800.4400.5620.4280.5743.4.3表3中的Sr/D与VD根据图7中的尺寸计算。图73.4.4换热管内给热系数按公式(34)计算。一a;二0.021.lRru."P,,".+e(P,r/P=)o.ss/d式中:a,—换热器管内给热系数的数值，单位为瓦每平方米摄氏度〔W/(mz0C)〕;又—管外介质的导热系数的数值，单位为瓦每米摄氏度仁w/(m}0C)];10 CB/T3961-2004Rc—换热管内介质定性温度下的雷诺数值;Rf—换热管内介质定性温度下的普朗特数值;凡—换热管内介质金属壁定性温度下的普朗特数值;d—换热管外径的数值，单位为毫米(mm)。'