基于柴油机尾气热量的热管换热器结构设计毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
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3.5.5椭圆形封头的设计18
3.5.6容器法兰的选择19
3.5.7开孔补强19
3.5.8管板的厚度计算19
3.5.9管板管孔直径的确定21
3.6管板与壳体的连接22
3.6.1管板与管子的连接22
3.6.2热管换热器设计模型图23
第四章结论25
参考文献26
致谢28
第一章前言
1.1研究的背景及意义
车辆散热系统技术是动力辅助系统的核心技术之一，是动力、传动装置正常工作的重要技术保证。
车用换热器（包括水散热器、油冷器和中冷器等）是车辆冷却传热的重要设备，其散热性的好坏直接影响发动机的散热效果及其动力性、经济性和可靠性，乃至正常行驶和安全行驶问题[]。
目前，车辆散热系统向高效，低能耗方向发展，冷却装置有体积变小，结构转化的趋势[]。
自20世纪70年代以来，欧洲中档轿车散热系统的重量减少超过50％，接近5～7kg，整车重量减少超过1％，燃油节省达0.1L/100km[]。
在众多换热元件中，热管是人们所知的最有效的换热元件之一，它可将大量热量通过很小的截面积通道远距离传输而无需外加动力，热管作为一种新型的高效传热元件，逐渐被人们所认识，并在各种换热设备中发挥越来越重要的作用。
在已有的各种换热设备中，热管换热器的主要优点有：
结构简单，换热效率高，在传递相同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器；
换热流体通过换热器时的压力损失较其他换热器小，因而动力消耗也小；
由于冷、热流体是通过热管换热器不同部位换热的，而热管元件又是相互独立的，因此即使有某根热管失效或者损坏也不会对冷、热流体间的隔离与换热造成大的影响；
此外，热管换热器可以方便的调整冷、热侧的换热面积比，从而有效的控制热管壁温，避免有腐蚀性气体的露点腐蚀，即热管换热器较常规换热器更为安全、可靠[]。
1.2热管换热器的发展及应用
热管换热器是一种新型的高效换热装置，具有传热效率高、重量轻、体积小、结构简单、无运动部件、冷流体和热体无相互污染等优点。
热管换热器在很多方面都得到了广泛的应用。
1）在航天飞行技术上的应用
热管是应航天技术的发展要求而发展起来的，所以首先在航天技术方面得到了许多非常重要的应用。
在航天飞行技术方面用于：
航天飞行器密闭舱内部仪器设备之间的热均衡、用热管散热器将飞行器密封舱内部的某些仪器发出的热量导向舱外和保障飞行器壳体材料的散热冷却及均温等[]。
2）电子元件和仪器的散热[]
在影响电力电子元件可靠性的众多因素中，冷却散热是至关重要的一个。
电子器件的正常工作温度范围一般为-5～65℃，超过这个温度，元件的性能将显著下降。
电力电子元件发热功率大而且体积小，热管散热器满足电子元件散热所要求的紧凑性、可靠性、高散热效率、灵活性和不需维修等条件，对电力电子元件具有很强的适应性，因此，热管散热器在这一领域得到了广泛的应用。
热管散热器在电子元件散热方面的主要应用有：
密闭壳体中电子器件的散热、计算机CPU的散热和大功率电子元件的散热。
第二章热管换热器的性能及其特点
2.1热管换热器的结构及特点
2.1.1热管换热器的结构形式
以热管为传热单元的热管换热器是一种新型高效换热器，其结构如图（2-1）、图（2-2）所示，它是由壳体、热管和隔板组成的。
热管作为主要的传热元件，是一种具有高导热性能的传热装置。
它是一种真空容器，其基本组成部件为壳体、吸液芯和工作液。
将壳体抽真空后充入适量的工作液，密闭壳体便构成一只热管。
当热源对其一端供热时，工作液自热源吸收热量而蒸发汽化，携带潜热的蒸汽在压差作用下，高速传输至壳体的另一端，向冷源放出潜热而凝结，冷凝液回至热端，再次沸腾汽化。
如此反复循环，热量乃不断从热端传至冷端。
图2-1热管换热器
图2-2热管示意图
2.1.2热管换热器的主要特点
A.热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏，也只是单根热管失效，而不会发生冷热流体的掺杂。
所以热管换热器用于易然、易爆、腐蚀等流体的换热场合具有很高的可靠性。
B.热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的完全逆流换热；
同时冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，且两侧受热面均可采用扩展受热面。
用于品位较低的热能的回收非常经济。
C.对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过热管结构尺寸，扩展受热面形式，以解决换热器的磨损堵灰问题。
D.热管换热器用于带有腐蚀性的烟气的余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。
2.2热管换热器特性与其它换热器的比较
热管换热器与常规换热器相比有很多优点[]：
（1）传热性能好
1 如果在蒸发段及冷凝段外壁增加了翅片，可以增大冷热流体的热交换面积，强化了整个传热过程；
2 把传统换热器的交叉流型改为纯逆流，在不改变冷、热流体入口温度的条件下，增大了传热过程中冷热流体交换热的平均温度；
3 把管内流动改为垂直外掠流动，可使该管束的平均换热系数提高约30%。
由此可见，热管换热器与其他形式的换热器，特别是与常规管壳换热器相比，其传热性能要高得多。
（2）结构紧凑、重量小
采用翅片使其传热密度增大，传热性能优良，故可以减少传热面积，使设备的重量减少。
（3）可调整的冷热比
由于能很方便的调整冷热侧换热面积比，从而可有效地避免有腐蚀性气体的露点腐蚀。
例如烟气中含有的硫，当温度过低时，通过调整冷热侧换热比可避免由此引起的硫腐蚀。
（4）传热面局部破坏时，能确保两流体彼此不渗透
常规换热器两流体由间壁所隔，当传热间壁的某一微小局部损坏时，泄露随即发生，使介质渗透而受到污染，而热管换热器却可以杜绝流体间渗透的现象。
在热管换热器中，当热管元件某一端壳壁损坏时，造成的只是该单一元件失效而停止传热，两种流体仍被元件另一端的壳壁隔开，通过元件壳壁的泄露不会发生，因而能确保流体的品质不会变坏。
再加上单根热管损坏后更换方便，并不影响换热器整体。
所以，在流体气质要求严格，冷、热流体不能相互污染的情况下，热管换热器是非常理想的换热设备。
随着热管理论的研究和发展，热管技术已日趋成熟，热管换热器的应用范围也不断扩大，已在化工、石油、建材、轻纺织工业、冶金工业、动力工程等领域显示出它的优越性，尤其是在350℃以下的气流回收，热管技术有其独特的优势。
美国休斯飞机公司对热管换热器和其他类型的换热器进行了比较和评定，其结果如表（2-1）所示（括号内为打分，分数高的为优）[]。
当换热器的传热系数相同时，流体通过板翅式换热器的压强要比通过热管换热器的压强高2-4倍，显然，这将大大增加动力消耗[]。
表2-1各种型式换热器性能对比
型式
流阻
换热系数
维护费
造价
动力辅助
相互污染
单位体积换热面积
总计
回转式
中（3）
高（4）
高
（2）
有（0）
15
管壳式
无（5）
低
（2）
24
“续表2-1”
中间载热体式
低（4）
18
板翅式
很高（5）
27
热管式
低（5）
30
第3章柴油机尾气热量的热管换器结构设计
3.1使用柴油尾气热量的热管换器的社会及经济效益分析
由于能源消耗的加剧，汽车节能问题备受人们的关注。
目前我国柴油发动机燃料的大部分热值被废气和冷却水带走，大量余热能源基本上白白浪费掉。
随着能源供应日益紧张，发动机余热的利用是必然趋势，因而换热器的应用与开发也与节约紧密相连，用于对发动机的尾气进行回收，将大大提高对能源的利用率。
由于在相变过程中进行的是以前热为主全热交换，与无相变的传递过程相比，具有高的多的热质交换强度也可以说相变过程本身就是对传递过程的一种强化。
3.2热管换热器在增压柴油机中的应用
近年来，随着车用柴油机的发展，采用排气涡轮增压技术日益增多，而此技术就是通过提高进气压力使进入气缸的空气密度增加，从而增加充气量，提升功率。
还可通过进气冷却进一步增加空气密度提高发动机的动力性和经济性，同时对排气净化也有很好的作用。
因此热管换热器在增压柴油机中多用于中冷器当中。
因此对中冷器的要求是：
冷却效果明显、结构紧凑、流动阻力小[]。
3.3柴油机热管换热器热管的选用
一般来说，常温热管（工作温度在0～250℃）的工作液体可用氟利昂、氨、酒精丙酮、水和某些有机化合物，这类热管最广泛使用的是水和氨，它们具有良好的热物理性能；
中温热管（工作温度在250～450℃）常用水银、硫磺、碱金属、导热姆等；
高温热管（工作温度450～1000℃）用钾钠、锂、铅银及其他熔点高的金属。
表（3-1）列出了几种工质的运输系数，表（3-2）列出了热管常用工质的工作温度及与工质相容的壳体材料。
热管是靠壳体内工作流体（工质）的相变和流动过程中质量的转移传送热量的。
工质的各种理化性能必然对热管的工作特性有着重要的影响。
工质的选择除考虑工作温度的适应范围外，还应考虑下面几个问题[]：
（1）工质与热管材质间的相容性及工质的热稳定性。
工质与材质间一旦发生不相容将导致热管的性能变坏或失效。
因此，要求工质在工作温度范围内必须具有良好的热稳定性，即不变质、不发生化学反应和分解反应，不产生不凝结气体和沉淀物等。
（2）工质的热物理性质。
包括：
汽化潜热高；
导热系数大；
粘度低；
表面张力系数大；
润湿能力高；
沸点适当。
（3）安全及经济性。
对于以传热为主的热管，尽量不采用易燃、易爆和有毒的工质，否则一旦管壳烧坏或发生泄露将会造成严重后果。
热管的成本也是考虑的重要因素，尽管热管中所用工质数量较少，单由它所确定的管壳及管芯对热管的成本影响很大。
构成热管管壳、管芯材质的选择与热管的工作温度范围、管内工质的工作压力有很大联系。
管壳要承受一定的压力，工作压力为工质温度对应的饱和压力。
例如，以水为工质的热管，当管内温度为250℃时，相对应的压力达4MPa。
此外要求管壳的热阻小，价格便宜。
再者，管芯材料的选择，也要考虑到与工质相容，热阻小，液体渗透性好，一般与管壳采用相同材料。
铜材料除了在低温下不能与氨组合，在高温下不能与液态金属组合外，对几乎所有的工作液都适合，铜的导热性能和加工性能都很好，所以铜材料广泛用于热管的管壳和管芯。
热管换热元件的选型根据输入的冷、热介质的进口温度来确定，如在设计中取冷、热介质的进口温度分别为100℃和130℃，则工作介质的工作温度在100～130℃之间，可以选择甲苯或水作为工作液体，然后，根据工作液体确定与其相容的壳体材料，如果选择用水作为介质，
则与其相容的壳体材料为铜或碳钢；
如果选择用甲苯作为工作介质，则与其相容的壳体材料为低碳钢或低合金钢。
表3-1工质的运输系数
输运系数
热管工质
R11
丙酮
甲醇
水
0℃/W·
m-2
57.705×
106
30.376×
23.391×
175.761×
100℃/W·
81.555×
25.634×
53.954×
455.709×
表3-2热管工质的工作温度与工作介质及相容壳体材料
种类
工作介质
工作温度/℃
相容壳体材料
低温热管
氨
-60～100
铝、不锈钢、碳钢
R21
-40～100
铝、铁
铝、不锈钢、铜
R113
-10～100
铝、铜
常温热管
乙烷
0～100
黄铜、不锈钢
0～120
铝、铜、不锈钢
乙醇
0～130
铜、不锈钢
10～130
铜、不锈钢、碳钢
甲苯
0～290
低碳钢、低合金钢
30～250
铜、碳钢
“续表3-2”
中温热管
萘
147～350
联苯
147～300
不锈钢、碳钢
导热姆A
150～395
导热姆B
不锈钢、碳钢、镍
汞
250～650
奥氏体不锈钢
高温热管
钾
400～1000
不锈钢
铯
400～1100
钛、镍
钠
500～1200
不锈钢、镍合金
锂
1000～1800
钨、钽、钼、铌
银
1800～2300
钨、钽
3.4柴油机热管换热器热管的排列形式
换热管的排列形式主要有一下四种：
（见图3-1）
图3-1换热管的排列形式
等边三角形排列用的最为普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列的管子数最多，便于管板的划线和钻孔。
但管间不易清洗，适用于不结垢或可用化学方法清洗污垢以及允许压强较高的工况。
TEMA标准规定，当壳需要机械清洗时，不得采用三角形形式。
在壳需要进行机械清洗时，一般采用正方形排列，管间通道沿整个管束应该是连续的，而且要保证6mm的清洗通道。
图3-1中（a）和（d）两种排列方式，在折流板间距相同的情况下，其流通截面要比（b）和（c）两种小，有利于提高流速。
所以该设计中的热管采用（a）排列。
3.5设备的结构设计
3.5.1材料的选择
压力容器用材的主要选择依据[]：
⑴容器的使用条件，如温度、压力、介质、操作条件和结构特点；
⑵材料的力学性能；
⑶材料的耐腐蚀性能，包括选材，防腐蚀结构、防腐蚀衬里、腐蚀裕量、条件控制等；
⑷材料的加工性能，如可焊性、冷热加工成型性等；
⑸材料的价格及来源；
⑹同一工程设计中用材应尽量统一。
在本设计中：
材料为Q235-B（GB3274）碳钢；
使用温度范围：
0-350℃；
设计压力为≤1.6Mpa；
壳体钢板厚度：
≤20mm。
3.5.2筒体的设计温度、压力选择
设计温度系指容器在工作过程中在相应的设计压力下壳壁或元件金属可能达到的最高或最低温度。
本设计的设计温度为150℃，且在此温度下20R（GB6654）碳钢的许用应力为132Mpa，使用温度范围为-20℃-450℃。
设计压力是容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于正常工作情况下容器顶部可能达到的最高压力。
本设计的蒸发段的设计压力为0.75Mpa，冷凝段的设计压力为0.60Mpa。
3.5.3筒体厚度计算
符号说明：
:
设计压力，Mpa
圆筒内经，mm
t:
刚才许用应力,Mpa
：
腐蚀裕量,mm
设计厚度,mm
名义厚度,mm
附加厚度,mm
有效厚度,mm
圆筒外径,mm
（1）蒸发段壁厚的计算:
（取φ=1.0,C2?
3mm）
计算厚度:
?
=
设计厚度:
圆整后取
（2）冷凝段壁厚的计算：
此时，筒体是在外压0.60MPa条件下工作的。
在本设计中假定
则有：
3.5.4筒体的试压
气压试验计算如下：
。
经查表得：
150℃时，20R碳钢板（厚度6-16mm）
压力试验前的应力校核：
气压试验时，
应满足下列条件：
∵
∴
，即蒸发段壁厚度满足强度要求。
而冷凝段的壁厚比蒸发段的要大，所以更能满足要求。
3.5.5椭圆形封头的设计
上下封头均选择标准椭圆形封头如图（3-1），根据JB/T4746-2002标准，封头
，曲面高度
，直边高度
，材料选用20R钢。
图3-1标准椭圆形封头
表3-1标准椭圆形封头的直边高度单位：
（mm）
封头材料
碳素钢、普低钢、复合钢板
封头壁厚
4～8
10～18
≥20
3～9
直边高度
25
40
50
3.5.6容器法兰的选择
根据JB/T4703-2000标准，采用DN1000，PN1.6Mpa的榫槽密封面长颈对焊法兰如图（3-2）
图3-2榫槽密封面长颈对焊法兰
3.5.7开孔补强
容器制造时，所取壁厚远大于所需壁厚，因此容器强度足够满足强度要求，再加上接管孔直径比较小，容器工作压力较低，所以不需要开孔补强。
3.5.8管板的厚度计算
管板最小厚度的规定[]：
用于石油及要求严格的工艺过程的换热器，在胀接管子的区域，
1）任何管板的总厚度减去腐蚀裕量后不应小于管子的外径。
且包括腐蚀裕量在内的管板总厚度不能小于19.1mm；
2）用于工业级一般中等程度的工艺过程的换热器，在胀接管子的区域内，任何管板的总厚度减去腐蚀裕量后，对于外径为25.4mm和更小外径的管子不得小于管子外径的3/4。
对于外径31.8mm的管子，不得小于22.2mm对于外径38.1mm的管子，不得小于25.4mm。
对于外径50.8mm的管子，不得小于31.8nn；
3）用于化工过程的换热器，除符合上面2）以外，还应在不包括腐蚀裕量在内的管板总厚度，不得小于19.1mm。
TEMA管板计算公式是把管板简化为弹性基础上的一块均匀连续削弱的当量实心圆平板，在此基础上得出以下管板计算方式：
式中：
T-管板的有效厚度,mm；
S-规范中规定的设计温度下管板材料的许用应力，KPa；
P-有效设计压力，KPa；
G-直径，mm；
-管子排列系数；
D-一般0.8-1.25之间，本设计取为1。
在本设计中，热管采用正三角形排列，则有：
P-管间距，mm；
-管子外径，mm；
管板受轴向力
，如图（3-3）
图3-3管板受力图
管板材料选用16MnR（GB6654）（6-16mm）,S=170MPa,
在本设计中，筒体直径较大，如果管板厚度太小则容易失稳，有考虑到管板最小厚度的规定要求，现取管板厚度为40.0mm。
3.5.9管板管孔直径的确定
管子外径为25MM时，管孔直径为25.4MM，允许偏差为：
0-±
1.2mm。
3.6管板与壳体的连接
管板与壳体的连接依照换热器的结构形式分为可拆连接及不可拆连接[]，由于水与碳钢管的不相容性，热管需要定期清洗，所以本设计采用可拆式的连接方式。
根据两端管板的外侧面连接形式又可分为管板兼法兰和不兼法兰，本设计采用延长部分兼作法兰的管板，如图（3-4）。
图3-4延长部分兼作法兰的管板与壳体的连接
3.6.1管板与管子的连接
管子与管板的连接形式有强度胀接、强度焊接与胀焊接混合结构。
无论采用何种连接形式，都必须满足一下两个条件：
1）连接处保证介质无泄漏的充分气密性；
2）承受介质压力的充分结合力
本设计采用如图（3-5）所示的连接方式：
1）套筒起固定作用，稳定性好；
2）热管与套筒是螺纹连接，且采用可拆式连接方式，这样方便热管的换取；
3）热管与管板采用填料密封，密封性好。
图3-5热管与管板的连接
3.6.2热管换热器设计模型图
本设计最终成品如图（3-6）所示
图3-6热管换热器设计模型图
第4章结论
在现如今能源如此紧张的情况下通过热管换热器把尾气热量重新利用起来以达到节能的目的，通过对柴油机热管换热器的重新设计能够做到空间最大利用从而能够使维修变得更加容易方便，也能够做到经济利益的最大化。
参考文献
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