低温贮罐的毕业设计

低温贮罐的毕业设计 前 言 在20世纪的后半世纪，低温技术得到了迅速的发展。随着低温技术的普及，液氮、液氧、液氩、液氢、液氦、液化天然气等低温液体的应用日趋广泛，各行各业对储存和输送低温液体的需求不断增长。由于低温液体的沸点低，汽化潜热小，制取成本高，对低温液体进行安全有效的储运，具有重要的经济价值。 众所周知, 低温绝热储运容器是以保存低温液化气体的方式来储运气体的, 这种方式与用高压液化气体和高压压缩气体的方式比较, 具有储运压力低、安全性高、储运量大的特点。近年来随着国内气体市场的迅猛发展, 国家在低温绝热压力容器的安全技术方面也提出了更高的要求, 在2009 年版的《固定式压力容器安全技术监察规程》中, 将几何容 3积大于5m的低温储存容器划归到第三类压力容器的安全监察范围。 CF、ZCF型低温液体贮槽采用双层壁真空粉末绝热，用于液氧、液氮，液氩等低温液体贮存。它取代了传统的气体高压贮存方式，具有效率高、安全可靠、介质不受污染、操作方便等许多优点。 本文针对DYL-50/2.5型低温液体贮槽的基本结构进行了设计和分析，并在了解基本原理的基础上对其具体漏热情况进行具体分析，为绝热性能的优化设计提供了依据。 由于时间仓促，设计中不免会存在一定的错误和缺点，恳切地欢迎各位读者提出宝贵的意见或建议。 目 录 第1章 绪 论 ........................................................................................................................ 5 1.1 低温液体贮运的概述 ................................................................................................. 5 1.2 国内外在粉末绝热方面的研究与发展现状 .............................................................. 7 1.2.1 国外研究现状 ................................................................................................... 7 1.2.2国内研究现状 .................................................................................................... 7 1.3 本设计的主要内容 ..................................................................................................... 8 1.3.1 本设计预定达到的设计目标 ............................................................................ 8 1.3.2 设计依据 .......................................................................................................... 9 第2章 低温结构设计 .......................................................................................................... 10 2.1 低温容器流程设计 ................................................................................................... 10 2.1.1 加液系统 ........................................................................................................ 10 2.1.2 排液系统 ........................................................................................................ 10 2.1.3 真空度测量系统 ............................................................................................. 10 2.1.4 夹层抽真空系统 ............................................................................................. 10 2.1.5 液位测量系统 ................................................................................................. 10 2.1.6 测满口 ............................................................................................................ 10 2.1.7 自增压系统..................................................................................................... 11 2.1.8 气体放空系统 ................................................................................................. 11 2.2 贮罐各部分结构组成设计 ....................................................................................... 11 2.2.1 基本结构介绍 ................................................................................................. 11 2.2.2 低温容器的绝热结构设计 ............................................................................. 11 2.2.3 焊接结构的设计 ............................................................................................. 14 2.2.4 低温下的密封结构设计 ................................................................................. 15 2.2.5低温液体运输管道设计 .................................................................................. 16 第3章 低温容器的设计计算 ............................................................................................... 18 3.1 低温容器的几何参数 ............................................................................................... 18 3.1.1 内筒体几何尺寸计算 ..................................................................................... 18 3.1.2 外筒体几何尺寸计算 ..................................................................................... 18 3.2 储罐内筒体计算 ...................................................................................................... 19 3.2.1 内筒计算厚度δ ........................................................................................... 19 nf 3.2.2 内封头厚度计算 ............................................................................................. 20 3.2.3 内筒稳定性计算 ............................................................................................. 20 3.3 储罐外筒体计算 ...................................................................................................... 21 3.3.1 外筒体稳定性计算 ......................................................................................... 21 3.3.2 外封头稳定性计算 ......................................................................................... 22 3.3.3 外筒体强度校核 ............................................................................................. 22 3.3.4 外筒体加强圈计算 ......................................................................................... 23 3.4 支撑结构计算 .................................................................................................... 25 3.5 超压泄放装置计算 ............................................................................................ 27 3.5.2 爆破片计算..................................................................................................... 29 第4章 低温容器的热设计 .................................................................................................. 31 4.1 绝热结构中的热桥设计 ........................................................................................... 31 4.1.1 热桥 ................................................................................................................ 31 4.1.2 减少热桥导热的措施 ..................................................................................... 31 4.2.1 漏热计算 ........................................................................................................ 31 4.2.2 蒸发率计算..................................................................................................... 35 4.2.3 夹层静态漏放气速率计算 ............................................................................. 36 第5章 自增压系统设计与管路损失 ................................................................................... 37 5.1自增压计算 ............................................................................................................... 37 5.1.1 设计参数 ........................................................................................................ 37 5.1.2 过冷段计算..................................................................................................... 38 5.1.3 蒸发段计算..................................................................................................... 40 5.1.4 过热段计算..................................................................................................... 42 5.1.5 增压气化器实际翅片管长计算 ...................................................................... 43 5.2 管路流阻损失计算 ................................................................................................... 43 第6章 容器制造工艺要求 .................................................................................................. 46 6.1 工艺流程 .................................................................................................................. 46 6.2 低温容器的焊接 ...................................................................................................... 46 6.2.1 焊接的表面处理 ............................................................................................. 47 6.2.2 常用材料的几种焊接规范 ............................................................................. 47 6.2.3 绝热结构的施工 ............................................................................................. 48 第7章 低温容器的使用说明 ............................................................................................... 49 7.1 预冷 .......................................................................................................................... 49 7.1.1 预冷过程 ........................................................................................................ 49 7.1.2 预冷方式 ........................................................................................................ 49 7.2 充液 .......................................................................................................................... 49 7.2.1充液的准备工作 .............................................................................................. 49 7.2.2 输液管的结构 ................................................................................................. 50 7.2.3 液氧的充填..................................................................................................... 50 7.3 液面测量 .................................................................................................................. 51 7.4 安全技术 .................................................................................................................. 52 7.5 应急措施 .................................................................................................................. 52 第8章 性能及安全性评价 .................................................................................................. 53 结 语 ................................................................................................................................... 54 参考文献 ............................................................................................................................... 55 致谢 ..................................................................................................... 错误～未定义书签。56 程序 ....................................................................................................................................... 56 英文翻译 摘 要 在20世纪的后半世纪，低温技术得到了迅速的发展。随着低温技术的普及，液氮、 液氧、液氩、液氢、液氦、液化天然气等低温液体的应用日趋广泛，各行各业对储存和输 送低温液体的需求不断增长。由于低温液体的沸点低，汽化潜热小，制取成本高，对低温 液体进行安全有效的储运，具有重要的经济价值。本说明书主要介绍了DYL-50/2.5型真 空粉末绝热低温液体贮罐(罐体设计)的基本结构和工作原理，并对总体的漏热进行了具 体分析，给出了计算公式，为绝热性能的分析和优化提供了依据。 关键字:低温技术;低温储罐;真空粉末绝热;漏热 Abstract In the last half of the 20th century, the cryogenic technology was expanding by leaps and bounds. With the popularity of cryogenic technology, cryogenic liquids such as liquid nitrogen, liquid oxygen and liquid argon, liquid hydrogen and liquid helium, liquefied natural gas, were applied in wide range day by day, furthermore the demand of the storage and transportation of cryogenic liquid was increasing continuously. Because of the cryogenic liquids with the characters of low boiling point, small latent heat of vaporization and high-cost to refine, it is of the utmost economic value to storage and transport cryogenic liquid safely and effectively. This specification mainly has introduced the basic structure and principle of vacuum powder insulation cryogenic storage tank CF-50000(The tank systems design). The total heat leakage is analyzed specifically, and the calculation formula is given, providing a basis for adiabatic analysis and optimization design. Key words: cryogenic technology; cryogenic tank; high vacuum powder insulation; heat leakage; 第1章 绪 论 1.1 低温液体贮运的概述 随着国民经济的快速发展，低温技术的普及和应用，低温液体的应用日趋广泛，如液氢、液氧、液氮、液氩、液氦、液化天然气等，低温液体的产生、低温液体的应用与研究，都需要低温液体的贮存与输送。许多重要的科研项目都需要在低温环境下迸行。各行各业对贮存和输送低温液体的低温容器的需求不断增长，尤其在工业、农业、国防科研和医疗方面更为明显。 由于低温液体的沸点低、汽化潜热小，获得低温液化气体需要付出较大的代价，因此低温液体的有效贮存与运输具有重要的经济价值。在低温技术的应用中，往往存在下面所述情况: (1)集中生产，然后分配到各用户，例如液氧、液氮、液氩、液化天然气、液化石油气及液氦的集中生产与分配; (2)短期生产的产品供较长时间使用，例如许多试验单位和医疗单位自备液氧机生产液氧的情况; (3)较长时间的生产，供短期大量集中使用，例如大型低温试验或进行火箭发射时，均是采用这种方法提供液氦、液氢、液氧、液氮的。 为了适应以上的情况，必须进行低温液体的有效贮运，就是对于使用气体的部门，如果采用液体运输，也是比较经济的。例如一台3650 L的液氧贮槽所贮存的液氧。其总重量不超过1250kg，若气体贮运，需500只钢瓶，重量35500kg。又如一只175L的带汽化器的液氧贮槽，装在一辆小车上，携带方便，可代替20只氧气钢瓶供焊接使用。总之，几乎所有使用低温的场合，都离不开低温液体的贮运，自然也离不开贮存低温液体的设备。因此，低温液体的贮运是低温工程中一项最基本的工作，也是低温技术中近30年来发展最快的一项技术。 伴随低温液体贮运的发展，低温容器的绝热技术日趋完善。要保持低温液体的贮运以及低温制冷的温度等，都必须对低温环境采取绝热措施，只有在绝热条件下才能够保持低 温。通过绝燕，可以减少气化损失，或为长时间及远距离运送低温液体创造条件。 低温绝热方法可以分为普通绝热和真空绝热两大类: (1)普通绝热是一种使用较早的传统的绝热方法，它是在设备、容器、管道的外侧敷设固体多孔性绝热材料，在绝热材料的空隙中充满着大气压力下的空气或其他气体; (2)真空绝热有三种基本类型:高真空绝热，真空粉末绝热及真空多层绝热。自1890年杜瓦发明了杜瓦容器以来，低温容器的绝热性能有了很大的提高，从那以后所有的改进都是在杜瓦原先的概念上进行的，通常都是采用高反射率的表面或一个可以反射和遮挡辐射能量的中间屏来减少辐射传热的。真空粉末绝热是1910年以后出现的，而多层绝热的发展是最近三十年来的事情。现在低温绝热技术的发展已达到相当完善的程度，例如多层绝热的发展使液氦的输送发生了根本性变化，已可以实现三十天无损耗的陆上和海上运输。绝热结构的绝热性能可用其有效导热系数(或称表观导热系数，包括对流及辐射在内)来评定，它的数值越小，则绝热性能越好，图1(1示出各种绝热方式有效导热系数的变化范围。可以看出，真空多层绝热的效果最好。目前各种低温绝热技术已很成熟地应用于大、中、小型低温液体贮槽上。 随着低温液体的贮运迅猛发展，对低温容器的使用技术要求也越来越高。短短的几年时间，国内发展了许多生产厂家，但产品的使用情况尚不尽人意。国外同类产品说明书都配有储槽性能资料，例如关于贮存时间的升压曲线和升温曲线充满率和贮存时间，在保证安全的同时又保证最佳的经济性。而我国的生产企业和产品都未能做到这一点。 图 1.1 各种绝热方式有效导热系数的变化范围 Fig 1.1 variation ranges of effective heat conduction coefficients for different thermal insulation methods 1.2 国内外在粉末绝热方面的研究与发展现状 对于贵重、高纯度液化气体、易燃易爆液化气体以及罐车运输液化气体，为了保证经济性、安全性以及保证气体适用时的高纯度，必须采用无损(无排放)贮存。低温液体的无损贮存涉及到传热学、热力学、流体力学及压力容器等许多领域，很多学者从不同的方面进行过研究，有待进一步改进和完善。 1.2.1 国外研究现状 C(L(Tien等人对低温贮存过程中热传递机制进行了研究和分析。 Yu(A(Kirichenko和Zh(A(Suprunova考虑到系统内部热动力状态的改变，利用相似理论求解得到了描述传热流动过程中的使用关联式。P(Kournetan发展了一个存在外热源的情况下，预测低温容器内液体性质变化的模型。该模型较为全面的考虑了热传递机制，计算结果较为接近实验数据，且能够预估给定条件下的无损贮存时间。C(M(Yu和N(U(Aydemirn对部分充满低温液体的卧式筒形贮罐和球罐在均匀外部受热作用下的热力响应做了分析。S(Gursun从热力学的角度提出了一个预测容器内压力变化的“等温"模型，该模型思路简单清晰，且算法容易实现。对处于热力饱和状态的低温液体，漏入的热量能准确地预计。Q(S(Chen等人对车载LNG燃料罐内的压力变化和漏热进行了分析计算。加拿大学者Y(Rotenbergn提出了一个模拟小尺寸系统无损存储过程的模型，利用能量守恒建立了传热过程的微分方程式以及描述容器内热力过程的微分方程式，但模型数值化后的计算结果与实验值有一定的偏差。C(Beduz、R(Rebiai和R(G(Scurlock等人对低温贮存过程中因为液体大量汽化导致罐内压力急剧上升的情况做了探讨。Neff指出密闭容器中压力的上升是低温安全贮液所面临的一个关键问题。并且实验证明了容器中的实际压力大于基于平均液体温度而计算的压力。Scrott等人研究了一个小型不锈钢液氦杜瓦瓶中温度的分布情况。Swim和Schmidt研究了容器中液体的自增压，通过不同的分析方法比较了实验得到的结果。 1.2.2国内研究现状 国内科研工作者在低温绝热方面也做了大量的研究，其中汪荣顺教授编制了真空粉末 3型绝热容器漏热量的计算程序，以6.5m低温容器为例进行了传热计算|。汪顺华教授分析了低温液体存储时的传热规律，得出了反映贮罐内温度变化的微分方程式，利用数值差分法求解出了贮罐内液体的温度和压力的变化规律。徐烈教授提出了低温容器贮运最佳充满率的概念。给出了无损贮存的低温容器中压力升高和充满率的关系图。潘俊兴工程师通过对闭口低温容器内升压速度的研究，得出了保压状态下容器内温度、压力变化与时间的关系。顾安忠教授模拟分析了低温液体的热分层现象，并通过对比各种实验条件，得出了低温介质热分层设计计算方法。陈国邦教授针对无损贮存过程中的漏热问题进行了研究分析，给出了低温绝热过程中漏入热量的方式及计算公式。 1.3 本设计的主要内容 本课题在前人研究的基础上，对低温液体储罐分别进行了结构设计、设计计算和热设计的分析。毕业设计是我们本科阶段学习的最后一个环节，是反映我们四年来对知识的积累，培养我们综合实践能力的环节，对进一步拓宽我们的知识面，提高分析问题、解决问题的能力，以及培养创新思维有很大的作用。它为我们今后的学习工作提供了宝贵的经验，同时提高了我们的综合设计能力，这对我们今后的学习和工作都有很大的帮助。 因此在大学的最后一学期，我们通过对低温容器的设计来把以前所学的知识进行了一次系统的大串联，以做到学以致用。这次设计我们运用了很多方面的知识，其中包括几何学、积分学、材料力学、工程流体力学、工程热力学、传热学、压力容器设计、工程图学等等。对这些知识的再次应用，使我们对它们的理解更深刻，记忆更牢固。 在设计中，我们不仅要考虑压力容器中的强度、刚度的问题，而且要保持高效的绝热效率。首先作为制冷剂的低温液体、沸点很低、汽化潜热小，室温环境相对于液体的低温来说是一个很大的热源，因此为了经济的获得，贮运这些低温液体，必须要有良好的绝热。所以在低温贮槽的设计过程中，我们应尽量设法减少通过对流导热，辐射等途径漏入低温设备的热量，以维护低温装置正常工作。 1.3.1 本设计预定达到的设计目标 1、对低温容器绝热结构漏热量的分析计算; 2、对低温液体贮罐结构设计计算; 3、 对低温液体储罐进行工艺设计; 4、 对低温液体储罐进行热设计。 1.3.2 设计依据 任务来源:毕业设计任务书 执行 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 :TSG R004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程; GB150,1998 钢制压力容器; GB/T18442 固定式真空绝热深冷绝热压力容器。 设计参数见表1.1 表 1.1 项目 内筒体 外筒体 2.5 工作压力(MPa) ,0.1 2.75/2.95 设计压力/计算压力 ,0.1 -183 工作温度? 常温 -196 设计温度? 常温 -- 介 质 液氧、液氮、液氩 95% -- 充 装 率 350.63 -- 有效容积/几何容积m 射线检测比例/合格级别 100%? 20%? 1.0 0.8 焊缝系数 06Cr19Ni10/137MPa Q345R/117MPa 筒体材料/允许应力 日蒸发率 ?0.26%(LNG)?0.34%(LN2) 在本次设计中，我们按时按量的完成了 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 任务，完成了毕业设计说明书，英文翻译， 设计图纸(CAD绘图)，程序编译调试，毕业设计简介等。 第2章 低温结构设计 2.1 低温容器流程设计 2.1.1 加液系统 加液分为上进液和下进液，有快速接头CN-1和一个四通接头分别连上进液阀V和3下进液阀V，有管子和过渡接头连到内筒体。 2 管子选用φ28×2和φ45×3.5的。 2.1.2 排液系统 阀门V可以直接排液，由筒体的下部接入;管子选用φ45×3.5的。V选用6632gDA25C，规格为DN40PN4.0。 2.1.3 真空度测量系统 VR真空硅管，用来测量贮罐夹层的真空度，与夹层的抽空管相连。当真空层的真空度大于3Pa时应重新对夹层进行抽空，以保证夹层的真空度，提高绝热效果。 2.1.4 夹层抽真空系统 VV抽空阀，选用CF-40其中DN为40，作用为抽空，当真空度达到要求时，关闭VV，使夹层真空度得以保持。 2.1.5 液位测量系统 由两条管路分别从筒体的上下两个部位引出，顶部为气相，下部为液相，由液位计阀连在一起。L液位计阀P-1，气相连着压力表阀和压力表，液位计量程为0,6m水柱。 ×1SZ 2.1.6 测满口 由设定的液面来安装管路，当液面达到设定值时，由管子向下流向测满阀MV，当充 液时，此阀门打开，直到有液体流出时表示罐已充满，关闭此阀，选用32gDA10C的阀门，规格:DN20PN4.0。 2.1.7 自增压系统 由增压阀V连到增压器PBC-1，它选用CFB03-00，将罐内流下的部分液体气化后，1 通入内罐，使罐内的压力升高，液体在压力作用下排出。 2.1.8 气体放空系统 当容器顶部压力升高时，由管路排出气体，经过放空阀E，然后到一个单向阀CV，1 因为气体只能往外走，防止气体回流。因此，只能用单向阀，然后连接阻火器，因为气体放出和空气接触，有可能出现火花。阻火器就是为了防止火花随气体进入内罐而产生明火，引起爆炸。 2.2 贮罐各部分结构组成设计 2.2.1 基本结构介绍 液氧储罐的基本结构如图2.1所示。 内，外管路以及外管路的操作都置于罐的下部，内筒体用来盛装液氧，与其相连的各种管路，通过夹层空间延伸到外管路系统，外筒体一方面与内筒体构成了真空夹层绝热空间，同时对内罐体起保护和支撑作用，内筒体与外筒体之间的支承采用绝热性能良好的玻璃钢材料，用于支持内筒体的轴向和径向载荷，以保证内筒体的稳定工作。 2.2.2 低温容器的绝热结构设计 低温绝热的目的是设法减少通过对流，导热、辐射等途径漏入低温设备的热量，以维护低温装置能正常工作。 低温绝热和高温“保温”，虽然原理相同，但低温绝热在低温领域内有着特别重要的作用。首先，作为制冷的低温液体，沸点很低，汽化潜热小，室温环境相对于液体来说是一个很 大的热源，另外为了获得这些低温液体，需要消耗很多的能量。因此，为了经济的获得这些低温液体，贮运和使用这些低温液体，必须有良好的绝热。 图 2.1液氧贮槽流程图 低温绝热可分为四种类型: 1、堆积绝热(容积绝热); 2、高真空绝热; 3、真空-粉末绝热; 4、高真空多层绝热(包含多屏绝热。 下面以真空粉末绝热来说明。 这种绝热结构式是在绝热空间充填多孔性绝热材料(粉末或纤维)，再将绝热空间抽到一定的真空度。研究与分析表明在绝热空间填充多孔粉末和纤维，只要在低真空的情况下，就可以使气体分子的平均自由程大于粉末粒子(或纤维)之间的间距，从而就可以消除气体的对流传热。而残余气体的热传导，也因为气压降低而显著下降。另外，由于多孔性材料对热射线的反射与吸收(包含散射)，也起到了削弱辐射传热的作用。特别是添加一定数量的阻光材料(铜粉或铝粉)后，更有利于减少辐射传热。由于上述几种因素，这种绝热型式的绝热性能，比单纯高真空绝热的更好，而且避免了获得和保持高真空所带来的许多困难。 影响绝热效果的因素除真空度外，还有粉末的粒度;容重、添加剂的种类与数量、界面温度等。真空-粉末(或纤维)绝热的优点是:绝热性能好，优于堆积绝热二个数量级，优于高真空绝热一个数量级，而且真空度要求不高，一般为1,0.1Pa即可。这种绝热的缺点是:要求夹层间距大，笨重。适用于大、中型低温贮槽和设备。 低温绝热材料的基本要求: 1、导热系数低、密度小; 2、真空型的绝热材料放气率要小，低温下吸附气体性能强; 3、强度高、经久耐用; 4、不氧化、不燃烧、不分解、化学性质稳定、对人体无害; 5、吸湿性小、抗冻性强、膨胀系数小; 6、适用温区广、来源充足、加工方便、价格便宜。 7、粉末绝热材料的干燥处理 典型的粉末绝热材料为膨胀珍珠岩。珍珠膨胀岩又称珠光砂，是一种吸湿性很强的材料，在装上绝热空间之前必须采用鼓风烘箱或真空烘箱干燥处理，大量的珠光砂可以按图 所示流程进行干燥。干燥时间视原料情况而定，一般新鲜且密闭包装的珠光砂，在150--180?下，干燥8h即可以了，但对于年久或吸湿的珠光砂，应定时从放料口放出试样，进行测定，一般要达到含水量小于0.08%为止。 2.2.3 焊接结构的设计 低温容器一般都处于高真空、深低温的条件下工作，因此，对焊缝的气密性要求很高。根据构件的不同情况，合理选择焊接的形式是焊接结构设计中最主要的内容之一。 焊接结构设计的一般原则: 1、首先考虑接头的工作介质和工作条件，例如温度、振动、疲劳和腐蚀性等，以保证有足够的强度和气密性。 2、大型构件应尽可能减少焊接预热和焊后热处理工作。 3、尽量设法减少焊接件的变形和应力，如不同厚度的材料焊接时，尽量采用等厚度的接头形式(图2.2 b)。尽可能减少焊后加工工作量。 4、焊接方法应尽可能采用先进的半自动焊或自动焊。焊缝也应尽可能采用直线、圆形或其他 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 的形状。 5、光洁度有严格要求的焊缝(如焊后不允许在加工的法兰密封面)，设计时应考虑使焊缝避开有光洁度要求的位置。否则焊缝中偶尔存在的气孔、夹渣等缺陷，将导致整个工件报废。 6、焊接接头的连接，尽可能采用有较高静载荷及疲劳强度的型式(图2.2 b)避免采用图2.2 a所示的型式。 7、避免焊缝过于集中，减少应力集中和接头变形，最后采用图2.2 b,避免采用图2.2 a所示的型式。 8、两种膨胀系数不同的材料焊接时，为避免在低温下由于热胀冷缩程度不同而引起泄露，常把线膨胀系数大的材料包在外面。 9、应用在真空环境的焊接，其焊后的死角应在背离真空的一面，基体结构如图2.3。 为保证真空性能焊缝应尽可能处在真空内侧，以避免不利于抽空的“死空间”并严格禁止内外侧同时有焊缝的结构，但外层为进行定位和加固，可进行间断焊。 abc 图 2.2 接头连接形式 对焊搭接大气大气 真空真空 T性形接角形接 大气真空大气 真空 图2.3 真空环境下的几种焊接结构 2.2.4 低温下的密封结构设计 低温容器中，为满足使用和检查的要求，常用到许多密封结构，大致可分成四大类: 1、低温静密封，往往与真空相关联，成为真空下的低温密封; 2、动密封，一些运动零部件之间的密封; 3、低温容器的窗口密封; 4、引线密封。 以上四种密封有的仅用在低温下，有的用在低温真空下。由于低温下材料的许多物性 变化很大，如热胀冷缩、低温下变硬变脆等问题，会导致密封比压大大降低或完全消失。 为此，低温下密封结构的设计，是低温容器设计中一项特殊的工作。 2.2.5低温液体运输管道设计 真空绝热管道适用于长时间连续输送液氮、液氧、液氢和液氦等。绝热空间的真空度优于0.01Pa，内、外管径之比为2~2.8。 各类真空型输液管基本上采用套管式的结构。外管常用铜管或不锈钢，内管常用不锈钢管。每隔一定的距离，要给内管加一个支承结构。支承结构常有三角形、正方形或球形等。 真空绝热输液管的冷缩补偿非常重要，一般金属管从室温到液氮温度约收缩2.9mm，到液氦温度约收缩3mm。常用波纹管补偿温度变形，或用特别低膨胀率的材料制作。 真空绝热输液管道冷耗少，预冷量也小，是最广泛使用一种输液管。 2.2.5(1低温液体泵 低温液体泵是用来输送低温液体，并提高其压力的机械。设计中注意事项: 1、为保证零件在低温下冷收缩，其结构应对称; 2、泵的进、出口管路必须-设有冷收缩的补偿，如金属波纹管等; 3、常温区和低温区之间的连接件选用低热导率的材料制造，以减少导热损失; 4、尽可能地减少低温区工作的零部件的热容量，以减少液体的汽化损失，缩短起动时间; 5、在低温工作且有相对运动的零件，应尽可能地选择线膨胀系数相接近的材料来制造;包括零件的线膨胀系数小于或等于被包括零件的线膨胀系数，以防止冷收缩时产生卡死现象; 6、对在低温下工作的重要零件，特别是那些配合要求很严格的运动零件在进行最后一道精加工之前，必须作冷处理。冷处理温度一般应低于或等于工作温度，处理时间为1至4h; 7、为防止低温液体的气化，特别要注意泵体及进口管道的绝热。一般用珠光砂或发泡材料，对温度很低的液氢泵和液氦本则采用真空绝热; 8、密封是低温泵设计中的关键问题之一。泵的密封采用封闭式或轴封式。轴封式有 三种类型:机械密封、迷宫密封和填料函密封。对于低温液氧贮槽的低温泵，常采用机械密封。 2.2.5(2阀门 在低温液体的贮存与输送中，阀门是必可少的部件之一。本设计中所用到有低温阀、真空阀、防爆阀等。 低温阀用于气体液化与分离装置，低温液体的输送管道。在结果设计、材料选择和制作方面都有些特殊的要求: 1、为了减少阀杆的漏热，采用加长阀杆或将阀杆分成两段的方法; 2、设有防止异常升压的结构。对于弹性闸板的闸阀和进、出口端密封的固定式球阀，要在板或球的高压侧钻一孔或在阀体上装安全阀，以防积存在泵体内的低温液体突然气化而升压; 3、对于工作温度很低的阀，应该用真空绝热，以减少冷损; 4、低温阀的材料一般选用奥氏体不锈钢、铝合金或、铜合金等; 5、为了减少温度变形，应在精加工前，对影响低温密封性能的零件进行冷处理，冷处理的温度应低于或等于工作温度; 6、生产过程中应严格工艺要求进行加工，产品进行严格的检查。 第3章 低温容器的设计计算 3.1 低温容器的几何参数 3.1.1 内筒体几何尺寸计算 由[3]中表5-11选得内筒直径为Di=2600mm。 由[4]中附录B表B.1查的标准椭圆形封头内径为Di=2600mm，总深度H=690mm,直 A,7.6545边为h=40mm,内表面积mm2,体积V=2.5131。 f nf 1、内筒体筒长计算: 3 几何容积为V=V/95%=50/95%=52.63mn V,V，2V即 (3.1) nntnf ,2 (3.2) V,，D，Lntnint4 由(3.1)，(3.2)得: ，V,V4(2)nnf (3.3) L,nt2,，Dni L代入数据计算出内筒体长度为 =8.971m nt L,9000实际取内筒体长度为 mm nt 2、内筒总长计算: L,9000，2，690，2，30,10440 mm (30mm为内封头名义厚度) na 3.1.2 外筒体几何尺寸计算 取外筒内径D=3200mm。 i 2A,11.3013由[4]中表D.1查的蝶形封头总深度为H=761mm，内表面积mm， wfwf 3体积V=4.2942m，取直边h=40mm(封头)。 wf wf 1、外筒体筒长计算: L,L，1000,2H,2,,9894,mm (为外封头壁厚) wtnawfwfwf L,9900实际取外筒长为 mm wt 2、外筒体总长计算: L,L，2H，2,,11450mm wawtwfwf3.2 储罐内筒体计算 3.2.1 内筒计算厚度δnf 在设计温度-196?下筒体的计算厚度按[1]中的5-1式计算 pDcni,, (3.4) ntt2[,],,Pc t[,]式中:=137 MPa D由[1]中表4-3查得:圆筒内直径 =2600 mm ni 为焊缝系数 按[1]中取=1.0 ,, p,2.5工作压力为MPa，取,,1.1 g 设计压力计算 p,p，1.1,2.5，1.1,2.75MPa sg p,,gh,1.145，9.8，8500,0.1MPa h 取在标准状态下液氧密度为=1.145g/cm3;液氧高度取8900mm ,h计算压力计算: p,p，0.1，p,2.75，0.1，0.1,2.95 MPa csh pD2.95，2600cni,,,,28.3mm ntt2，137,2.952[,],,pc 取负偏差C=0.9mm 腐蚀余量C=0mm 12 ,,,，C，C,28.3，0.9，0,29.1内圆筒的设计厚度:mm nt,nt1nt2 ,,30名义厚度:mm ntn ,,,,C，C,30,0.9,29.1有效厚度:mm ntentnnt1nt2 3.2.2 内封头厚度计算 按受内压来算，由[5]中2-100式计算标准椭圆形封头厚度: pD2.95，2600cni,,,,28.144mm nft2，137，1.0,0.5，2.95,p2[],,0.5c tp,D,[,],,其中:，按3.2.1中取 cni ,,,，C，C,28.114，0.9，0,29.0114内封头的设计厚度:mm nf,nfnt1nt2 ,30,名义厚度:mm nfn ,,,,C,C,C,30,0.9,2,27.1有效厚度:mm nfenfnnt1nt2nf3 C(其中为封头充压厚度减薄量取2mm) nf3 3.2.3 内筒稳定性计算 1、筒体 当内筒抽空检漏时，筒体将承受外压，按P=0.1MPa，因此需要做稳定性计算: 外 11L,L，2，L,9000，2，，690,9460mm ntnf33 L9460,,3.638,5 D2600n0故筒体不需要加强圈就可以满足稳定性要求。 2、内封头稳定性计算 R,K，D,0.9，2660,2394椭圆封头的当量外直径mm n0in0 KK(由椭圆形封头长短轴比值决定的系数，标准椭圆形封头取=0.9，见[1]表7-2) ii 0.1250.125A,,,0.00141系数 R,/2394/27.1n0e由[1]中图6-7查得 MPa B,90 由[1]中式6-6计算得: B90P[],,,1.02,0.1MPa R,/2394/27.10e故内封头满足稳定性要求。 3.3 储罐外筒体计算 3.3.1 外筒体稳定性计算 外筒为受外压0.1MPa的外压容器，因此需要做稳定性计算。 ,,10假设mm wt C,0.8C,1则取mm mm w1w2 ,,,,C,C,10,0.8,1,8.1圆筒的有效厚度 mm wewnw1w2圆筒的计算长度 =1650mm (应取圆筒上两支撑线的距离的最大值) L 材料选用Q345R，取6个加强圈 D,D，2,,3200，2，10,3220外圆筒的外直径mm w0wiwt L1650,,0.5124则由图查法 D3220w0 D32200w,,397.53 ,8.1wte 由[1]中图6-2查得 A,0.003由[1]中图6-5查得 MPa B,42.5 由[1]中式6-1计算得: B42.5[P],,,0.107,0.1MPa D,/3220/8.1w0wte所以外筒体壁厚满足稳定性要求。 3.3.2 外封头稳定性计算 ,,12C,1.3C假设mm，材料选用Q345R，mm(其中为厚度减薄量) wfwf3wf3 外封头有效厚度: ,,,,C,C,C,12,0.8,1,1.3,8.9mm wfewfnwt1wt2wf3 R,R,1.0D,3200蝶形封头的当量外直径 wf0wfiwi 0.1250.125A,,,0.000348则由 (3.5) R,/3200/8.9wf0wfe 由[1]中式图6-5查得 MPa B,48 由[1]中式6-6计算得: B48[],,,0.122,0.1PMPa ,R/3200/8.1wf0wfe所以外封头满足稳定性要求。 3.3.3 外筒体强度校核 设计温度下最大许用工作压力 t,,2[],wte (3.6) p,wD，,wiwte t[,]其中:=113MPa为Q345在常温下许用应力 为外筒体焊缝系数 =0.8 ,, 代入数据得: t,,2[],2，8.1，113，0.8wtepMPa ,,,0.456,0.2wD,，3200，8.1wiwte 它大于气密性试验时压力0.2MPa，故满足强度要求。 3.3.4 外筒体加强圈计算 加强圈与圆筒的焊接可采用连续或间断的焊接方法，当采用外加强圈时，加强圈每侧 间接焊接的总长应不小于圆筒外周长度的1/2。外筒加强圈与筒体有效组合截面如图4.3 所示。 3 2 1 图3.1 外筒加强圈与筒体有效组合截面图 由[1] P查得: 27 加强圈中心线两侧有效宽度b mm b,0.55D，,,0.553220，8.1,88.82w0wte A,2，b，,,2，88.82，8.1,1438.884面积mm 1wte A,,，L,8.1，80,648面积mm 2wte1 A,,，L,8.1，80,648面积mm 3wte2 2A,A，A,648，648,1296加强圈的横截面:mm s23 由[5]中表5-1查得，各横截面对其本身的形心惯矩: 13Ibh, (3.7) z12 332b,2，88.82，8.14wte,,,7867.9827I mm 11212 33,，L8.1，804wte1I,,,345600mm. 21212 33L，,80，8.14wte2,,,3542.94Imm 31212a为筒壁中心到组合截面形心轴的距离 a值计算如下: AyAhAh，，，648，44.05，648，88.1,ic2132mm a,,,,31.311AAAA，，1438.884，648，648123 外筒体 a 图3.2 形心具体位置示意图 h,,/2，h/2,8.1/2，80/2,44.05其中:mm 1wte h,,，h,8.1，80,88.1mm 2wte 由[6]中平移轴公式可得: 2I,I，aA xx0 222I,I，A，a，I，A，(h,a)，I，A，(h,a)11221332a 22,7867.9827，1438.884，31.311，345600，648，(44.05,31.311) 2，3542.94，648，(88.1,31.311) 64,3.962，10mm 加强圈所需要惯性矩计算 L,1650mm s 由[1]中的6-8式计算B值: pD0.1，3220cw0B,,,36.24MPa ,AL，/8.1，(1296/1650)wtess 由[1]中图6-4查得: A,0.000125 由[1]中式6-10计算加强圈与圆筒组合段所需惯性矩: 2DL(，A/L),0wswtessI,A10.9 23220，1650(8.1，1296/1650),，0.000125 10.9 664,1.743，10,I,3.962，10mma故设计的加强圈满足外罐的稳定性要求。 3.4 支撑结构计算 3.4.1 内筒体重量计算 由[4]附录B中，查表B.2得标准椭圆形封头质量: M,1793.5，2,3587kg nf 1、空重时内筒体重量 -9M,3.14，D，L，,，,,3.14，2600，9000，7850，30/10,17300kg ntnintnt 3 其中 ,,7850kg/m 2、满重时筒体总重量: M,,，V,1145，50,57250液氧重量:kg yy 3,,1.145其中 g/cm; y M,1.1，(W，W),1.1，(3587，17300),22980kg nntnf (其中 1.1为附加系数，计算时应考虑内筒的附件重量) M,M，M,57250，22980,80230kg yn 5G,M，g,80230，9.8,7.863，10 N t 2其中 为重力加速度，=9.8m/s; gg3.4.2 吊带截面的选取 设吊带截面为A 1 G7863002tA,,,0.001929,1929mm 1t6,,n,[]cos137，10，3，cos2.311 式中:n-吊带数量为3 1 ,-吊带与筒体轴线间的夹角 1 2 A,2000实取mm1 3.4.3 包带截面的选取 A设包带截面积为 2 ，2Mg22980，2gn,,,0.001647,1647Amm2 2t6,,,[]cos137，10，2，cos3.4n22 A,1700实取mm2 2 M,22980,说明:kg ,且如以代替[,]，其计算值将远小于实选值，因此包带仍安ns全可靠。 3.4.4 运输时竖置方向受力计算 卧式运输时，竖置方向的力由拉带和底部支撑承受，这里只计算竖置向下的力，且取 2.5M内槽最大净重的。 n 2.5Mg(a/2，200)2.5，22980，9.8(10440/2，200)nF,,,207900N ln(a,b，200)2(10440,3300，200) F,2.5Mg,nF,2.5，22980，9.8,2，207900,147200N znl 式中:n=2为拉带数。 拉带的应力为 F147200tl,,,,184 ,[,],137 MPa l-4A8，10l 2AA式中:为单根拉带承受运输重力的拉带截面积(=800mm) ll故拉带安全可靠。 3.4.5 内外筒支撑管的计算 取φ260×10的支撑管 受力分析，由力学平衡得: G,AF tzz 5,38tF,G/A,7.863，10/7.85，10,1.002，10,100.2[,]MPa <=137MPa ztz 故支撑管符合要求。 a200 b 包带Fl α2 拉带 α1吊带 2.5Gt wn 图 3.3 3.5 超压泄放装置计算 3.5.1 安全阀计算 由[1]附录B中查得安全阀安全泄放量为: 0.82,tA2.61(650,)rW (3.8) ,s,q 为泄放压力下介质的饱和温度? t KJ/m?h??为常温下绝热材料的导热系数KJ/m?h??;按照,,0.1152 (JB/T6897-2000)选取; A为容器受热面积 r 2A,3.14Dh,3.14，3220，10300,104.1立式容积 m rw01 D其中:为外罐外径 W0 hh,10300为液位高度，mm 11 为容器保温层厚度，m ,,,0.3 为在泄放压力下液体的汽化潜热kJ/kg q 取安全阀的开启压力为: p,1.05p,1.05，2.5,2.625MPa zg p,1.05，Pz,1.05，2.625，0.1,2.883安全阀泄放压力MPa d 由[7]查得在泄放压力下液氧的温度为139K，汽化潜热为125kJ/kg 则液氧的泄放量为: 0.820.82,2.61(650,t)A2.61(650，134)，0.1152，104.1r kg/h W,,,284.326sy,q0.3，125由[7]查得在泄放压力下液氮的温度为121K，汽化潜热为90.42kJ/kg 则液氮的泄放量为: 0.820.82,2.61(650,t)A2.61(650，152)，0.1152，104.1r kg/h W,,,402.088sd,q0.3，90.42由[7]查得在泄放压力下液氩的温度为137K，汽化潜热为85.127kJ/kg 则液氩的泄放量为: 0.820.82,2.61(650,t)A2.61(650，136)，0.1152，104.1r kg/h W,,,418.568sa,q0.3，85.127由[1]附录B中查得计算安全阀排放面积为: W284.326syA,, y,2,27.6，10CKPM/ZT7.6，10，315，0.65，2.883，32/117d 2=12.119mm 式中:=0.65为安全阀额定泄放系数(全启式安全阀) K =315为气体特征系数 C 为气体绝热指数为 k,1 为气体摩尔质量kg/kmol M M,32M,39.94M,28.02由[7]中查得,, yad 为气体压缩系数 Z,1 K为防爆装置进口侧的气体温度 T,117 同理可得: 2A,18.315mm d 2A,15.969mm y 采用全启式安全阀，则安全阀喉部直径必须满足: 2 A,0.78dty A12.119y22 ,,,15.537d mmt0.780.78 d,3.942 mm t 实际采用DN25安全阀，故满足要求。 3.5.2 爆破片计算 W,418.568取最大的泄放量kg/h sa W284.326syA,, y1,2M7.6，10，315，0.62，2.8，32/117,2CKP7.6，10'bZT =13.082mm P式中:为爆破片爆破设计压力MPa b P,1.1P，0.05,2.8MPa bg 为爆破片的额定泄放系数 K',0.62 同理可得: 2A,19.77mm 1d 2A,17.238mm 1a 2A,13.082取最小面积mm 1y 采用全启式安全阀，则爆破片最小排放直径: A13.0821y mm 1,,,4.082d0.7850.785 故设计取通径DN25符合要求。 第4章 低温容器的热设计 低温容器的绝热性能时判定其质量的最主要指标之一，为了有效地进行低温容器的热设计，应从绝热结构的绝热性能、经济性、坚固性、容积、重量及施工方便等多种因素综合考虑。 4.1 绝热结构中的热桥设计 4.1.1 热桥 外界进入低温容器的热流，除通过绝热体外，还有一部分通过绝热空间的连接件，如管道、吊带、包带、拉带、支承、引线等物体的传导，这些物体被称为热桥。 通过热桥的热流量，在高效绝热中可达30%~50%，因此一定设法减少这部分热流量。 4.1.2 减少热桥导热的措施 1、选用导热系数小、强度高的材料，即具有较大的[σ]/λ比值的材料作为热桥([σ]为材料的许用应力，λ为该材料在使用温区的平均热导率); 2、在可能的范围内，增加管道长度，减少管壁厚度; 3、尽可能采用热阻大的支承结构; 4、采用接触、链接触和点接触等结构，减少接触面积、增加接触热阻; 5、用液氮或冷蒸汽冷却热桥，减少传热温差。 4.2 热计算 4.2.1 漏热计算 3有效容积m，绝热层厚度m V,50,,0.3 ,,0.00178珠光砂导热系数W/(m??) 1 ,,12.3不锈钢材料的平均热导率W/(m??) 2 夹层真空度Pa，管材 0Cr18Ni9 p,1 Q1、通过绝热层的漏热量 j 由[3]中查得 4-16式: Q,,，F，,T/, (4.1) j1m 2F式中:为计算的传热面积 m m F,(F,F)/Ln(F/F) m1212F为绝热外层表面积 1 F为绝热内层表面积 2 为温差 ,T,20,(,183),203? ,T F,,DL，2A,3.14，2.6，9，2，7.6545,88.785mm2 1intnf F,,DL，2A,3.14，3.2，9.9，2，11.3013,122.078mm2 2wiwtwf F,(F,F)/ln(F/F),(88.785,122.078)/ln(88.785/122.078) m1212 2=104.549 m Q,,，F，,T/,,0.00178，104.549，203/0.3,125.926 W j1m Q2、通过管材漏热量 g QL,10.5(1)为液位计气相管(取m)的导热量 g11由[3]中查得4-19 式: ,4W Q,,，F，,T/L,12.3，0.628，10，203/10.5,0.015gm1211 22222,4m F,,(d,d)/4,3.14，(12,8)/4,0.628，10mwi1 同理可得: QL,1.2(2)为液位计液相管(取m)的导热量 g22 Q,0.131W g2 2,4F,0.628，10截面积为m m2 QL,11.5(3)为气体管(取m)的导热量 g33Q,0.099W g3 2,4F,4.561，10截面积为m m3 QL,11.5(4)为测满管(取m)的导热量 g43Q,0.031W g4 2,4F,1.413，10截面积为m m3 QL,11.5(5)为顶部进液管(取m)的导热量 g53 Q,0.099W g5 2,4F,4.561，10截面积为m m5 QL,1.2(6)为液体进出管(取m)的导热量 g66 Q,0.949W g6 ,42F,4.561，10截面积为m m6 QL,1.2(7)为排液管(取m)的导热量 g73Q,0.949W g7 ,42F,4.561，10截面积为m 7 QL,1.2(8)为增压管(取m)的导热量 g88Q,0.34W g8 ,42F,1.633，10截面积为 m m8 (9)管子的总漏热 Q,Q，Q，2，Q，Q，Q，Q，Q，Q gg1g2g3g4g5g6g7g8 =0.015+0.131+2×0.099+0.031+0.949+0.949+0.34 =1.857W 管材规格见表2 序名称 长度Li 管径 截面积 漏热量 3号 (m) (mm) (m) (W) -41 10.5 0.015 液位计上管 φ12×2 0.628×10 -42 1.2 0.131 液位计下管 φ12×2 0.628×10 -43 11.5 0.099 气体管 φ45×3.5 4.561×10 -44 11.5 0.031 侧满管 φ18×3 1.413×10 -45 11.5 0.099 顶部进液管 φ45×3.5 4.561×10 -46 1.2 0.949 液体进出管 φ45×3.5 4.561×10 -47 1.2 0.949 排液管 φ45×3.5 4.561×10 -48 1.2 0.38 增压管 φ28×2 1.633×10 Qz3、 通过支持构件的漏热量 Q(1) 包带的漏热量 b 由[3]中式4-16得: ,3A12.3，1.7，10，203,22W Q,n,T,2，,1.665bL5.1b L,,/sin(,),0.3/sin(3.4:),5.1其中:m b2 Q(2) 吊带的漏热量 d ,3A12.3，2，10，203,21W Q,n,T,3，,1.998dL7.5d L,,/sin(,),0.3/sin(2.3:),7.5其中:m d1 Q(4) 拉带的漏热量 l ,3A12.3，0.8，10，203,a2W Q,n,T,8，,9.988dL1.6d Q(5) 内外筒支座的漏热 z ,3A12.3，7.85，10，203,z1W Q,,T,,65.336tL0.3z 3.14,22222,3其中:m Az,(d,d),(0.26,0.24),7.85，10i044 Q,Q，Q，Q，Q,1.998，1.665，9.988，65.336,78.987故W zdblt 4、总漏热量 Q,Q，Q，Q,125.962，1.857，78.987,206.806W jgz 各部分漏热量见下表4.1 表4.1 名称 漏热量(W) 占总漏热比例% 125.926 60.9 粉末绝热层 1.665 0.8051 包带 1.998 0.9661 吊带 9.988 4.8 拉带 65.336 31.6 支座筒 1.857 0.906 管路 206.806 100 总计 4.2.2 蒸发率计算 由毕业设计指导书中日蒸发率计算公式得 Q，24，3600,, ,，V，, 其中:为总漏热量 Q 由[7]中表4-34查得液氧的汽化潜热kJ/kg ,,213.24 3由[7]中查得液氧的密度为kg/ m ,,1141.17 3储罐有效容积 =50 m V Q，24，3600206.806，24，3600,,,,0.1469%,0.23%则 ,V,，，213.24，1000，50，1141.17其中0.23%是由[8]中表2查得; 液氧的蒸发率小于设计指标，所以液氧的蒸发率满足设计要求。 4.2.3 夹层静态漏放气速率计算 按[9]JB/T 9072-1999 4.6.1计算 (P,P)V,21Q, t 式中 Q-静态漏率，Pa?m3/s; p=1.5Pa -静态试验结束时的真空度，Pa; 2 p=1Pa -静态试验开始时的真空度，Pa; 1 3V-夹层的几何容积，m; t-试验时间，s。 3V,V，2V,79.58，2，4.2942,88.168 m wtf ,32V,，3.2，9.9,79.58 m t4 3V,4.2942 m (见[4]中表D.1) f 35V,V,V,88.168,52.632,35.536即 m，t,7，24，3600,6.048，10 s wn (1.5,1)，35.536，0.63-53,5Q,,1.763，10故 Pa?m/s ?6×10 Pa?m/s (见[8]表4) 56.048，10 第5章 自增压系统设计与管路损失 5.1自增压计算 5.1.1 设计参数 m-单位时间内被气化的液体量，kg/s a t,t,20液氧汽化器:环境气体温度? w1w2 t,,183液氧温度:? o1 t20?20? ttw1w2 t02 t03 t01 0过冷段过热段蒸发段 图5-1 液体温度随传热面积变化示意图 t,0t,153气体状态液氧出口温度 ?，? o203 m,3456汽化器供气量 kg/h 0 55p,1，10p,25，10Pa，K,Pa T,1200 3,,1142.1Pt由[7]查得 在、下kg/m l001 3,,39.308t在、下kg/m pg02 自增压耗液量计算: ,/m3456/39.308g0kg/h ,,,3.134ma,,/,1973.9/39.308,1lg 5.1.2 过冷段计算 ,t1、对数平均温差为: m ,t',,t'',t, mIn(,t'/,t'') ,t',t,t,20，183,203其中:? w101 ,t'',t,t,20，153,173? w103 203,173,t,,187.6则:? mIn(203/173) ,2、管内液氧放热系数为 0由[6]中在过冷段液氧物性参数如下: ,153,183c,0.933,,1063.8在?下kg/m3，定压比热容kJ/(kg?K)，,,168p12 W/(m?K) ,,0.0104 ,6,,8.1184，10管内温度下流体粘度Pa?s ,6,,11.543，10管壁温度下流体粘度Pa?s w m,3.134质量流量kg/h a d,0.024管内直径为m i 汽化器翅片个数为 n,8 ,22 2S,dn,3.14，0.024，8/4,0.003617总截面积mi14 m3.134av,,,0.0002262管内流速m/s 1,S3600，1063.8，0.00361711 ,0.024，0.0002262，1063.8dv11iRe,,,711.36 ,6,8.1184，10 3,6,c0.933，10，8.1184，10pPr,,,0.728 ,0.0104 流动为层流，由[10]中 5-34公式得: 0.50.330.40.50.330.4N,0.24，RePr(,/,),0.24，711.36，0.728，(8.1184/11.543) uw =5.007 ,0.0104,N,，5.007,2.7W/m2?K ,0ud0.024i ,3、管外空气对流换热系数为: w(,153，20)在?下，由[6]空气的物性查得: ,,66.52 ,6c,29.159,,13.73，10kJ/(kg?K);W/(m?K);Pa?s; ,,0.01933p 3,,1.654kg/ m 1-1,3空气的 K ,,,5.22，10273,81.5 ,6,6,,,/,,13.73，10/1.654,8.301，10 假设单根翅片管长为H=2m 3,6,c29.159，10，13.73，10pPr,,,20.711 ,0.01933 ,333,g,t'H5.22，10，9.8，203，211,,,12.06，10Gr ,262,(8.301，10) 13Pr，Gr,2.498，10 由[10]查表5-6可得:C=0.1 n=1/3` 0.0104,n111/3,C(Gr，Pr),0.1，，(12.06，10，20.711) ,wH2 2=15.201 W/m?K 4、管的热阻 管的导热系数:W/m?K 管的壁厚 m ,,17,,0.002 ,0.002m2??/W ,,0.0001176,17 5、污垢热阻 查[10]中表5-2得: R,0.000415m2??/W f 6、传热系数的计算 11K,, 11/2.7，0.0001176，0.000415，1/15.201，0.113,,,1/，/，R，(A/A)f012,w=2.636 A,,dL其中 m h=0.043m (翅片高度) d,0.0281 A,,dL，2Lh，n,,dL，16Lh 2 ,,AdLd3.14，0.02811,,,,0.113 ,,AdL，16Lhd，16h3.14，0.028，16，0.0432 7、过冷段管长的计算 Q,mc(t,t),3.134，0.933，30,87.821 kg/h=24.395J/s gap0301 由翅片管导热公式可得: A,t1mQ,KA,t, g11,/，,/,，R，1/,(A/A)0fw12 Q24.395gL,,故 1K,t,2d2.636，187.6，2，0.024m 即L=1.028m 1 5.1.3 蒸发段计算 由[7]中表4-34查得: 在-153?下，液氧汽化潜热 kJ/kg ,,173.66Q,m,,3.134，173.66,544.25KJ/h za 1、温差的计算 ? ,t,0,(,153),153 ,2、管内放热系数为: 0 0.70.45,m,,0.51q(L/d)h 0 其中:为热负荷 q Q544.252z KJ/m?h q,,,7222,dL3.14，0.024，1 2 =1725 kcal/m?h (1KJ=0.2389kcal) 其中 假设蒸发段管长为m 蒸发段管长 L,1 d,0.02管内径为4 m i 视观高度为m h,0.5 系数取 m,0.1 0.70.45,0.1,,0.51，1725，(1/0.024)0.5,539.921kJ/m2?s?? 0 4、传热系数的计算 1 K,1,,,1/，/，R，(A/A)0f12,w 1, 1/539.92，0.0001176，0.000415，1/15.201，0.113 =91.938 5、蒸发段管长计算: 由翅片管导热公式可得: A,t1Q,KA,t, z11,/，,/,，R，1/,(A/A)0fw12 Q544.25z故L0.806m ,,,2Ktd,,291.938，153，2，0.024 5.1.4 过热段计算 ,t1、对数平均温差为: m ,t',,t'',t, mIn(,t'/,t'') ,t',t,t,20,(,153),173其中:? w103 ,t'',t,t,20,0,20? w102 173,20,t,,70.45则:? mIn(173/20) ,2、管内液氧放热系数为: 0 由[7]中查得 液氧物性参数如下: (,183，20)在温度为? ,,81.52 ,6c,0.964,,13.45，10 kJ/(kg?K) W/m?K Pa?s ,,0.0175p 3,,1.429kg/m ,6,,14.426，10管壁温度下流体粘度Pa?s w 管内流速由连续方程得: ,1063.81v,v,0.0002262，,0.168m/s 1,1.429 ,0.024，0.168，1.429dviRe,,,428.380 ,6,13.45，10 3,6,c0.964，10，13.45，10pPr,,,0.741 ,0.0175 d1/31/31/30.14,1.86，RePr()(/),,,0wL 0.0241/31/31/30.14,1.86，428.38，0.741，()，(13.45/14.426)1 2=3.624 kJ/m?s?? 3、传热系数的计算 1 K,1,,,1/，/，R，(A/A)0f12,w 1, 1/3.624，0.0001176，0.000415，1/15.201，0.113 =3.509 4、过热段管长计算 Q,mc(t,t),3.134，0.964，153,462.64kJ/h =128.4J/h z0p0203 Q,KA,t由得 z1m Q128.4rL,,,10.821m 3K,t,2d3.509，70.45，2，0.024m 5.1.5 增压气化器实际翅片管长计算 L,L，L，L,1.028，0.806，10.821,12.665m 123 考虑实际因素，故实际取总管长24m 前面已假定单根翅片管长H=2m，故需要12根翅片管并联而成才能满足要求。 5.2 管路流阻损失计算 当液体由筒体内部经管路排出时，由于流动的流体中存在相对速度，因此，必然产生切应力，形成阻碍流体运动的力，要维持流动就必须克服阻力，从而消耗一部分机械能，使其不可逆的转化为热能，因此我们有必要去分析流体的流阻损失。 m,3456d,24由设计知:kg/h m mm L,240i 查[7]中液氧物性系数知: 3,6,,196.85，10kg/m Pa?s ,,1142.1 m3456,430,,,8.406，10q m/s v,36003600，1142.1 4,q44，8.06，10vm/s v,,,1.783223.14，0.024,di ,6,196.85，10,7,,,,1.724，10流体的动力粘度m/s ,1142.1 vd1.783，0.0245Re,,,2.482，10 > 2000 属絮流 ,7,1.724，10 由[11]查得: mm ,,0.008假设 ,,0.015 由[11]中6-42公式得: 32.832.8，24d,,,,0.026 mm 05,Re2.482，100.022,0.008,,0.0308< 0.4 ，属光滑管区 ,0.0260 按[11]中6-54公式计算: ,1,2lg(Re,),0.8 , 用Mathcad软件，解得: ，与假设一致 ,,0.015 沿程阻力损失: 22Lv241.783h,,,,0.015，，,2.433 m fd2g0.0242，9.8 局部阻力损失: 2vh,, ,m2g h，见表4.3 其中局部阻力系数,m 表 4.3 阻力系数ξ 阻力损失h m 0.09 0.086 出口处 5.679 直角弯头3个 3×1.98 2.486 局部 分支管2个 2×1.3 0.05 0.048 阻力 阀门1个 0.1 0.096 过渡接头 0.81 0.774 入口渐扩管 9.59 9.17 总和 总的流阻损失: h,h，h,2.433，9.17,11.603 m wmf 第6章 容器制造工艺要求 设计与工艺师相互关联的，设计的产品需要一次的工艺方法制造出来，产品的设计性能有时也需要通过工艺性能来实现。 钢制低温容器的制造和验收，可以参照JB741-80《碳钢及不锈钢焊纸容器技术条件》，并也特别注意热影响区的韧性变化及焊缝的焊透情况。严禁在焊接母材上任意打孔或在容器及其受力附件上打钢印。厚壁低温容器(mm)及结构复杂的组件应尽可能进行,,16 消除热应力的热处理。 6.1 工艺流程 低温容器的工艺流程一般可以用下面图框来表示: 封头落地筒体落地 检漏 冲压初卷 内胆总成 点焊整形漏 内胆检漏 割边滚卷补焊清洗厚薄焊接壁壁冷冲击厚壁填充绝热材料热处理滚圆 检漏烘烤 不漏抛光外壳组装 清洗检漏 出厂抽空封头上附件焊接 封结试验冷冲击 6.2 低温容器的焊接 低温容器的焊接是影响产品质量的关键工艺。焊接质量的高低与焊缝结构的设计及其 焊接工艺有关。常用的低温容器用材是不锈钢、铝及其合金、紫铜等。相同材料之间的焊接一般采用氩弧焊(也有用氦弧焊、等离子焊等)，异种材料之间的焊接采用钎焊。钎焊中又分真空钎焊、高频钎焊及气体保护焊几种。 6.2.1 焊接的表面处理 1、影响焊接质量的污染物 影响真空器件焊接质量的污染物有下列几种: (1)水分;(2)油脂;(3)表面氧化物;(4)酸碱盐等物质;(5)空气中的尘埃及其 它有机物等。 2、表面处理方法 (1)机械处理:抛光、退火处理等; (2)化学处理:熔剂去油、碱液去油、电化学清洗与抛光。 6.2.2 常用材料的几种焊接规范 1、常用材料的氩弧焊 低温容器的制造中，常遇到不锈钢-不锈钢、铜-铜、铝-铝、不锈钢-合金、不锈钢-无氧铜等的焊接。不锈钢-铜、合金-铜在施行氩弧焊时，应使铜高出焊缝一定的高度，使电弧偏向铜一方， 电弧烧偏向到合金，这样可以得到良好的气密性。 2、不同材料的钎焊 (1)不同钎焊的合理间隙 焊缝间隙的大小，根据钎焊焊接形式、焊件材料、形状、焊材及加热方法等因素而定。 (2)零件退火 零件退火主要是为了消除内应力、清除表面氧化层和内部易挥发的杂质及气体，以保证良好的真空性能。 3、常用材料的钎焊 钎焊规范为升温速度、钎焊温度、钎焊保温时间及降温速度等。升温速率:取决于基本材料的性能、零件的大小与形状。导热系数低，大而复杂的零件应升温慢，并尽可能使 各处温度均匀。 钎焊温度:取决于焊接的熔点及其流动性、一般比焊材的熔点高20~100?。选择适当的保温时间，可以使焊材充满缝隙，并使焊材与基体金属相互溶解、扩散形成合金，一般为几秒至几分钟之间。钎焊温度高，保温时间可减少。 (1)不锈钢的钎焊 常用的1Cr18Ni9Ti不锈钢，可选用银基、金基焊材。钎焊前最好表面镀镍(或铜)，以提高浸润性，并防止生成氧化皮。用银铜钯合金作焊材时，不锈钢表面可不进行电镀，在氢炉或真空炉中钎焊效果更好。 (2)铜及铜合金的钎焊 无氧铜钎焊在真空炉或氢炉中进行，焊料用Ag100、AgCu10、AgCu28。铜与铜合金在电镀银或金后，钎焊性能更好。 (3)钛合金的钎焊 -3常用焊材为镍、铜、钛镍、等。焊接需要在压强低温于1.33×10Pa的真空炉中进行，不能在氢炉中进行，因为产生氢化钛。 6.2.3 绝热结构的施工 绝热结构的施工也是低温容器制造中的关键环节。它包括:绝热材料的预处理、吸气剂的装入、绝热材料的施工及包裹保护层等工序。 真空-粉末绝热结构: 1、 由于内胆的热胀冷缩，粉末不断下沉并压实，这样势必使容器的绝热性能降低。为防止这种情况，可在内能外面包一层有弹性的物体(玻璃纤维扥疏松的绝热材料); 2、粉末材料大多是多孔性材料，非常容易吸湿，因此，必须进行干燥处理; 3、粉末绝热层中气体流动阻力大，为了便于抽空，可在粉末中埋抽空管; 4、抽空管的出口出口处应装上滤网，防止粉末吸入真空系统，损坏真空设备; 5、在抽空条件比较差情况下，也可以在绝热空间填充在工作温度下能冷凝或凝固的气体(如C0、CCl)，使容器在盛满低温液体以后，绝热空间的气体能被冷凝或凝固，24 达到粉末真空绝热的效果。 第7章 低温容器的使用说明 7.1 预冷 7.1.1 预冷过程 容器内部从环境温度冷却到能够积集液体的过程成为预冷过程。在预冷过程中，为使内胆、支承件、绝热层等冷却，要气化掉一定量的液体，而且只有经过一定的时间，才能使其达到热平衡状态。 预冷过程中最主要的是估算冷却时间和需要的预冷量。冷却时间和实际的预冷量与输液工况、输液管结构、被冷件的热容量、初始条件、漏热量等因素有关。 7.1.2 预冷方式 步骤如下: 1、接通贮罐或液化器，打开排气阀、缓缓开启输液阀，以少量液体经管的气化以后进入容器，冲洗及置换容器中的气体; 2、渐渐开大输液阀预冷容器。观察排气的型态，如果发现气流突然下跌或减少，表面内部已经开始积液; 3、再适当开大输液阀进行充液。 7.2 充液 7.2.1充液的准备工作 1、容器及管路系统的气密性检查 气密性的检测可用压力检测法或抽空检测法。压力检测法是在容器和管路内充入 一定压力的气体。其实验压力应低于安全阀的起跳压力。观察压力的稳定情况。 2、容器与系统的吹除与置换 吹除与置换的目的，是要排尽容器内部可能在工作温度下被冻结的气体或是有害 气体。 7.2.2 输液管的结构 1、几种有利于气液分离，减少输送损失的结构 (1)带喷头的输液管 图7.1给出了带喷头的输液管结构，用于从液化器向外部容器输送液氧，能使液氧的 耗损减少30%。输液管直径为8mm、喷头长度为50mm、喷头直径为10mm，有30 个直径为1mm的小孔。 (2)端部开些孔的输液管 (3)图7.2输液管的结构。端部开3~4孔，孔德流通截面积为输液管截面积的两倍以上，这种结构可以减少冲液，气液喷出以后分离。 7.2.3 液氧的充填 用真空泵吧容器抽真空，用N2置换出空气，然后再填充液氧。贮存对不同的贮存介质，要选择不同的贮存容器。即使是同一种介质，用于不同的目的时，也要选择不同的贮存容器。 液氧贮存必须注意下列几个方面: 1、要用专门的容器，不可用一般的容器替代。专用容器的所有阀门的气密性必须很好。 2、充液前要严格抽空与冲洗，直到排气中杂气含量低于规定值方可充液。 3、贮存过程中，容器内必须保证在正压状态，防止杂气漏入。 4、与容器连接的管道，在进行充液及排气前，要进行清洗及置换，以保证贮存介质的纯度。 在一定深度的容器，其蒸发式在液体表面进行的，而底部的液体呈过热状态。当热量积累到一定数量后，稍遇外界的诱发，就会引起突然沸腾的现象。要消除这一现象，一是严防产生沸腾中心的固体颗粒掉入;二是采用化学或物理方法，使容器底部预先产生晶核，将热量释放出来。 7.3 液面测量 低温容器在充填、贮存、排放过程中，均希望能知道液面的高低。液面的测量师低温容器使用中最主要的测试项目，本 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 采用压差式液面计。 根据低温液体和气体的密度不同，测量液位高度产生的静压力，通过静压力的大小来指示液面高度。压差式液面计(又称汉普逊液面计)的结构如图7.4所示。 P0 h' hρ 'ρ 图 7.4 ,h,,'h'根据 ,'h,h',kh'则 , 3式中:-分别为低温液体和指示液体的密度(g/c m); 、',, -分别为低温液体和指示液体的高度(cm); h、h' 为提高精度，可使用密度小的液体作为指示液。把贮液泡做得大一些，指示管做成倾斜式的，也可以提高测量精度。 7.4 安全技术 低温工作的安全问题是非常重要的，在实际工作中应严格注意安全，防止下列事故发生: 1、任何一种低温流体(特别是低温液体)，如果和皮肤直接接触，就有可能被冻伤。如果皮肤与很冷的固体表面接触，两者很快会粘结在一起，若强行撕开时，甚至可能把皮肤撕下来。因此在处理各种低温液体时，都应戴好手套，同时还需防止低温液体的飞溅及大量外流。在一旦被冻伤的情况下，应尽快对冻伤部位进入温水浴中(40~46?)，并尽快送医院。 2、低温操作中如果发生燃烧与爆炸，它的破坏性是很大的。产生火灾和爆炸应具备三个条件:可燃物、氧化剂、火源。 实际工作中应根据使用的低温液体的种类，制定相应的安全措施，有些国家专门制定低温安全手册，在进行低温工程方面的设计、研究、实验或生产时，均可供参考。 7.5 应急措施 一旦发生事故，应立即切断液氧及氧气的来源，起动灭火装置，如果氧气无法切断，火势蔓延时，可以用消防水龙头喷水控制火势的蔓延，以保护重要物体。但应注意放水不能直接对准液氧漏出处喷射，因为水会加速液氧的气化，使火焰更大。 第8章 性能及安全性评价 本设计中在储罐的管路上设置了内筒体及管路安全阀装置。内筒体的安全装置为两个安全阀并联，并由三通阀切换，当罐内压力超过2.65MPa时，安全阀自动开启，使内筒体泄压，以确保设备和人生安全。外筒体上设有防爆装置SV4，当内筒体由于意外产生泄漏，造成真空夹套压力上升到超过许用值时，防爆装置起跳，迅速泄压，由于液氧储罐的工作介质为易燃易爆的液化气体，极易形成爆鸣气团，因此为防止火焰进入管路，在气体放空处加了阻火器FA就能有效地阻止火焰进入管道，同时压力表、调节阀、测满阀等元件的设置，都有效地提高了储罐的安全性。其中压力表能指示出内筒的压力状态。测满阀为由于充装液体时充入量过多而起了后勤保障作用。 另外，须注意的是在初次储液时应对储罐和管路系统进行排气处理，以免造成气体等。 结 语 毕业设计作为毕业前一次系统的训练，使我们解决实际问题的能力有了更进一步的提高，为今后打下一个良好的基础。 在本次设计中，通过资料、文献的收集和阅读，英文资料的翻译，设计计算和图纸绘制，程序编制等过程的操作对我们收集查阅资料的能力有了很大的提高，同时由于英文资料的翻译，提高了而我们的外语水平，并且增强了我们学习外文的兴趣，通过图纸的绘制，提高了我们的绘图能力。通过CAD绘图的操作，使我们对绘图软件的操作有了更深刻的了解，程序的编制使我对C语言又进行了复习，加深了对它的语法规则的理解，同样地熟练了它的基本操作，这一切都对我们以后的学习提供了宝贵的经验。 同样，在本次设计过程中我们也发现了自己的诸多不足，例如对基础学科的知识掌握不够，不能充分的利用现有资源等，这一切，我都会在以后的学习和工作中注意改正，尽自己最大努力提高自己各方面的能力。 参考文献 [1] GB150-1998.钢制压力容器[S]. [2] TSGR004-2009.固定式压力容器安全技术监察规程[M]. [3] GB18442-2001.固定式真空绝热深冷压力容器. [4] JB/T4746-2002.钢制压力容器用封头[M].云南:云南科技出版社，2003. [5] 王志文，蔡仁良.化工容器设计[M].北京:化学工业出版社，2005. [6] 北京科技大学，东北大学编.工程力学[M].北京:高等教育出版社，1997. [7] 陈国邦，包瑞，黄永华.低温工程技术(数据卷)[M].北京:北京工业出版社，2005. [8] 徐烈，方荣生，马庆芳等.低温容器-设计、制造与使用[M].北京:机械工业出版 社，1987. [9] 王贵仁，陈叔平，张春燕，等.低温容器的漏热分析与试验研究[J].兰州理工大学 学报，2007,36(5):20-22. [10] 谭天恩，窦梅，周明华 等编著.化工原理 上册 三年级上册必备古诗语文八年级上册教案下载人教社三年级上册数学 pdf四年级上册口算下载三年级数学教材上册pdf [M].北京:化学工业出版社2006.4. [11] 李仁年，陆羽觉.工程流体力学[M].北京:机械工业出版社，2003. [12] 陈叔平，安彭军，刘振全等.立式高真空多层绝热液化天然气(LNG)贮罐的研 制[J].甘肃工业大学学报，2003,29(2):62-64. [13] 陈叔平.低温贮罐自增压气化器的设计计算[J].深冷技术，1996,176(4):19~22. [14] 中国机械工程学会焊接学会 焊接手册-焊接结构[M].北京:机械工业出版社， 1992. [15] 谭天恩，麦本熙，丁慧华.化工原理上册.北京:化学工业出版社，2003. [16] 达道安，邱家稳.真空设计手册[M].北京:国防工业出版社，2004. [17] 王启义.中国机械设计大典[M].南昌:江西科学技术出版是，2002. [18] 北京科技大学，东北大学编.工程力学[M].北京:高等教育出版社，1997. [19] Heydenreich R. Cryotanks in Future Vehicles. Cryogenics, 1998,38:125-30. [20] Chen Q S, Wegrzyn J, Prased V. Analysis of temperature and pressure changes in liquefied natural gas (LNG) cryogenics tanks. Cryogenics, 2004,44(10):701-709. 程序 C语言 #include "math.h" #define V1 2.5131 main( ) { float l,y,b=0.65,R=1.3,h1=0.04,V,a=1.3; aa: printf("please input the height of LN2\nL="); scanf("%f",&l); if(l<=b) /*液面深度处于下封头*/ V=3.14*R*R*(2.0*l/3.0+h1); else if(b