CB-T 3961-2004 船用热交换器设计计算方法.pdf.pdf

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1、I C S 4 7 . 0 2 0 . 5 0 U 4 2 备靡号 :1 3 3 1 6 - 2 0 0 4 总 中华人民共和 国船舶行业标准 C B / T 3 9 6 1 - 2 0 0 4 船用热交换器设计计算方法 Me t h o d o f d e s i g n f o r ma r i n e h e a t e x c h a n g e r 2 0 0 4 一0 2 一1 6 发布2 0 0 4 一0 6 一0 1 实施 国防科学技术工业委员会发 布 C B / 7 3 9 6 1 - 2 0 0 4 目次 d人刃1内b卜匕一了丫叮月了0口0 前言 . . ， . . . .

2、 . . 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， . 2 . 4热交换器管板 . . _ 2 . 5。 膨胀节二， . . ， . 2 . 6换热管的最小壁厚 . ， 2 . 7换热管弯曲 附加余量计算 2 . 8换热管腐蚀余量 3热工计算. . . . . . ， ， 3 ， 1 换 热面 积. ， . . ， ， 3 . 2热交换器换热量 . 3 . 3对数平均温差的计算 二， 34总 传热系数. ， C B / T 3 9 6 1 - 2 0 0 4 H I1青

3、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、 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 营 口船舶辅机厂、 湖北登峰换热器股份有限 健、刘祥。 C B / T 3 9 6 1 - 2 0 0 4 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 . 0 M P a ，介质温度不超过2 5 0 的壳管

4、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8 0 %0 a ) 金属温度不高于5 0 时: o / 2 . 7 a, / 1 . 5 一-一一-一一一-一 ，J飞esJ，.J飞esl 口0口口口 尸1厂.汇r.L一esesL b ) 金属温度高于 5 0 时: o ,了 2. 7 a , / 1 . 5 。 介1 . 5 . ， 一 ( 1 ) 一 式中: 0 ! 0 , 。， r 。了 材料在环境温度下抗拉强度的数值

5、，单位为兆帕 ( M P a ): 材料在环境温度下屈服点的数值，单位为兆帕 M P a ); 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 ( M P a ) 材料在设计温度下1 0 0 X 1 0 h 乎均破断应力的 数值， 单位为兆帕 ( M P a )。 c ) 铸铁材料的许用应力 0 为。e / 5 2 . 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 )。 P D. 1i =， 下 一 r -+0 . 7 b L 沪护一尸 d-3 + A/ 1 5 0 0 . . . . . . . . . . . . 。 一(

6、 3 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 。 。 ( 4 ) 式中: d 圆筒最小计算厚度的数值，单位为毫米 ( m m ) ; P设计压力的数值，单位为兆帕 ( M P a ) ; 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 ( M P a ) ; 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 1 0 0 % 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 . 8 5 ; b ) 单面焊的对接焊缝若 1 0 0 9 6 进行射线无损

7、检验， 0取0 , 9 ，若局部进行射线无损检验， 则0取0 . 8 ; C B / T 3 9 6 1 - 2 0 0 4 C ) 焊缝若不进行射线无损检验，沪 取。 . 6 0 2 . 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1 Y P D . 0=. 习 爪可+u . r b 4 L0 1 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 ( M P a ); D ， 一一封头外径的数值，单位为 m m ); 。 材料许用应力的数值，单位为兆帕

8、( M P a )。 封头形状系数Y 按图3 选取， 对无孔封头， 根据 S / D和H M 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) 。 1 0 0 . 1 5 0 . 2 0 0 . 乃0 . 3 0 0 . 4 0 认 5 0 H I D , 图 3 C B / T 3 9 6 1 -2 0 0 4 2 . 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。8

9、db0一 0t a ) b ) 蛋D Id0 D 图 4 a ) 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( m m ) ; c计算系数; D筒体计算直径的数值，单位为毫米( m m ) ; P设计压力的数值，单位为兆帕 ( M P a ); a l 材料许用应力的数值，单位为兆帕 ( M P a )。 计算系数c 按表1 选取。 表1 封头形式 计 算 系 数c 图 4 a ) 0 . 3 8 图4 b ) 0 . 4 3 图4 c、图4 d ) 0 . 5 2 图 4 e ) L i 刀 = 0 . 0 5 0 . 5

10、 7 L I D = 0 . 1 0 . 6 2 L I D=0 . 1 5 0 6 7 C B / T 3 9 6 1 -2 0 0 4 b ) 矩形平封头最小厚度按公式( 7 ) 、公式 ( 8 )计算 : 斤 S = C D ,杨0.75 一 (8) 式中: D Q 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 ( m m ): b矩形封头的长边的数值，单位为毫米 ( m m ); 6封头最小厚度的数值，单位为毫米 ( m m ); C计算系数; P设计压力的数值，单位为兆帕 ( M P a ); 。 材料许用应力的数值，单位为兆帕 ( M P a

11、 )。 计算系数C 按表2 选取。 表2 封头形式计算系数C 图4 b )0 . 5 0 图 4 c ) 、图4 d ) 0 . 5 7 2 . 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1 4 m m . d = 2 P D t / o( t - d ) + 0 . 7 5 ， ， ， ( 9 ) 6 = 0 . 4 5 4 4 ( P / 0 . 4 /司) “ + 0 . 7 5 ” ， ， ， ( 1 0 ) 式中: 8 -管板最小厚度的数值，单位为毫米 ( m m ); P设计压

12、力的数值 ( 取管、 壳程设计压力较大者)，单位为兆帕 ( M P a ) D , -最外排管列的管孔中心径向距离的数值，单位为毫米 ( m m ): 两管孔中心距离的数值，单位为毫米 ( m m ); 1材料抗拉强度的数值，单位为兆帕 ( M P a ); d 管fi L 直径的数值，卑位为毫米 ( m m )。 D 垫片压紧力作用中心圆直径的数值，单位为毫米 ( m m ); I a I管板材料许用应力的数值， 单位为兆帕 ( M P a )。 2 . 5 。膨胀节 2 . 5 . 1 。 膨胀节最小厚度按公式 ( 1 1 )、公式 ( 1 2 ) 计算，并取其中较大值。 s , = P

13、R / ( 2【 司) x - 0 . 7 5 ，. ， ， ， ， ( 1 1 ) 8 。 二P R ( D - R )/(仁 c ( D - 2 劝) +0 . 7 5 ， ， ( 1 2 ) 式中: 5 ， 、 乙 : 膨胀节最小厚度的数值，单位为毫米 ( ，); C B / T 3 9 6 1 - 2 0 0 4 P设计压力的数值，单位为兆帕 ( M P a ); R膨胀节无缝管平均半径的数值，单位为毫米 ( m m ); 【 。 材料许用应力的 数值，单 位为兆帕 ( M P a ); D -膨胀节中心直径的数值，单位为毫米 ( m m )。 2 . 5 . 2 4 膨胀节疲劳寿命计

14、算按公式 ( 1 3 )计算: N二 ( 1 5 8 4 7 . 8 T / 。 , - 2 8 8 ) ) 3 . 2 5 ， ( 1 3 ) 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 ( M P a )。 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 ( 1 4 ) 计算: T二( “ 。 + “ 6 H ) / ( 2 。 W ) ， ( 1 4 ) 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

15、抗拉强度，单位为兆帕 ( M P a ); a x 高温度下材料的抗拉强度，单位为兆帕 ( M P a )。 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 ( 1 5 )计算: T=a 耐 a e L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .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 ( M P a ); a hi;高温度下材料的抗拉强度， 单位为兆帕 ( M P a

16、 )。 2 . 5 . 4。膨胀节疲劳组合应力按公式 ( 1 6 )、公式 ( 1 7 )、公式 ( 1 8 )、公式 ( 1 9 )计算: c , = P R ( D - R ) / ( s ( D - 2 劝) ( 1 6 ) a 3 = 8 f 6 5 2 / 1 0 . 9 2 : R 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 7 ) a ，二E# P , 5 / 1 . 8 2 : R . . . . . . . . ( 1 8 ) c,7 3 a ,+。十。 。 ， (

17、 1 9 ) 式中: a 2 内 压引 起的径向 薄膜应力，单位为兆帕 ( M P a ) ; P一 一 设计压力的数值，单位为兆帕 ( M P a ) ; R- 一 - 膨胀节无缝管平均半径的数值，单位为毫米 ( m m ) ; 2 ， 膨胀节中心直径的数值，单位为毫米 ( m m ) -. d膨胀节厚度的数值， 单位为毫米 ( 咖) ; a y 位移引 起的径向 薄膜应力，单位为兆帕 ( M P a ) ; E 膨胀节在设计温度 弹性模量的数值，单位为兆帕 ( M P a ) ; :膨胀节轴向位移的数值，单位为毫米 ( m m ) ; fl , 修正系数; R z 修正系数; a , 位移

18、引起的径向弯曲 应力， 单位为兆帕 ( M P a ) ; a ,疲劳组合应力，单位为兆帕 ( M P a ) . 修正系数 fl、刀2 的取值见图5 : C B / T 3 9 6 1 - 2 0 0 4 口 I I 口1 Bl 乙葬 1 B 2 L = u 1 I!1 1 111 1 I!n !w !I I I w!一 l一 111 11 1)11一 图 5 2 . 5 . 5 图5中系数 按公式 ( 2 0 )计算: C = 旦6 1 r 二. . . . . . . . . 。二 。. 。. . . (2 0 ) D , 5 式中: c系数; r 4形圆环无缝管半径的值，单位为毫米 (

19、 m m ): D 4 形圆 环弯制后的中心径的 值，单位为毫米 ( m m ) ; S,考虑减薄而修正的厚值，单位为毫米 ( ， )，一般可取 ( 0 . 8 0 - 0 . 9 5 ) S。 2 . 6 换热管的最小壁厚 换热管的最小壁厚按公式 ( 2 1 )计算: 5 = p D / ( 2 。 + P ) + b + c ( 2 1 ) 式中: 8一一换热管最小壁厚的数值，单位为毫米 ( m m ): P设计压力的数值，单位为兆帕 ( M P a ); D一一换热管外径的数值，单位为毫米 ( m m ); 【 。 一一材料许用应力的 数值，单位为兆帕 ( M P a ); b弯曲附加余

20、量的数值，单位为毫米 ( m m ): C腐蚀余量的数值，单位为毫米 ( m m )。 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 ( 2 2 )计算值: C B / T 3 9 6 1 - 2 0 0 4 b = 0 . 4 P d / R ( 2 a 十 A ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 2 ) 式中: b弯曲附加余量的数值，单位为毫米 ( m m ); D换热管外径的数值，单位为毫米 ( m m ); 仁 。 材料许用应力

21、的数值，单位为兆帕 ( M P a ); R管子平均弯曲半径的数值，单位为毫米 ( m m ) ; P设计压力的数值，单位为兆帕 ( M P a )。 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 . 0 m m ; b ) 铜、铝黄铜和镍含量低于 1 0 % 的铜镍合金为0 . 8。: c ) 镍含量大于1 0 % 的铜镍合金为0 . 5 m m ; 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 ( 2 3 )计算: A =召 T v I K ， . 。 ( 2 3 ) 式中: A 换热面积的数值，单位为平方米 (

22、 zm ) ; 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 ( 2 4 ) 计算: Q = G o兀 ， ， ， ( 2 4 ) 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 ( k g / 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

23、克摄氏 度 w h / ( k g) 。 3 . 2 . 2 淡水冷却器的换热量按公式 ( 2 5 )计算: Q = G o兀 ， ( 2 5 ) 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 ( k g / 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 w h / ( k g) 。 3 . 2 . 3 冷凝器的换热量按式 ( 2 6 )计算: Q= G )H ， ， ， ， ( 2 6 ) 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 (

24、 k g / h ) ; C B / T 3 9 6 1 - 2 0 0 4 AH蒸汽进出口烩值差的数值，单位为瓦时每千克 ( w h / k g ) o 燃油加热器的换热量按公式 ( 2 7 )计算: Q二 T C ( 2 7 ) 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 ( k g / 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 w h / ( k g) 。 3 . 2 . 4 滑油加热器的换热量按公式 ( 2 8 ) 计算: 口= G 咒 。 一 ( 2

25、 8 ) 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 ( k g / 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 w h / ( k g) 。 3 . 2 . 5 淡水加热器的换热量按公式 ( 2 9 )计算: Q= G OT C 。 ， ( 2 9 ) 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 ( k g / 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

26、氏度 wh/( k g) 。 3 . 2 . 6 空气冷却器的换热量按公式 ( 3 0 )计算: Q二 o H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 3 0 ) 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 ( k g / h ) ; AH空气进出口焙值差的数值，单位为瓦时每千克 ( w h / k g ) . 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 (

27、 3 1 )计算: T ,n ( T , 一T z ) l l n ( 4T ,l AT Z ) 一 “ . . . . . . . . . . . . . . . . ( 3 1 ) 式中: o Ti-对数平均温差的数值，单位为摄氏度 ( ); d T -端口温差的数值，单位为摄氏度 ( )， 按图6 所示; o T z -端口温差的数值，单位为摄氏度 ( )， 按图6 所示。 C B / T 3 9 6 1 - 2 0 0 4 A T r - T, t , 图6 3 . 4 总传热系数 3 . 4 . 1 总传热系数按公式 ( 3 2 )计算: K = 1 / a o + 6 / d /

28、( A a / A ) + R + 1 / a / ( A o / A ; ) ( 3 2 ) 式中: K总传热系数的数值，单位为瓦每平方米摄氏 度【 W / ( m 0 C ) 。 二管外给热系数的数值，单位为瓦每平方米摄氏度 W / ( m 2 0 C ) ; 凡 换热管导热系数的数值，单位为瓦每米摄氏 度 W / ( m 2 0 C ) ; d 换热管壁厚度的数值，单位为米 ( m ); A d A ;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 ( m 2 0 C / W ); a l 管内给热系数的数值， 单位为瓦每平方米摄氏 度 ( W / m ,

29、0 C )。 3 . 4 . 2 换热管外给热系数按公式 ( 3 3 )计算: a 0 = 1 . 1 3 A C R “ P , , “ I d ( 3 3 ) 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 / ( m z 0 C ) ; C 修正系数的数值; R e 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; C B / T 3 9 6 1 - 2

30、0 0 4 表3 反 / D 及 / D 1 . 2 5 1 . 5 2 . 03 . 0 CmCmC刃C 口 顺排 1 . 2 50 . 3 4 80. 59 20 . 2 7 50 卜 6 0 80 . 1 0 0 0 . 7 0 40. 06 3 30 . 7 5 2 1 . 5 00 . 3 6 70 . 5 8 60 . 2 5 00 . 6 2 0 0 . 1 0 10 . 7 0 20 . 0 6 7 80 . 7 4 4 2 . 0 00 41 80 . 57 0 0 . 2 9 90 . 6 0 20 . 2 2 90 . 6 3 20 . 1 9 80 . 6 4 8 3

31、. 0 00 . 2 9 0 0 . 6 0 10 . 3 5 70 . 5 8 40 . 3 7 40 . 5 8 10 . 2 8 60 . 6 0 8 叉排 0 . 6 0 0 0 . 2 1 30 . 6 3 6 0 . 9 0 0 0 . 4 4 6 0 . 5 7 1 0 . 4 0 10 .5 81 1 . 0 0 0 0 . 4 9 70 . 5 5 8 1 . 1 2 5 0. 47 80 . 5 6 50 . 5 1 80 . 5 60 1 - 2 5 00 . 5 1 80 . 5 5 6 0 . 5 0 50 . 5 5 40. 51 90 . 5 5 60 . 5 2

32、 20 . 5 6 2 1 . 5 0 00 . 45 1 0 . 5 6 80 . 4 6 00 . 5 6 20 . 4 5 20 . 5 6 80. 48 80 . 5 6 8 2 . 0 0 00 . 4 0 40 . 5 7 2 0 . 4 1 60 . 5 6 80 . 4 8 20 . 5 5 60. 44 90 . 5 7 0 3 . 0 0 00 . 31 00 . 5 9 2 0 . 3 5 6 0 . 5 8 0 0 . 4 4 00 . 5 6 20. 42 80 . 5 7 4 3 . 4 . 3 表 3中的 S r / D与 V D 根据图7中的尺寸计算。 图 7

33、一 3 . 4 . 4 换热管内给热系数按公式 ( 3 4 )计算。 a ; 二0 . 0 2 1 . l R r u . P , , . + e ( P , r / P) o . s s / 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 / ( m z 0 C ) ; 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 ) ; 1 0 C B / T 3 9 6 1 - 2 0 0 4 R c换热管内介质定性温度下的雷诺数值; R f 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 ( m m )。