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化工大学
本科毕业论文
题 目: 卧式油-油固定管板换热器设计
院 系: 机械工程学院
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1. 名词
1. summary
2. abstract
第三章 设计说明书
3、1传热工艺计算
3.1.1原始数据
壳程柴油的进口温度
壳程柴油的工作压力
管程原油的进口温度
管程原油的出口温度
管程原油的工作压力
壳程柴油的流量
管程原油的流量
3.1.2 定性温度及物性参数
管程原油定性温度=90
管程原油密度查物性表得=815
管程原油比热查物性表得=2.2
管程原油导热系数查物性表得=0.128
管程原油的粘度=310-3Pa.s
管程原油普朗特数查物性表得Pr2=51.56
壳程柴油密度查物性表得
壳程柴油比热查物性表得
壳程柴油导热系数查物性表得
柴油柴油3.1.3传热量与柴油的出口温度及柴油的定性温度
壳程柴油定性温度==175+0.3(175-130)=188.5
3.1.4有效平均温度
=
参数P:
参数R:
换热器按单壳程双管程设计, 则查《管壳式换热器原理与设计》图 2-6(a) 得:
有效平均温差:
3.1.5管程换热系数计算
参考表2—7《管壳式换热器原理与计算》
初选传热系数:
则初选传热面积为:
选用 不锈钢的无缝钢管作换热管。
则 管子外径
管子内径
管子长度
则所需换热管根数:
=405.1
可取换热管根数为 406 根
则管程流通面积为(两管程)
:
管程质量流速为:
管程雷诺数为
管程传热系数为:
3.1.6结构的初步设计:
查GB151—1999知管间距按取:
管束中心排管数为:
取 22根
则内径比为(合理)
折流板由书可知可以选择弓形折流板。
则弓形折流板的弓高为:
折流板间距为:
折流板数量为:
取 块 3.1.7壳程换热系数计算
壳程流通面积为:
壳程流速为:
壳程质量流速为:
壳程当量直径为:
壳程雷诺数为:
壳程传热因子由《管壳式换热器原理与设计》书图2-12可查得:
壁温下油的黏度为:
黏度修正系数为:
壳程换热系数为:
3.1.8传热系数计算
查GB151—1999书第138页可知:壳程选用柴油、管程选用原油
则油侧污垢热阻为:
由于管壁比较薄,管壳层阻力损失都不超过0.3×103N/m3所以管壁的热阻可以忽略不计。
所以可以计算出总传热系数为:
则传热系数比为:(合理)
所以假设合理。
3.1.9管壁温度计算
管外壁热流温度计算为:
管外壁温度为:
误差校核:
因为误差不大,所以合适。
3.1.10管程压降计算
壁温下油的黏度为:
黏度修正系数:
查得管程摩擦系数为:
管程数
管内沿程压为:
回弯压降为:
取出口处质量流速为:
进出口管处压降为:
管程污垢校正系数为:
则管程压降:
3.1.11壳程压降计算
壳程当量直径为:=0.0445m
壳程雷诺数为:
经查壳程的摩擦系数为:
管束压降为:
取进口管处质量流速为:
取进口管压降为:
取导流板阻力系数为:
导流板压降为:
壳程结垢修正系数
壳程压降为:
管程、壳程允许压降为:
符合压降条件
3、2强度计算
3.2.1换热管材料及规格的选择和根数确定
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
换热管外径
GB151--1999《管壳式换热器》
19
2
管长
GB151--1999《管壳式换热器》
3000
3
传热面积
《管壳式换热器设计原理》
72.54
4
换热管根数
个
406
5
拉杆
个
GB151---1999《管壳式换热器》表43.44
12/8
6
材料
GB150-1998《钢制压力容器》
20#
3.2.2管子的排列方式
1
正三角形排列
GB151-1999《管壳式换热器》图11
2
换热管中心距
GB151-1999《管壳式换热器》
3
隔板板槽两侧相邻中心距
GB151-1999《管壳式换热器》
3.2.3确定筒体直径
1
换热管中心距
GB151-1999《管壳式换热器》表12
2
换热管根数
根
406
3
分程隔板厚
同上
10
4
管束中心排管的管数
根
同上
22
5
筒体直径
同上
601
6
实取筒体直径
考虑防冲板向上取
700
3.2.4筒体壁厚的确定
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
结果
1
工作压力
给定
1.6
2
材料
Q345R
3
材料许用应力
GB150-1998《钢制压力容器》
170
4
焊接接头系数
《过程装备设计》
0.85
5
壳程设计压力
1.76
6
筒体计算厚度
4.3
7
设计厚度
6.3
8
名义厚度
7.3
9
实取名义厚度
GB151-1999《管壳式换热器》表8
10
负偏差
《过程装备设计》
1
11
腐蚀余量
《过程装备设计》
2
12
计算厚度
5
13
设计厚度下圆筒的计算应力
125
14
校核
179.8
合格
15
设计温度下圆筒的最大许用工作压力
2.05
3.2.5液压试验
序号
项目
符号
单位
根据来源及计算公式
数值
1
试验压力
2.2
2
圆筒薄膜应力
155.1
3
校核
合格
3.2.6封头厚度的计算
序号
项目
符号
单位
根据来源及计算公式
数值
1
设计压力
1.76
2
材料
GB150-1998《钢制压力容器》
Q345R
3
材料许用应力
GB150-1998《钢制压力容器》
170
4
焊接接头系数
《过程装备设计》
0.85
5
封头计算厚度
4.3
6
设计厚度
6.3
11
校核
12
设计温度下封头的最大许用工作压力
2.88
13
合格
3.2.7法兰的选择
2.7.1 设备法兰的选择
按其条件 设计温度 设计压力 由《压力容器法兰》选择乙型平焊法兰,相关参数如下: 单位()
螺柱规格
螺柱数量
860
815
776
766
763
66
210
16
21
18
27
M24
28
由《压力容器法兰》选择相应垫片:非金属软垫片 JB/T4704—2000
其相应尺寸为:D=765mm d=715mm
1〉管程接管的公称直径相同设为,设进出口质量流量为
则
同理 故取a =b=200mm
故取公称直径 公称压力为
2〉壳程接管的公称直径相同设为,设进出口质量流量为
则
同理
故取公称直径 公称压力为
DN
A/
法兰理论重量
200
219.1/ 219
360
12
26
M24
30
244/ 244
17.4
DN
A/
法兰理论重量
200
219.1/ 219
360
12
26
M24
30
244/ 244
17.4
3.2.8、管板的设计
管板尺寸的确定及强度计算:
本设计为管板延长部分兼作法兰的形式,即GB151-1999项目5.7中,图18所示e型连接方式的管板。
A、确定壳程圆筒、管箱圆筒、管箱法兰、换热管等元件结构尺寸及管板的布管方式;以上项目的确定见项目一至七。
B、计算、、、Kt、、、、、Q、、、、;
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
1
筒体内径
700
2
筒体内径横截面积
A
A=π/4
384650
3
筒体厚度
8
4
圆筒内壳壁金属截面积
(+)
17794
5
管子金属总截面积
=
7.65×104
6
换热管根数
406
7
换热管外径
19
8
换热管壁厚
2
9
换热管材料的弹性模量
GB150-1998表F5
185000
10
换热管有效长度
L
2840
11
沿一侧的排管数
203
12
布管区内未能被管支撑的面积
82976.25
13
管板布管区面积
302723.75
14
管板布管区当量直径
=
620
15
换热管中心距
S
GB151-1999
25
16
隔板槽两侧相邻管中心距
GB151-1999
38
17
管板布管内开孔后的面积
=
269537
18
系数
=/
0.7
19
壳体不带膨胀节时换热管束与圆筒刚度比
Q
Q=×/As
0.8
20
壳程圆筒材料的弹性模量
GB150-1998表F5
190000
21
系数
=/
0.28
22
系数
=
15.8
23
系数
=
2.512
24
管板不管区当量直径与壳程圆筒内径比
Pt
Pt=/
0.89
25
管子受压失稳当量长度
GB151-1999图32
2008
26
设计温度下管子受屈服强度
GB150-1998表F2
133
27
管子回转半径
6.35
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
1
垫片接触宽度
N
GB150-1998表9-1
25
2
垫片基本密度宽度
=N/2
12.5
3
垫片比压力
y
GB150-1998表9-2
11
4
垫片系数
m
2.0
5
垫片有效密封宽度
b
B=2.53
9
6
垫片压紧力作用中心圆直径
=D-2b
682
7
预紧状态下需要的最小螺栓载荷
N
=3.14×
213358
8
操作状态下需要的最小螺栓载荷
N
=0.78××
2723296
9
常温下螺栓材料的许用应力
GB150-1998表F4
272.5
10
预紧状态下需要的最小螺栓面积
=/
909.2
11
操作状态下需要的最小螺栓面积
= /
1891
12
需要螺栓总截面积
mm2
=max{,}
1891
13
法兰螺栓的中心圆直径
Db
815
14
法兰中心至作用处的径向距离
=/2
34
15
基本法兰力矩
N.
=
1.8×107
16
筒体厚度
8
17
法兰颈部大端有效厚度
=1.75
14
18
螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交的径向距离
49.5
19
螺栓中心处至FT作用位置处的径向距离
= (++)/2
51.5
20
作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力
N
=0.785×Pc
518676
21
流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力差
N
=-
102897
22
操作状态下需要的最小垫片压力
N
=6.28×b×m×Pc
90092.9
23
法兰操作力矩
N.
=×+×+×
3.32×107
24
螺栓中心距FD作用处的径向距离
=0.5(-)
49.5
D、假定管板的计算厚度为δ,然后按结构要求确定壳体法兰厚度,计算K,k、和Kf。
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
1
假定管板计算厚度
80
2
壳体法兰厚度
66
3
管板材料弹性模量
GB150-1998表F5
190×103
4
换热管材料的弹性模量
GB150-1998表F5
191×103
5
管板刚度削弱系数
η
GB151-1999
0.4
6
换热管有效程度
2840
7
管板强度削弱系数
μ
Gb151-1999
0.4
8
管子金属总截面积
2.53×104
9
换热管加强系数
K
K=
2.6
10
管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比
=
0.89
11
管板周边布管区的无量纲参数
k
k=K×(1-)
0.4
12
管束模数
=/(L×)
3995
13
壳体法兰材料弹性模量
GB150-1998表F5
190×103
14
壳体圆筒材料弹性模量
GB150-1998表F5
190×103
15
壳体法兰宽度
=/2
66
16
系数
GB151-1999图26
0.00055
17
壳体法兰与圆筒的选装刚度
9.923
18
旋转刚度无量纲参数
=π/(4)
0.00195
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
1
管板第一矩系数
GB151-1999图27
0.18
2
系数
=/(K×)
35.5
3
系数
GB151-1999图29
1.92
F、计算M1,由GB151-1999图30按照K和Q查,计算,、。
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
1
管箱法兰材料的弹性模量
GB150-1998表F5
191×103
2
管箱法兰厚度
JB/T4702-2000
66
3
系数
GB151-1999图26
0.00055
4
管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数
9.88
5
管板边缘力矩的变化系数
=1/(/ +)
0.43
6
法兰力矩变化系数
=×/
0.42
7
管板第二弯矩系数
GB151-1999图28(a)
3.8
G、按壳程设计压力,而管程设计压力=0,膨胀变形差r,法兰力矩的的危险组合(GB151-1999项目5.7.3.2分别讨论)
a、 只有壳程设计压力,而管程设计压力=0,不计膨胀节变形差(即r=0)。
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
1
当量压力组合
1.76
2
有效压力组合
5.25
3
基本法兰力矩系数
0.0032
4
管程压力下的法兰力矩系数
0.023
5
管板边缘力矩系数
0.02
6
管板边缘剪切系数
0.51
7
管板总弯矩系数
0.75
8
系数
0.33
9
壳体法兰力矩系数
0.032
10
管板径向应力系数
=
0.07
11
管板的径向应力
88
12
管板布管区周边外径向的应力系数
0.025
13
管板布管区周边外径向的应力
72.5
14
管板布管区周边剪切应力系数
0.058
15
管板布管区周边的剪切应力
15
16
法兰的外径与内径之比
1.14
17
系数
Y
GB150-1998表9-5
10.75
18
壳体法兰应力
7.9
19
换热管的轴向应力
=[×]
8.1
20
壳程圆筒的轴向应力
=××
41.05
21
一根换热管管壁金属的横界面积
176.6
22
换热管与管板连接的拉托应力
0.005
b、只有壳程设计压力,而管程设计压力Pt=0,并且计入膨胀变形差。
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
1
壳程圆筒材料线膨胀系数
GB150-1998
11.62×10-6
2
换热管材料线膨胀系数
GB150-1998
10.88×10-6
3
换热管与壳程圆筒的膨胀变形差
-173×10-6
4
沿长度平均的壳程圆筒金属温度
工艺给定
160
5
沿长度平均的换热管金属温度
工艺给定
110
6
制造环境温度
20
7
当量压力组合
0.88
8
有效压力组合
Pa
30.053
9
基本法兰力矩系数
0.002
10
管程压力下的法兰力矩系数
0.004
11
管板边缘力矩系数
0.007
12
管板边缘剪切系数
0.25
13
管程总弯矩系数
0.906
14
系数
=max{,}
0.175
15
壳体法兰力矩系数
-0.0054
16
管板径向应力系数
0.00135
17
管板的径向应力
53
18
管板布管区周边外径向的应力系数
0.07
19
管板布管区周边外径向的应力
20
管板布管区周边的剪切应力系数
0.08
21
管板布管区周边的剪切应力
89
22
换热管的轴向应力
=[Pc-×Pa]
4
23
换热管与管板连接的拉托应力
0.031
c、只有管程设计压力Pt,而壳程设计压力Ps=0,不计膨胀节变形差时:
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
备注
1
当量压力组合
=
0
2
有效压力组合
Pa=∑sPs+βrEt
-6.401
3
管板边缘力矩系数
0.007
4
管板边缘剪切系数
0.25
5
管板总弯矩系数
0.906
6
系数
0.004816
7
管板的径向应力
-2.713
8
管板布管区周边外径向的应力系数
-0.074
9
管板布管区周边外径向的应力
10
管板布管区周边的剪切应力系数
0.0704
11
管板布管区周边的剪切应力
-4.587
12
壳体法兰应力
-82
13
换热管的轴向应力
=[Pc-×Pa]
19.2
14
壳程圆筒的轴向应力
=A/As××Pa
-39.2
15
换热管与管板连接的拉托应力
0.02
d、只有管程设计压力Pt,而壳程设计压力Ps=0,同时计入膨胀变形差时:
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
备注
1
换热管与壳程圆筒的膨胀变形差
r
-173×10-6
2
当量压力组合
Pc
-1.032
3
有效压力组合
Pa
-11.72
4
基本法兰力矩系数
-0.00523
5
管板边缘力矩系数
0.00019
6
管板边缘剪切系数
0.0067
7
管程总弯矩系数
0.204
8
系数
=max{,}
0.00524
9
管板布管区周边外径向的应力系数
0.0133
10
管板布管区周边外径向的应力系数
11.4
11
管板布管区周边的剪切应力系数
0.065
12
管板布管区周边的剪切应力
-27.96
13
换热管的轴向应力
30.6
14
换热管与管板连接的拉托应力
0.19
H、由管板计算厚度来确定管板的实际厚度:
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
备注
1
管板计算厚度
84.2
2
壳程腐蚀裕量
2
3
管程腐蚀裕量
2
4
结构开槽深度
根据结构确定
3
5
管板的实际厚度
90
考虑圆整
是否安装膨胀节的判定
由G,a、b、c、d计算结果可以看出:四组危险组合工况下,换热管与管板的
连接拉托力均没超过设计许用应力,并且各项应力均没超过设计许用应力。所以,
不需要安装膨胀节。
3.2.9. 折流板的选择
3.2.9.1选型
根据GB151—1999《管壳式换热器》图 37 选择单弓形水平放置的折流板。
3.2.9.2折流板尺寸
缺口弦高值,一般取0.20~0.45倍的圆筒内直径,取
3.2.9.3换热管无支撑跨距或折流板间距
由GB151—1999表42知,但换热管为外径钢管时,换热管的最大无支撑跨距为 ,且折流板最小间距一般不小于圆筒内直径五分之一且不小于由传热计算得到折流板间距
3.2.9.4折流板厚度
由GB151—1999表34,
查得折流板最小厚度为 ,实取折流板厚度
由GB151—1999表36查得管孔直径为 允许偏差为
3.2.9.5折流板直径
由GB151—1999表 41 查得折流板名义外直径为 允许偏差为
3.2.10. 接管及开孔补强
补强及补强方法判别
补强判别
由GB150—1998 表8—1知当满足下列所有条件时不另行补强。
1〉 设计压力小于或等于两相邻开孔中心距应不小于两孔直径之和的两倍;
2〉 接管公称直径小于或等于
3〉 接管最小壁厚满足表8—1要求(GB150—1998 p75)
由于接管 的公称直径大于 所以要补强,但由于设计的筒体或封头的厚度远大于理论厚度,所以要进行计算看是否要进行补强。
补强计算方法判别
开孔直径
本凸形封头开孔直径满足等面积法开孔补强计算的适用条件,故可用等面积法进行开孔补强计算
开孔所需补强面积
强度削弱系数
接管有效厚度
开孔所需补强面积
有效补偿范围
有效宽度取值
故取
有效高度
外侧有效高度
故
内侧有效高度
故取
有效补强面积
封头多余金属面积
封头有效厚度
封头多余金属面积
接管多余金属面积
其中
接管区焊缝面积(焊角取)
有效补强面积
所需另行补强面积
拟采用补强圈补强
补强圈设计
根据接管公称直径选补强圈,参照补强圈标准取补强圈
外径
内径
因补强圈在有效补偿范围内
补强圈厚度为
考虑钢板负偏差并经圆整,取补强圈名义厚度为
3.2.11. 管箱短节壁厚的计算
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
设计压力
1.76
2
选材
GB150-1998《钢制压力容器》选
Q345R
3
计算厚度
4.3
4
设计厚度
6.3
5
名义厚度
7.3
6
实取名义厚度
8
7
有效厚度
7
注:其符号意义及取值同筒体壁厚计算的符号及意义。
水压试验比较筒体的水压试验和短节的水压试验同样可以满足要求。
3.2.12. 拉杆和定距管的确定
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
拉杆直径
GB151-1999《管壳式换热器》表43
12
2
拉杆数量
GB151-1999《管壳式换热器》表44
8
3
定距管规格
GB151-1999《管壳式换热器》取
4
拉杆在管板端螺纹长度
GB151-1999《管壳式换热器》表45
50
5
拉杆在折流板端螺纹长度
GB151-1999《管壳式换热器》表45
15
6
拉杆上倒角高
GB151-1999《管壳式换热器》表45
2.0
3.2.13. 分程隔板厚度选取
根据GB151-1999《管壳式换热器》,分层隔板厚度取
3.2.14. 支座的选择及应力校核
3.2.14.1支座的选择
根据《钢制管法兰 垫片 紧固件 》 鞍式支座的选择重型BI型焊制鞍式支座(表7)
当取鞍式支座的相关尺寸如下:
序号
项目
符号
单位
数值
1
公称直径
700
2
允许载荷
170
3
鞍座高度
200
4
底板
640
150
10
5
腹板
8
6
筋板
350
140
200
10
7
垫板
弧长
830
350
6
36
8
螺栓间距
460
9
带垫板鞍座质量
28
10
包角
120
11
型号
BI
700
3.2.14.2鞍座的应力校核
(1)原始数据表
序号
项目
符号
单位
数值
1
设计压力
1.76
2
设计温度
145
3
物料密度
815
4
筒体内径
700
5
筒体长度
3090
6
公称厚度
8
7
厚度附加量
2
8
鞍座型号
BI
F,S型各一个
9
鞍座中心线离封头切线的距离
848
10
鞍座腹宽
170
11
腹板厚度
10
12
鞍座包角
°
120
13
容器与封头的材料
Q345R
14
容器与封头的许用应力
170
15
鞍座材料
16
鞍座材料许用应力
125
17
容器自重
2000
18
物料重量
1500
19
总重量
3500
(2)校核计算
序号
项目
符号
单位
根据来源及计算公式
数值
1
支座反力
62578
2
系数
0.24
3
系数
1.102
4
系数
0.606
5
筒体在支座跨中截面处的弯矩
-4.21×
6
筒的支座截面的弯矩
-4.92×
7
跨中截面处的轴向应力(最高点)
0.936
8
跨中截面处的轴向应力(最低点)
52.36
9
系数
A
0.0021
10
系数
GB150-1998图6-3
128
11
轴向许用压缩应力
128
12
比较,验算合格
筒体和封头中的切向剪应力
13
系数
《过程装备设计》表5-2
1.17
14
切向剪应力
3.09
15
椭圆形封头的形状系数
标准椭圆形封头
1.0
16
封头内压引起应力
76.81
17
比较,验算合格
筒体的周向应力
18
鞍座截面筒体最低处的周向应力
-9.34
19
系数
《过程装备设计》表5-3
0.760
20
筒体有效宽度
256.8
21
鞍座边角处筒体的周向应力
-42.36
22
系数
《过程装备设计》表5-3
0.0528
23
比较,验算合格。
鞍座腹板应力
24
系数
《过程装备设计》表5-5
0.204
25
鞍座承受水平分力
5938.09
26
鞍座计算高度
取实际高度
200
27
取和中较小者为,即
28
鞍座有效断面平均应力
5.09
29
比较,验算合格
参考文献
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