商品簡介
本書共分為5章，主要介紹了液氫的國內外發展現狀和低溫生產過程、30萬立方米PFHE型液氮預冷五級膨脹制冷氫液化系統工藝裝備、30萬立方米PFHE型液氮預冷一級膨脹兩級節流氫液化工藝裝備、30萬立方米PFHE型LNG預冷兩級氦膨脹五級氫液化工藝裝備、30萬立方米PFHE型四級氦膨脹制冷氫液化系統工藝裝備等內容。研究內容主要涉及4類較典型的LH2低溫液化工藝流程的具體設計計算方法，可為LH2液化關鍵環節中所涉及主要液化工藝設計計算提供可參考樣例，並有利於推進LH2系列板翅式換熱器的標準化及相應LH2液化工藝技術的國產化研發進程。
本書不僅可供氫氣、天然氣、低溫與制冷工程、煤化工、石油化工、動力工程及工程熱物理領域內的研究人員、設計人員、工程技術人員參考，還可供高等學校能源化工、石油化工、低溫與制冷工程、能源與系統工程等相關專業的師生參考。
作者簡介
張周衛，蘭州交通大學，教授，男，國家“萬人計劃”領軍人才，創新創業人才，國家科技專家庫專家，環境科學博士後，動力工程及工程熱物理博士，畢業於西安交通大學能源與動力工程學院制冷及低溫工程系，高 級工程師，教授，主要從事空間低溫制冷技術、壓縮機械、真空低溫設備、LNG過程控制裝備、多股流纏繞管式換熱裝備、螺旋壓縮膨脹制冷機等研究，涉及系統耦合傳熱及傳熱數值模擬計算，低溫節流減壓裝置、低溫系統換熱裝備、低溫冷屏蔽系統、高超聲速飛行器空間低溫制冷機理研究等；先後參與北京航空航天大學863系統項目子項目“天然氣渦旋壓縮機”、清華大學航天航空學院973系統子項目“空間氣流組織測試模擬環境室”、總裝備部“空間低溫紅外輻射冷屏蔽系統研究”、真空低溫國防重點實驗室“空間低溫流體流動特性實驗研究”、國家重點實驗室“空間低溫流體自密封加注系統研究”等，先後參與項目20多項，主持國家自然基金及國家創新基金等6項、甘肅省創新基金4項、甘肅省自然基金等項目4項，與企業合作4項等；主持申報發明專利46項，發表論文30多篇，出版學術專著3部等；帶領創新創業團隊獲得省級二等以上獎勵54人次，廳級以上獎勵80多人次，2013年入選江蘇省啟東市“東疆英才扶持計劃”，2014年入選“國家創新人才推進計劃”，2016年入選國家“特殊人才支持計劃”。
名人/編輯推薦
主要涉及4類較典型的液氫低溫液化工藝流程的具體設計計算方法
可為氫氣液化關鍵環節中所涉及主要液化工藝設計計算提供可參考樣例
有利於推進液氫系列板翅式換熱器的標準化進程
助力推進相應液氫液化工藝技術的國產化研發進程
★液氫的國外發展現狀
★液氫的國內發展現狀
★液氫的低溫生產過程
★30萬立方米PFHE型液氮預冷五級膨脹制冷氫液化系統工藝裝備
★30萬立方米PFHE型液氮預冷一級膨脹兩級節流氫液化工藝裝備
★30萬立方米PFHE型LNG預冷兩級氦膨脹五級氫液化工藝裝備
★30萬立方米PFHE型四級氦膨脹制冷氫液化系統工藝裝備等內容
這4種LH2板翅式換熱器設計計算方法屬LH2裝備領域內目前流行的具有一定技術設計難度的LH2系統工藝主設備核心技術，同時，也可應用於LNG、LPG、煤化工、石油化工、低溫制冷等領域。從工藝基礎研發及設計技術等方面來講均已成熟，已能夠推進PFHE型LH2液化主設備的設計計算過程及液氫系列液化工藝的設計計算進程。
序
在氫氣液化（LH2）領域，國際上流行的大型LH2液化工藝有10多種，其中，3×105m3/d以上大型LH2液化工藝系統多采用以板翅式換熱器為主液化裝備的PFHE型膨脹制冷液化工藝技術，具有集約化程度高、制冷效率高、占地面積小以及非常便於自動化管理等優勢，已成為大型LH2液化工藝裝備領域內的標準性主流選擇，在世界範圍內已開始應用。目前，國內尚未有20～30t/d的大型工業化LH2系統，即使是中小型LH2工藝系統一般也是隨著成套工藝技術整體進口，日產量在2～3t/d以下，包括工藝技術包及主設備專利技術等，整體系統造價非常昂貴，後期維護及更換設備的費用同樣巨大。由於大型LH2系統工藝及主設備仍未國產化，即還沒有成型的設計標準，因此，給LH2液化工藝系統及裝備的國產化設計計算帶來了難題。
近年來，蘭州交通大學張周衛等開始系統研究開發大型LH2液化工藝及核心裝備——LH2多股流板翅式換熱器，並前後研發LH2混合制冷劑多股流板翅式換熱器、LH2一級三股流板翅式換熱器、LH2二級四股流板翅式換熱器、LH2三級五股流板翅式換熱器等系列LH2板翅式換熱器等設計計算方法，可應用於10多種國際上流行的LH2液化工藝流程主液化設備的設計計算過程。以板翅式換熱器為主液化裝備的LH2液化工藝也是目前流行的大型LH2液化系統的主液化工藝。（3～6）×105m3/d以上大型LH2液化工藝系統多采用以板翅式換熱器為主液化裝備的PFHE型LH2液化工藝技術，其具有集約化程度高、制冷效率高、占地面積小以及便於自動化管理等優勢，已成為大型LH2液化工藝裝備領域內的標準性主流選擇。由於大型LH2板翅式換熱器主要用於3×105m3/d以上大型LH2液化系統，可作為該系統中的核心設備，一般達到6×105m3/d以上時，可采用並聯多套的模塊化辦法，實行LH2系統的大型化。
《氫氣液化工藝裝備與技術》主要圍繞4類大型PFHE型LH2液化工藝及主液化裝備進行系統的研究與開發，主要涉及3×105m3/d LH2液化工藝流程及主設備PFHE研發及設計計算過程，包括液氮預冷五級膨脹八級制冷氫液化系統工藝裝備設計計算、液氮預冷一級膨脹兩級節流四級制冷氫液化系統工藝裝備設計計算、兩級氦膨脹兩級節流制冷氫液化系統工藝裝備設計計算、四級氦膨脹制冷氫液化系統工藝裝備設計計算等過程。研究內容主要涉及4類較典型的LH2低溫液化工藝流程的具體設計計算方法，可為LH2液化關鍵環節中所涉及的主要液化工藝設計計算提供可參考樣例，並有利於推進LH2系列板翅式換熱器的標準化及相應LH2液化工藝技術的國產化研發進程。由於研究內容涵蓋3×105m3/d以上LH2液化領域內具有代表性的LH2板翅式換熱器的設計計算方法，研究還包括不同類型LH2板翅式換熱器計算過程及制冷劑運算法則，也是當前國際上流行的主流PFHE型LH2液化工藝主設備。以上4種LH2板翅式換熱器設計計算方法屬LH2裝備領域內目前流行的具有一定技術設計難度的LH2系統工藝主設備核心技術，同時，也可應用於LNG（液化天然氣）、LPG（液化石油氣）、煤化工、石油化工、低溫制冷等領域。從工藝基礎研發及設計技術等方面來講均已成熟，已能夠推進PFHE型LH2液化主設備的設計計算過程及LH2系列液化工藝的設計計算進程。
本書第1章為緒論部分，主要講述氫氣液化工藝裝備技術的基本特點及國內外研究開發和工業化發展現狀等。
第2章主要講述3×105m3/d PFHE型液氮預冷五級膨脹八級制冷氫液化系統工藝裝備設計計算過程，包括LH2液化工藝的設計計算過程及LH2板翅式換熱器的設計計算過程。
第3章及後續章節主要講述PFHE型液氮預冷一級膨脹兩級節流四級制冷氫液化系統工藝裝備、PFHE型兩級氦膨脹兩級節流制冷氫液化系統工藝裝備、PFHE型四級氦膨脹制冷氫液化系統工藝裝備等不同LH2液化工藝流程及板翅式換熱器等設計計算方法，以便為從事LH2液化裝備領域內的工程技術人員及研發人員提供必要的參考。
本書共分5章，其中，第1~4章由張周衛撰寫，第5章由汪雅紅、耿宇陽、車生文撰寫，全書由張周衛統稿。耿宇陽、樊翔宇、李文振、楊發煒、劉要森、盛日昕、孫少偉、榮欣等參與全書的編輯整理及校正等工作。王松濤、贠孝東、唐鵬、孫少康、趙銀江、楊玉儉、付敏君、樊廣存等參與各章節的撰寫及編排校正工作。
本書受國家自然科學基金（編號：51666008）、甘肅省重點人才項目（編號：26600101）、甘肅省財政廳基本科研業務費（編號：214137）、甘肅省高等學校產業支撐計劃項目（編號：2020C22）等支持。
本書按照目前所列4種LH2液化工藝流程的設計計算進度，重點針對4種典型的且具有代表性的LH2液化工藝及板翅式換熱裝備進行研究開發，總結設計計算方法，並與相關行業內的研究開發人員共同分享。
由於作者水平有限、時間有限及其他原因，書中難免存在疏漏與不足之處，希望同行及廣大讀者批評指正。
蘭州交通大學
蘭州蘭石換熱設備有限責任公司
張周衛 汪雅紅 耿宇陽 車生文
目次
1．1氫氣（H2）與液氫（LH2）物理特性 1
1．2液氫（LH2）國外發展現狀 3
1．3液氫（LH2）國內發展現狀 5
1．4液氫（LH2）低溫生產過程 6
1．4．1原料氫氣主要來源 8
1．4．2氫氣主要凈化方法 9
1．4．3氫氣制冷液化循環 10
1．4．4典型的氫液化系統 13
1．4．5氫氣液化系統設備 16
1．4．6液氫（LH2）板翅式主換熱裝備 17
本章小結 19
參考文獻 19
第2章30萬立方米PFHE型液氮預冷五級膨脹制冷氫液化系統工藝裝備
2．1板翅式換熱器的發展 22
2．1．1總體發展概況 22
2．1．2國外發展概況 22
2．1．3國內發展概況 24
2．2LH2板翅式換熱器設計目的 24
2．3板翅式換熱器構造及工作原理 24
2．3．1板翅式換熱器基本單元 24
2．3．2板翅式換熱器翅片作用 24
2．3．3板翅式換熱器主要附件 24
2．4板翅式換熱器中氫氣的液化 25
2．5板翅式換熱器制冷系統 25
2．6板翅式換熱器工藝流程設計 25
2．7氫氣液化工藝流程設計 25
2．8制冷劑主要參數的確定 26
2．9各狀態點參數設計計算 27
2．10氫液化流程工藝計算過程 28
2．10．1氫氣膨脹制冷循環 28
2．10．2氮氣膨脹制冷循環 33
2．11溫熵圖、壓焓圖繪製 37
2．12氫液化COP計算過程 38
2．12．1氫氣膨脹制冷循環 38
2．12．2氮氣膨脹制冷循環 40
2．13板翅式換熱器工藝計算過程 42
2．13．1氫1換熱器 42
2．13．2氫2換熱器 55
2．13．3氫3換熱器 62
2．13．4氫4換熱器 70
2．13．5氫5換熱器 74
2．13．6氮1換熱器 78
2．13．7氮2換熱器 81
2．13．8氮3換熱器 85
2．14板翅式換熱器結構設計過程 89
2．14．1封頭設計 89
2．14．2液壓試驗 98
2．14．3接管設計 103
2．14．4接管補強 108
2．14．5法蘭和墊片 133
2．14．6隔板和封條設計造型 134
2．14．7換熱器的成型安裝 136
2．14．8換熱器的絕熱保冷 138
本章小結 138
參考文獻 139
第3章30萬立方米PFHE型液氮預冷一級膨脹兩級節流氫液化工藝裝備
3．1一級膨脹兩級節流LH2板翅式主換熱器 142
3．2板翅式換熱器工藝設計計算概述 143
3．2．1板翅式換熱器設計步驟 143
3．2．2制冷劑設計參數的確定 143
3．2．3氫氣液化工藝流程設計 143
3．3板翅式換熱器工藝計算過程 143
3．3．1一級設備預冷制冷過程 143
3．3．2二級設備預冷制冷過程 145
3．3．3三級設備預冷制冷過程 146
3．3．4四級設備預冷制冷過程 147
3．3．5一級換熱器流體參數計算 148
3．3．6二級換熱器流體參數計算 154
3．3．7三級換熱器流體參數計算 159
3．3．8四級換熱器流體參數計算 163
3．3．9一級板翅式換熱器傳熱面積計算 168
3．3．10二級板翅式換熱器傳熱面積計算 174
3．3．11三級板翅式換熱器傳熱面積計算 178
3．3．12四級板翅式換熱器傳熱面積計算 182
3．3．13換熱器壓力損失計算 185
3．4板翅式換熱器結構設計 193
3．4．1封頭設計 193
3．4．2封頭計算 194
3．4．3EX1換熱器各個板側封頭壁厚計算 194
3．4．4EX2換熱器各個板側封頭壁厚計算 196
3．4．5EX3換熱器各個板側封頭壁厚計算 197
3．4．6EX4換熱器各個側封頭壁厚計算 198
3．5液壓試驗 200
3．5．1液壓試驗目的 200
3．5．2內壓通道 200
3．5．3接管計算 204
3．6接管補強 207
3．6．1補強計算 207
3．6．2接管計算 207
3．6．3EX1換熱器補強面積計算 208
3．6．4EX2換熱器補強面積計算 213
3．6．5EX3換熱器補強面積計算 216
3．6．6EX4換熱器補強面積計算 220
3．7法蘭和墊片 224
3．8隔板、導流板及封條 224
3．8．1隔板厚度計算 224
3．8．2封條設計選擇 227
3．8．3導流板的選擇 227
3．9換熱器的成型安裝 227
3．9．1板束安裝規則 227
3．9．2焊接工藝和形式 228
3．9．3絕熱保冷設計 228
本章小結 229
參考文獻 229
第4章30萬立方米PFHE型LNG預冷兩級氦膨脹五級氫液化工藝裝備
4．1LH2板翅式換熱器制冷工藝 230
4．2LH2板翅式換熱器的工藝計算 232
4．2．1板翅式換熱器工藝設計 232
4．2．2制冷劑設計參數的確定 232
4．2．3氫氣液化工藝計算過程 232
4．3換熱器長度計算 237
4．3．1一級換熱器流體參數計算 237
4．3．2一級板翅式換熱器傳熱面積計算 243
4．3．3二級換熱器流體參數計算 248
4．3．4二級板翅式換熱器傳熱面積計算 253
4．3．5三級換熱器流體參數計算 257
4．3．6三級板翅式換熱器傳熱面積計算 262
4．3．7四級換熱器流體參數計算 266
4．3．8四級板翅式換熱器傳熱面積計算 270
4．3．9五級換熱器流體參數計算 272
4．3．10五級板翅式換熱器傳熱面積計算 277
4．3．11換熱器壓力損失的計算 279
4．4板翅式換熱器結構設計 288
4．4．1封頭設計選型 288
4．4．2EX1換熱器各個板側封頭壁厚計算 289
4．4．3EX2換熱器各個板側封頭壁厚計算 291
4．4．4EX3換熱器各個板側封頭壁厚計算 292
4．4．5EX4換熱器各個板側封頭壁厚計算 293
4．4．6EX5換熱器各個板側封頭壁厚計算 294
4．5液壓試驗 295
4．5．1液壓試驗目的 295
4．5．2內壓通道 296
4．5．3接管計算 300
4．6接管補強 304
4．6．1開孔補強方式 304
4．6．2換熱器接管計算 304
4．6．3EX1換熱器補強面積計算 305
4．6．4EX2換熱器補強面積計算 310
4．6．5EX3換熱器補強面積計算 313
4．6．6EX4換熱器補強面積計算 317
4．6．7EX5換熱器補強面積計算 320
4．7法蘭與墊片選擇 323
4．8隔板、封條與導流板選擇 324
4．8．1隔板厚度計算 324
4．8．2封條設計選擇 327
4．8．3導流板形式選擇 327
4．9換熱器的成型安裝 327
4．9．1板束安裝規則 327
4．9．2焊接工藝形式 328
4．9．3試驗、檢驗 328
4．9．4絕熱保冷設計 328
本章小結 329
參考文獻 329
第5章30萬立方米PFHE型四級氦膨脹制冷氫液化系統工藝裝備
5．1基於級聯式LH2液化工藝的板翅式主液化裝備 331
5．2LH2板翅式主液化裝備工藝設計計算 333
5．2．1一級換熱器 333
5．2．2二級換熱器 333
5．2．3三級換熱器 333
5．2．4四級換熱器 334
5．2．5換熱器A 334
5．2．6換熱器B 335
5．2．7換熱器C 335
5．3板翅式換熱器流體參數及換熱器板束長度計算 337
5．3．1一級換熱器流體參數計算(單層通道) 337
5．3．2二級換熱器流體參數計算(單層通道) 344
5．3．3三級換熱器流體參數計算(單層通道) 349
5．3．4四級換熱器流體參數計算(單層通道) 354
5．3．5換熱器A流體參數計算(單層通道) 359
5．3．6換熱器B流體參數計算(單層通道) 365
5．3．7換熱器C流體參數計算(單層通道) 370
5．4板翅式換熱器結構設計 375
5．4．1封頭設計選型 375
5．4．2一級換熱器各個板側封頭壁厚計算 376
5．4．3二級換熱器各個板側封頭壁厚計算 376
5．4．4三級換熱器各個板側封頭壁厚計算 377
5．4．5四級換熱器各個板側封頭壁厚計算 378
5．4．6換熱器A各個板側封頭壁厚計算 378
5．4．7換熱器B各個板側封頭壁厚計算 379
5．4．8換熱器C各個板側封頭壁厚計算 379
5．5液壓試驗 381
5．5．1液壓試驗目的 381
5．5．2內壓通道計算 383
5．5．3尺寸校核計算 384
5．6接管確定 386
5．6．1接管尺寸確定 386
5．6．2一級換熱器接管壁厚 386
5．6．3二級換熱器接管壁厚 387
5．6．4三級換熱器接管壁厚 387
5．6．5四級換熱器接管壁厚 387
5．6．6換熱器A接管壁厚 387
5．6．7換熱器B接管壁厚 387
5．6．8換熱器C接管壁厚 388
5．6．9接管尺寸匯總 388
5．7接管補強 389
5．7．1補強方式 389
5．7．2接管補強計算 389
5．7．3一級換熱器補強面積計算 390
5．7．4二級換熱器補強面積計算 392
5．7．5三級換熱器補強面積計算 394
5．7．6四級換熱器補強面積計算 396
5．7．7換熱器A補強面積計算 398
5．7．8換熱器B補強面積計算 400
5．7．9換熱器C補強面積計算 402
5．8法蘭與墊片選擇 404
5．8．1法蘭與墊片 404
5．8．2法蘭與墊片型號選擇 404
5．9隔板、封條與導流板選擇 404
5．9．1隔板厚度計算 404
5．9．2封條選擇 407
5．9．3導流板選擇 407
5．10換熱器的成型安裝 407
5．10．1換熱器組裝要求 407
5．10．2板束要求 408
5．10．3焊接要求 408
5．10．4封頭選擇 408
5．10．5試驗、檢驗 408
5．10．6換熱器安裝 409
5．10．7絕熱及保冷 409
本章小結 409
參考文獻 409
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