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1、 摘 要 冷凝器是石油化工及其它一些行業(yè)中廣泛使用的熱量交換設備，它將工藝蒸氣冷凝為液體。管殼式冷凝器在現(xiàn)階段的化工生產(chǎn)中應用得最為廣泛，而且設計資料和數(shù)據(jù)較為完善，技術上成熟。本論文首先根據(jù)具體的工藝條件對其進行工藝設計;然后采用常規(guī)設計方法對該冷凝器的結構進行詳細設計，并利用 ANSYS 軟件對管板的厚度進行優(yōu)化設計;最后介紹冷凝器在制造、檢驗和運行維護等方面的具體要求。 關鍵詞：冷凝器，管板，管程，殼程，ANSYS，優(yōu)化設計 Abstract The condensers are equipments primarily for transferring h

2、eat between hot and cold streams in the field of petroleum and chemical. They are used to condense the craft steam into the liquid. Shell-and-tube condensers are used most extensively. The design data and technique applied for them are sufficient. First, the craft design is performed according to th

3、e detailed craft conditions. Secondly , the structure of the condenser is designed using the design by rules. Subsequently , the optimum design about the thickness of tube-sheet is performed with ANSYS software . Finally , some requirement about production, examination ,work etc. are described. Key

4、 words: condenser, tube-sheet, tube side , shell side , ANSYS, optimum design 目 錄 第一章 前言 1.1 本課題的研究背景… 1 1.2 本課題的研究意義… 2 1.3 冷凝器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢… 2 1.4 管殼式冷凝器及其發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.5 管殼式冷凝器工藝設計淺析… 6 第二章 冷凝器工藝設計 2.1 設計的原始數(shù)據(jù) 11 2.2 確定設計方案 11 2.3 確定物性數(shù)據(jù) 11 2.4 估算傳熱面積 12 2.5 工藝結構尺寸設計 13 2.6 換熱器核算… 14 第

5、三章 冷凝器機械設計 3.1 殼體設計… 18 3.2 管箱短節(jié)、封頭設計… 19 3.3 接管和法蘭的選用… 19 3.4 管箱短節(jié)開孔補強校核… 20 3.5 管箱短節(jié)開孔補強校核… 21 3.6 容器法蘭的設計… 24 3.7 管板的設計… 25 3.8 其他零件的設計… 41 第四章 基于 ANSYS 的管板厚度優(yōu)化設計 4.1 ANSYS 軟件介紹 44 4.2 優(yōu)化設計簡介 46 4.3 運用 ANSYS 進行具體分析 46 第五章 制造、檢驗與驗收 5.1 換熱器受壓部分的焊縫 52 5.2 殼體 52 5.3 換熱管 52 5.4 換熱管與管板

6、的連接… 53 5.5 管板… 53 5.6 折流板 53 5.7 管束的組裝… 53 5.8 換熱器的組裝 53 5.9 尺寸偏差 54 5.10 換熱器自由尺寸偏差 54 5.11 無損探傷 54 5.12 壓力測試 54 5.13 固定管板換熱器試驗順序 54 5.14 銘牌 54 第五章 安裝、試車與維護 6.1 安裝 56 6.2 試車 56 6.3 維護 56 第七章 設計結論和展望 7.1 設計結論… 58 7.2 對進一步研究的展望… 58 參考文獻 59 致 謝 60 附 錄 1 61 附 錄 2 65 基于 ANSYS 的

7、冷凝器結構設計 第一章 前 言 1.1 本課題的研究背景 1.1.1 換熱器的應用現(xiàn)狀 換熱器是化學、石油化學及石油煉制工業(yè)中以及其他一些行業(yè)中廣泛使用的熱量交換設備，它不僅可以單獨作為加熱器、冷卻器等使用，而且是一些化工單元操作的重要附屬設備，因此在化工生產(chǎn)中占有重要的地位。通常在化工廠的建設中換熱器投資比例為 11%，在煉油廠中高達 40%。隨著化學工業(yè)的迅速發(fā)展及能源價格的提高，換熱器的投資比例將進一步加大，因此，對換熱器的研究倍受重視，從換熱器的設計、制造、結構改進到傳熱的研究一直十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。 由于工業(yè)生產(chǎn)中所用換熱器的目的和要求

8、各不相同，換熱設備的類型也多種多樣。按換熱設備的傳熱方式劃分主要有直接接觸式、蓄熱式和間壁式三類。雖然直接接觸式和蓄熱式換熱設備具有結構簡單，制造容易等特點，但由于換熱過程種， 有高溫流體和低溫流體相互混合或部分混合，使其在應用上受到限制。因此工業(yè)上所用換熱設備以間壁式換熱器居多。間壁式換熱器的類型也是多種多樣，從其結構上大致可分為管式換熱器和板式換熱器。管式換熱器主要包括蛇管、套管和列管式換熱器；板式換熱器主要包括型板式、螺旋板式和板殼式換熱器。不同類型的換熱器各有自己的優(yōu)缺點和適用條件。一般來說，板式換熱器單位體積的傳熱面積較大， 設備緊湊，材耗低，傳熱系數(shù)大，熱損失小。但承壓能力較低，工

9、作介質的處理量較小，且制造加工較復雜，成本較高。而管式換熱器雖然在傳熱性能和設備的緊湊性上不及板式換熱器，但它具有結構較簡單，加工制造比較容易，結構堅固，性能可靠，適應面廣等突出優(yōu)點，因此被廣泛應用于化工生產(chǎn)中。特別是列管式換熱器在現(xiàn)階段的化工生產(chǎn)中應用最為廣泛，而且設計資料和數(shù)據(jù)較為完善，技術上比較成熟。 1.1.2 換熱器的發(fā)展趨勢及研究動向 當前換熱器發(fā)展的基本動向是繼續(xù)提高設備的效率，促進設備結構的緊湊性， 加強生產(chǎn)制造的標準化、系列化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展。同 - 59 - 時仍然注意基礎理論與測試方法的研究。 新能源換熱器的研究：能源的充

10、分供應對發(fā)展生產(chǎn)，保持并提高人民的生活水平是息息相關的。盡管能源的供應前景仍不容樂觀，但工業(yè)和民用的需要仍在增長， 這是世界范圍內(nèi)急需解決的問題。要求集中力量研究各種形式的能量轉換技術，有效地利用能源。 緊湊式換熱器的研究：緊湊式換熱器包括板翅、板式、板殼式等換熱器，它們具有優(yōu)異的性能，在采用多流道布置后，其優(yōu)越性更為顯著。 強化傳熱管的研究：今年來，國內(nèi)外在采用強化傳熱管改進換熱器的性能，提高傳熱效率，減少傳熱面積，降低設備的投資等方面取得顯著成績。強化傳熱同時也是利用低溫位熱量的關鍵部件。 余熱回收裝置的研究：工業(yè)余熱的利用的潛力很大，對生產(chǎn)影響顯著，企業(yè)的熱利用率比較低的原因式低溫

11、位熱能沒有很好的利用起來。這種熱能量大面廣，合理利用有著巨大的意義。 換熱器基礎技術理論及測試技術的研究：發(fā)展基礎理論是指導推進設計研究的必要前提。傳熱和換熱器測試技術的研究，可以使實驗分析工作進行得更精確、更迅速。高效換熱設備的研究，使得傳熱表面形狀更加復雜，流體流動更加不規(guī)律， 因此需要更加先進的測試手段。 1.2 本課題的研究意義 化工生產(chǎn)中,管殼式冷凝器作為最重要設備之一，應用得很廣。良好的冷凝器設備結構形式、工藝設計控制方法和參數(shù)的選擇，不僅使化工生產(chǎn)過程能穩(wěn)定進行, 而且又節(jié)省投資、降低能耗、增加企業(yè)經(jīng)濟效益。本課題是“基于 ANSYS 冷凝器的結構設計” 。主要內(nèi)容是：

12、首先根據(jù)給定的工藝條件進行工藝設計，然后再用常規(guī)設計方法進行詳細的結構設計，最后借助 ANSYS 軟件對其結構尺寸進行優(yōu)化設計?？紤]到管板在換熱器中的重要作用，由于篇幅限制本文僅對管板進行了研究。通過本課題的研究，將會使設備的工藝條件和結構形式更為合理，設備的性價比能夠提高到一個新的水平。 1.3 冷凝器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 冷凝器是蒸氣壓縮式制冷裝置中的主要熱交換設備之一，它的作用是將壓縮機 排出的高溫高壓制冷劑蒸氣的熱量傳遞給冷卻介質并使其凝結成液體，其性能好壞直接影響到制冷裝置運轉的經(jīng)濟性和可靠性。因此，正確地設計、選擇冷凝器的結構與型式，最大限度地發(fā)揮其傳熱效能，對提高制

13、冷裝置運轉的經(jīng)濟性非常重要， 對保障制冷裝置安全運行也是非常必要的。 1.3.1 常見冷凝器類型與結構特點簡介 按冷卻介質與冷卻方式，冷凝器可分為水冷式、空冷式和蒸發(fā)式三種類型。在此重點介紹蒸發(fā)式冷凝器。 蒸發(fā)式冷凝器主要靠水的蒸發(fā)吸熱來冷卻制冷劑蒸氣,由冷卻管組、給水設備、通風機、擋水板和箱體等部分組成。冷卻管組是用無縫鋼管組成的蛇形冷凝管組, 被冷卻的制冷劑蒸氣由上部進入蛇形盤管內(nèi)，冷凝后的液體從盤管下部流出。冷卻水從盤管頂部的噴嘴噴出，直接噴淋在盤管表面，噴淋的冷卻水一部分受熱而蒸發(fā)成水蒸氣，另一部分流到下部并匯集在水盤內(nèi),經(jīng)水泵再送到噴嘴循環(huán)使用。由于蒸發(fā)式冷凝器主要利用水的

14、汽化潛熱帶走制冷劑液化的凝結潛熱，而水冷式冷凝器中水的溫升僅為 6～8℃，因此蒸發(fā)式冷凝器的耗水量約為水冷式冷凝器的 1%，加上漂水及其它用水，僅為 2%，對節(jié)約用水具有重要意義。但這種冷凝器傳熱系數(shù)較低，易銹蝕，清除水垢困難,必須使用軟化水。 1.3.2 各種冷凝器性能比較 表[1-1]和表[1-2]對各種冷凝器的性能與耗水情況分別進行了比較。另外據(jù)計算, 以氨為制冷劑，產(chǎn)冷量在 3.8106kJ/h 時，蒸發(fā)式冷凝器比管殼式冷凝器平均每年節(jié)電 3.4105kWh。 表 1-1 冷凝器性能比較表 表 1-2 冷凝器耗水比較表 1.3.3 冷凝器的選用原則

15、 冷凝器的選擇主要取決于當?shù)氐乃础⑺|水溫、氣候條件及有關技術規(guī)范要求等因素，通常以節(jié)能為原則。綜合考慮投資與運轉費用后，應按下面原則選用冷凝器 ：①冷凝器的冷凝面積應能滿足制冷裝置實際運行的最大負荷工況要求，并有一定裕量；②冷凝器的數(shù)量與制冷機配套，不考慮備用；③ 對配有冷卻塔的水冷卻臥式管殼冷凝器因水溫差不可能達到 6～ 8℃，故循環(huán)水量要加大，阻力降增加，可采用減少流程的方法來降低流速；④從目前水資源較緊來看，建議在內(nèi)陸地區(qū)選用蒸發(fā)式冷凝器。 1.3.4 冷凝器的發(fā)展趨勢 提高冷凝器的傳熱效率，在一定傳熱量和能量消耗的前提下使設備緊湊，減少占地和材料消耗，降低成本，是冷凝器今

16、后總的發(fā)展趨勢，可由以下兩個方面得以實現(xiàn)。 （1） 采用高的長徑比：冷凝器采用高的長徑比，一般在 6~9 之間，此時冷凝器的體積小，豎直方面重疊的排數(shù)也少，冷凝器換熱系數(shù)高。另外，殼體長可使水側的流程數(shù)減少，管數(shù)減少，水側阻力損失也相應減小。 （2） 采用高效能換熱面：各種人工強化的冷凝面統(tǒng)稱為高效能傳熱面。螺旋直肋或焊、插螺旋線管中冷凝氟利昂，凝結換熱系數(shù)比空管提高 3.7 倍。日本某公司研制的 C 型管和我國某廠研制的 DAC 管由于管外側面粗糙，頂部呈鋸狀，同時DAC 管內(nèi)表面加工一條從外表面向里軋制的單頭圓凸形螺旋線，因此具有很高的冷凝換熱系數(shù)，可達光管的 8～10 倍。采用表面縱

17、槽或波形冷凝面及橫紋槽管和縮放管都可大大提高傳熱效率?？傊ㄟ^管子形狀或表面性質的改造來強化傳熱過程，以提高冷凝器的效率，是國內(nèi)外冷凝器發(fā)展的一種趨勢。 1.3.5 結論 （1） 選擇冷凝器必須綜合考慮投資與運轉的經(jīng)濟性； （2） 冷凝器型式的選用要依據(jù)具體工作及使用情況作出合理的選擇,避免盲目性； （3） 內(nèi)陸地區(qū)應選用節(jié)水、節(jié)電尤為顯著的蒸發(fā)式冷凝器； （4） 高效傳熱管的研制將成為今后冷凝傳熱研究的熱門，各種新型高效傳熱管將不斷涌現(xiàn)。 1.4 管殼式冷凝器及其應用現(xiàn)狀 在現(xiàn)階段, 管殼式冷凝器在化工生產(chǎn)中應用最為廣泛，而且設計資料和數(shù)據(jù)較為完善，技術上比較成熟

18、。管殼式冷凝器中所用的換熱表面可以是簡單的光管、帶肋片的擴展表面或經(jīng)開槽、波紋或其他特殊方式處理過的強化表面。 1.4.1 管殼式冷凝器類型 管殼式冷凝器有臥式與立式兩種類型，被冷凝的工藝蒸汽可以走殼程，也可以走管程。其中臥式殼程冷凝和立式管程冷凝是最常用的形式。 （1） 臥式殼程冷凝器：它的優(yōu)點是壓降小，冷凝冷卻劑走管程便于清洗；缺點是蒸汽與冷凝液產(chǎn)生分離，難于全凝寬沸程范圍的混合物。 （2） 臥式管程冷凝器：這種冷凝器的管程多是單程或雙程。其中傳熱管長度和直徑的大小，以及傳熱管的排列方式取決于管程和殼程傳熱的需要。管程采用雙程時，冷凝液可以在管程之間引出，這樣可以減少液相的覆蓋

19、面積也可以減小壓降， 同時，用減少第二程管數(shù)的方法使其保持質量流速不變。在這種冷凝器中，蒸汽與冷凝液的接觸不好，因此對寬沸程蒸汽的完全冷凝是不適宜的。此外，由于冷凝液只是局部地注滿管道，因此過冷度較低。 （3） 立式殼程冷凝器：殼程設置折流板或支承板，蒸汽流過 防沖板后自上而下流動，冷凝液由下端排出。冷卻水以降膜的形式在管內(nèi)向下流動，因而冷卻水側要求的壓力低；由于水的傳熱系數(shù)大，故耗水量少，但水的分配不易均勻，可以在管口安裝水分配器。 （4） 管內(nèi)向下流動的立式管程冷凝器：蒸汽是通過徑向接管注入頂部，在管內(nèi)向下流動，在管壁上以環(huán)狀薄膜的形式冷凝，冷凝液在底部排出，為使出口排氣中攜帶的冷凝液

20、量很少。 （5） 向上流動的立式管程冷凝器：這種冷凝器通常是直接安裝在蒸餾塔的頂 部，以利于利用冷凝液回流來氣提少量低沸點組分。為了確保有熱的冷凝液或防止低沸點組分被冷凝，可采用冷凝介質向上流動的流程。蒸汽經(jīng)由徑向接管注入其底部。 1.4.2 管殼式冷凝器選型 冷凝器選型應考慮的因素如下： （1） 蒸汽壓力：對于低壓蒸汽，為減小壓降，宜在殼程冷凝；對于高壓蒸汽， 為降低設備投資宜在管程冷凝。 （2） 凍結與污垢：若凝液可凍結，為使堵物影響小些則宜在殼程冷凝；若蒸汽含垢或有聚合作用，為便于清洗宜在管程冷凝。 （3） 蒸汽為多組分：冷凝多組分蒸汽或在氣提時能夠防止低沸點組

21、分冷凝， 宜于采用立式管程冷凝器。 1.4.3 管殼式冷凝器的應用 蒸發(fā)設備中的冷凝器利用冷卻水將二次蒸汽冷卻 ,它可分為兩類 ,一類是間接式冷凝器一類是直接式冷凝器。間接式冷凝器也叫表面式冷凝器 ,包括管殼式冷凝器 ,盤管式冷凝器及板式冷凝器。目前國內(nèi)外的蒸發(fā)設備采用管殼式冷凝器越來越多。這主要是因為管殼式冷凝器有以下幾方面的優(yōu)點。冷卻水不受二次蒸汽污染可以循環(huán)利用 ;由于水在冷凝器內(nèi)是閉式循環(huán)沒有水的沖擊聲 ,不像水力噴射器所使用的冷卻水暴露在外面有水的沖擊聲 ;不受空間高度的約束限制 ,可立式安裝也可臥式安裝 ,不像大氣式冷凝器受空間高度的限制 (大氣式冷凝器安裝高度在 10.5

22、ｍ 以上 ),冷卻效果也不比直接式冷凝器差 ,并便于自控 ,因此在蒸發(fā)設備中被廣泛采用。只是管殼式冷凝器制造成本較高。 1.5 管殼式冷凝器工藝設計淺析 化工生產(chǎn)中，管殼式冷凝器（以下簡稱冷凝器）作為最重要設備之一，應用得很廣。良好的冷凝器設備結構形式、工藝設計控制方法和參數(shù)的選擇，不僅使化工生產(chǎn)過程能穩(wěn)定進行，而且又節(jié)省投資、降低能耗、增加企業(yè)經(jīng)濟效益。下面就冷凝器的工藝設計要點，結合工程設計作一下淺析。 1.5.1 流體力學基礎和工藝設計參數(shù)的選擇 1、流體力學基礎 在冷凝器的工藝設計中，流體壓力降要求、流量分配、流路情況設計的好壞， 直接關系到冷凝器是否能滿足實際生

23、產(chǎn)要求、經(jīng)濟和操作穩(wěn)定性，這就歸結到流體力學問題。在設計時，對已經(jīng)確定形式的冷凝器來說,提高給熱系數(shù)的最有效方法就是提高流速,但同時又意味著增大壓降。這就需要考慮四個問題：一是流體給熱系數(shù)提高，傳熱系數(shù)也必須提高，否則無意義；二是提高流速，要考慮是否經(jīng)濟； 三是要滿足系統(tǒng)的工藝要求；四是要保證操作可靠和穩(wěn)定，還要有利于操作的掌握和提高。對于一定流速的情況下，設計計算的換熱面積達到要求，如流體壓降太大， 那么設計就不合理。采取的方法是，選用大一點、長一點的管子，同時保持流體的流速和換熱面積基本不變。如有客觀條件限制（如設備安裝維修場地、設備的剛性和經(jīng)濟性等），才采用降低流速，管長不變，增加換熱面

24、積的方法。這種方法不利之處是有時會使換熱面積要取得很大。另外設計冷凝器時，對殼程來說，增加擋板和使管子按三角形排列，能增強換熱效果、減少換熱面積、節(jié)約設備投資。擋板的設計首先考慮流體能否正常通過，然后考慮傳熱效果和阻力因素,同時在設計擋板時應注意避免死區(qū)和旁流、溝流及可能出現(xiàn)震動等流體力學問題。 2、工藝設計參數(shù)的選擇 冷凝器是通過冷熱交換將氣體冷卻冷凝的設備，熱量的傳遞是以溫差為推動力。為了達到較好的傳熱傳質效果，換熱管的管徑大小、管間距大小、擋板形狀和數(shù)量等，對冷凝器設計工藝參數(shù)的選擇就顯得非常重要。 （1） 管徑的選擇冷凝器設計常用的換熱管管徑為 19、25、38mm。對無污垢的常

25、壓下的流體，如工藝系統(tǒng)對流體通過冷凝器的壓力降沒有特殊要求，換熱管管可取 19 mm；介質易結垢的,管徑可放大,取 25 mm，不要取得太大。換熱管管徑太大，管內(nèi)流體的實際流速變小，污垢更易沉積、使給熱系數(shù)降低；管徑太大，即使在同樣的流速下雷諾數(shù)變小，湍流程度降低，給熱系數(shù)也要變小，對換熱都是不利的。在同等壓力下，管徑大的換熱管其壁厚必然需增厚，熱通量不如小管徑的好。進入冷凝器中易結垢的流體、直徑太小的換熱管肯定是不行的，要根據(jù)實際情況綜合考慮后確定管徑。 （2） 傳熱系數(shù)有關參數(shù)的選擇當冷凝發(fā)生在殼程時，其管間距大小、擋板多少（僅指臥式、立式用攔液板）、換熱管材料等的影響表現(xiàn)如下；對于金屬

26、來說， 如果換熱介質中有一種（或兩種）介質的給熱系數(shù)不大，在計算傳熱系數(shù)時金屬的 導熱系數(shù)可忽略不計，否則需要考慮。至于非金屬材料，石墨的情況和金屬大致相同，聚四氟乙烯、陶瓷等大多數(shù)非金屬材料的導熱系數(shù)都很小，在兩種介質的給熱系數(shù)都很大時，計算傳熱系數(shù)時可只考慮非金屬管的導熱系數(shù)和污垢的熱絕緣系數(shù)。對于換熱管是金屬和非金屬組成的復合材料，其傳熱系數(shù)與非金屬材料的差不多。污垢熱絕緣系數(shù)取值的正確與否是準確估算傳熱系數(shù)的關鍵，目前從理論上還無法計算污垢熱絕緣系數(shù)值，只能根據(jù)工程經(jīng)驗取值。 （3） 管間距與擋板的選擇在同一殼徑中，采用三角形排列可比正方形排列的管束多排 14%的管子，因而

27、單位面積的金屬耗量較低，故通常推薦管子按等邊三角形排列，管間距為 32 mm。折流板的作用是提高流速，改變流動方向，提高氣相雷諾數(shù)，以提高殼程給熱系數(shù)，同時并支撐管子防止震動。常見的折流板有弓形（圓缺形）、盤環(huán)形、管孔形等。弓形折流板由于能引導流體以垂直方向錯流管束，有利于湍流和傳熱，應用最為廣泛。當殼程給熱系數(shù)為控制因素時，板間距小，為了使流動方向垂直于管束，板間距應不大于殼徑。為了減少壓力損失，最好使折流板缺口處的有效流通面積與折流板間的流通面積相近。缺口面積太大或板間距太大都會造成流動死區(qū)，使傳熱效率下降，污垢迅速增加。 1.5.2 材料和換熱介質走向的選擇 1、材料和換熱介質的

28、選擇 冷凝器選材分殼程和管程兩方面，基本上都是根據(jù)流體的物性和冷凝器的工作溫度、壓力范圍等條件確定?？蓮睦淠齻群鸵茻醾葍煞矫婵紤]。在冷凝側，對低壓腐蝕介質流體的冷凝，其材料可選擇石墨或聚四氟乙烯等；在壓力比較高或真空條件下的腐蝕介質流體，可選擇加鈦的鋼材、耐腐蝕的不銹鋼或合金，也有在金屬表面加上防腐覆蓋層的復合材料，但它很少用于化學工業(yè)。移熱側一般不選擇腐蝕性流體作移熱介質，如必須用腐蝕性介質移熱時，選材如冷凝側一樣考慮。 化學工業(yè)中最常用的移熱介質是工業(yè)冷卻水，這種水里含氧較多，宜作除氧處理。如工業(yè)冷卻水中含氯等鹵素離子（碘離子除外）的濃度偏高，不宜選用普通不銹鋼。移熱介質有腐蝕性時，其

29、選材與冷凝側相同。移熱介質是根據(jù)冷凝介質的冷凝溫度選擇決定。工業(yè)冷卻水要求冷凝后的冷凝介質的溫度應在 30℃以上。如該溫度在-25～30℃，移熱介質通?？蛇x用冷凍鹽水和液氨等。冷凝溫度在-60～-25 ℃，宜選用無氟制冷劑作為移熱介質。在更低的冷凝溫度下,則可選用乙烯等作移熱介質。 2、換熱介質走向的選擇設計 冷凝器時首先要考慮以下三方面因素：①能長周期穩(wěn)定運行，且對系統(tǒng)前后設備狀態(tài)、工藝參數(shù)控制等無不良影響；②滿足現(xiàn)場安裝和維修方面的一些特殊要求； ③造價低，備件易于在國內(nèi)采購。 在滿足上述要求的基礎上進行流體的流向選擇，確定冷凝介質是走管程好還是走殼程好，下述經(jīng)驗可供參考

30、：①移熱介質的流速小，宜走殼程；②相對揮發(fā)度相差太大的多組分氣體全凝，宜走殼程；③對于含氣液二相的冷凝，其冷凝介質宜走殼程；④腐蝕性介質宜走管程；⑤易產(chǎn)生污垢的冷凝氣體宜走管程；⑥多組分但相對揮發(fā)度相差很小的全冷凝氣體宜走管程；⑦高壓流體應走管程；⑧有少量不凝氣體需排放的冷凝介質宜走管程。 1.5.3 冷凝器工藝設計 1、換熱面積計算 在確定了流體的走向后，換熱面積的求取可根據(jù)氣體冷凝量、傳熱平均溫差和估算的傳熱系數(shù)進行。氣體冷凝量、出入口溫度已由工藝條件決定，這時首先確定移熱介質在滿負荷運轉情況下的出入口溫度。它有兩種情況：首先，對已由前后工藝條件限制的冷凝器可直接將這些溫度值用于

31、設計計算；其次，對入口溫度有限制的，出口溫度可在一定范圍內(nèi)變化的，移熱介質的出口溫度的選擇除必須保證冷凝器的平均溫差符合一般的工藝設計要求，且根據(jù)具體情況留一定的裕度外，還要考慮設備選型、制造、工藝控制方面的要求。工藝控制方面除保證冷凝器設計的實用性、安全可靠性、經(jīng)濟性外，還要考慮工藝控制的靈敏性和穩(wěn)定性。在滿足工藝要求的情況下，冷凝器在型式、管材和污垢熱絕緣系數(shù)等一定的情況下，提高傳熱系數(shù)，實質上就是提高冷凝相和移熱相的給熱系數(shù)。由于冷凝相的給熱系數(shù)一般很大，因此要注意盡可能提高移熱相的給熱系數(shù)，從而使換熱面積小一些，設備投資少一些。 2、換熱面積的校核和確定 初步算好換熱面積，根據(jù)實際

32、情況選取一定的裕量，得到設計的換熱面積后， 還需對冷凝器進行校核，不合格的要重新計算。 用初選的冷凝器各項計算結果和參數(shù)核算傳熱系數(shù)，然后以該傳熱系數(shù)計算出新的換熱面積，校核前后的結果，兩者相符證明計算符合要求。如前者遠大于后者，在無特殊設計條件限制的情況下說明換熱面積選擇過大，從經(jīng)濟、防腐、防污 垢或聚合物沉積的角度出發(fā)，應重新計算。如有壓力降要求，可選用減少流體流通截面積和管數(shù)的方法解決，如無壓降要求，可用減少管數(shù)和縮短管長的方法進行。如前者小于后者，一定要重新設計。在壓降、場地、冷凝器類型等都無特殊要求的情況下，保持流速不變，增加管長是最經(jīng)濟的手段，如條件不具備，特別是壓降有

33、要求，這時可用增大流通截面積，增加管數(shù)，降低流速的方法或再與增加管長并舉的方法解決。校核合格后，根據(jù)校核前后相符合的換熱面積，確定設計的冷凝器規(guī)格。 1.5.4 結束語 冷凝器是重要的單元設備，傳熱過程往往不是單一的過程。它與流體物性、流體流動和物質傳遞等諸多因素密切相關，目前尚缺少精度較高的傳熱計算關聯(lián)式；由于換熱介質產(chǎn)生的污垢熱絕緣系數(shù)仍需憑經(jīng)驗選取，因此傳熱計算的結果與實際的傳熱過程存在一定的偏差。另外，冷凝器設計的成敗在很大程度上取決于設計工作者對工程概念的認識和對生產(chǎn)操作工況熟悉程度，這些都要求我們不斷積累經(jīng)驗，根據(jù)系統(tǒng)的要求采取有針對性的措施，真正達到系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能的目的。

34、 第二章 冷凝器工藝設計 2.1 設計的原始數(shù)據(jù) 表 2-1 設計的原始數(shù)據(jù) 項目 殼程 管程 項目 殼程 I 管程 設計壓力(Mpa) 設計溫度(℃) 操作壓力(Mpa) 操作溫度(℃) 物料名稱 0.6 100 0.1 64.7 甲醇蒸汽 0.6 100 0.1 30/40 循環(huán)水 物料質量 流量（㎏/s） 焊縫系數(shù) 腐蝕裕度（㎜） 容器類別 2.4 0.85 2 0.85 1.5 2.2 確定設計方案 1、確定結構形式。由于介質換熱溫差不大，在工藝和結構上均無特

35、殊要求因此，可選用固定管板式換熱器。 2、流程安排。由于循環(huán)冷卻水易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體上考慮，應使循環(huán)水走管程，甲醇蒸汽走殼程。 2.3 確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：對于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故管程水的定性溫度為 tm 殼程甲醇蒸氣的定性溫度為 = 30 + 40 = 35o C 2 m T = 64.7oC 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。甲醇的有關物性數(shù)據(jù) s s 密度 r = 775.2Kg / m3 （液態(tài)） r = 3.984

36、Kg / m3 （氣態(tài)） 汽化熱 g = 1101KJ / Kg 熱導率粘度 l = 0.195W /(Kg.o C) s s m = 3.27 10-4 Pa.s (液態(tài))  s m = 11.157 10-4 Pa.s (氣態(tài)) 循環(huán)冷卻水的有關物性數(shù)據(jù) t 密度 r = 997.1Kg / m3 熱導率 l = 0.6241W /(Kg.o C ) t 定壓比熱容粘度 普朗特常數(shù) c = 4174J /(Kg.o C) t pt m = 7.428 10-4 Pa.s P

37、rt = 4.98 2.4 估算傳熱面積 1、熱流量 取換熱器效率h = 0.98 s Q = w gh = 2.4 1101 0.98 = 2.590 106W 2、有效平均溫度差 T i =64.7℃  T 0 =64.7℃  t i =30℃  t 0 =40℃ Δt 1 = T i ―t i =34.7℃， Δt 2 = T 0 ―t 0 =24.7℃ Δtlog = Δt1 - Δt2 =29.41℃ ln Δt1 Δt 2 3 、傳熱面積 根據(jù)表 4-1[ 本章公式和圖表均來自文

38、獻 4] 可初選 K 0 = 830W (m2 .o C) ，則估算的傳熱面積為 4、冷卻水用量 A0 = K Q o ΔtM 2.590 106 = = 106.1m2 830 29.41 wt = c Q pt Δt2 = 2.590 106 4174 10 = 62.05Kg / s 2.5 工藝結構尺寸設計 1、管徑和管內(nèi)流速 選用f 25 2.5 較高級冷撥換熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速 ui = 0.84 m s 。 2、管程數(shù)和換熱管數(shù) ns = wt i 0.7

39、85d 2u = 62.05 0.785 0.022 0.84  238 按單程管計算，所需的換熱管長度為 L = A0 pdons = 106.1 3.14 0.025 238  = 5.68m 根據(jù)本設計實際情況，現(xiàn)取換熱管長l = 3m ，則換熱器的管程數(shù)為 N = L = 5.68 2 P l 3 3、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) R= Ti - T0 =0 P= t0 - ti  =0.29 t0 - ti Ti - ti 按單殼程，雙管程結構，查圖 4-2 得溫度校正

40、系數(shù) e Δt =1 ΔtM = e Δt Δtlog = 1 29.41 = 29.41 ℃ 4、換熱管排列和分程方法 采用組合排列法，即分程隔板槽兩側采用正方形排列，其余按正三角形排列。見圖 3-13。 取管心距s = 1.25d0 = 1.25 25 = 32mm 分程隔板槽兩側中心距sn = s + 12 = 44mm 管束的分程方法，每程各有換熱管 238 根，其前后管箱中隔板設置和介質的流 通順序按圖 3-14 選取。 5、殼體內(nèi)徑 采用多管程結構，殼體內(nèi)徑可按式（3-19）估算。取管板利用率h = 0.8 ，則殼體內(nèi)徑為 D =

41、 1.05s = 1.05 32 = 814mm nh 476 0.8 按 GB9019-1998《壓力容器公稱直徑》選取 D=800mm 6、折流板 采用單弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的 20％， 則切去的圓缺高度 h=0.20D=0.20 800 = 160mm 取折流板間距 B=0.58D，則 B = 0.58 800 = 464mm ,可取 B 為 470mm。折流板數(shù) Nb = 6 ，折流板圓缺面水平裝配，見圖 3-15。 2.6 換熱器核算 1、熱流量核算 s （1） 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用德沃爾法計算，見式（3-27

42、）~（3-29） 當量管數(shù)n = 2.08n0.495 = 43.8 M = m lns = 2.4 3 43.8  = 0.018 Re m 2 1 = 4M ms 1 = 4 0.018 32.7 10-5 = 220 2100 由a * = a ( s ) 3 = 1.51R 3 = 9.12 得a = 72381 W /(m2 .K ) 0 r 2 gl2 e 0 s s （2） 管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 按式（3-32）和（3—33）有 a = 0.023 lt

43、 R0.8 P0.4 d i e r i 管程流體流通面積 Si 管程流體流速  = 0.785 0.022 476 = 0.07473m2 2 ui = 62.05 997.1 0.07473 = 0.839m / s R = 0.02 0.839 997.1 = 22525 e 7.428 10-4 a = 0.023 0.6241 225250.8 4.980.4 = 4138.4W /(m2 .K ) i 0.02 (3)污垢熱阻和管壁熱阻 按表 3-10，可取： 0 i 管外側

44、污垢熱阻管內(nèi)側污垢熱阻 R = 35.2 10-5 m2 .K / W R = 17.6 10-5 m2 .K / W 管壁熱阻按式（3-34）計算，依表 3-11，碳鋼在該條件下的熱導率為 51.8W /(m.k ) 。所以 Rw （4）總傳熱系數(shù) Kc = 0.025 = 5.4 10-5 51.8 依式（3-21）有  m2 .K /W Kc = 1 ( 1 72381 + 0.000352 + 0.000054 25 22.5 + 0.000176 25 + 20 = 1013W /(m2 .

45、K ) 1 4134.8  25） 20 （5）傳熱面積裕度 依式（3-35）可得所計算傳熱面積 Ac 為 A = Q c M c K Δt 該換熱器的實際傳熱面積 AP 2.5960 106 = = 86.94m2 1013 29.41 p st A = npd (l - 2d ) = 476 3.14 0.025 (3 - 2 0.045) = 109.0m2 式中d st ——管板的厚度，假設取值為 45mm。該換熱器的面積裕度按式（3-36）計算為 H = AP - AC AC = 109.0 -

46、 86.94 = 25% 86.94 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。 2、壁溫核算 計算中，應按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是，按式（3-42）有 tw = = 64.7 / 4138.4 + 35 / 72381 = 55.35o C Tm a c + tm ah 1 ac + 1 ah 1 / 4138.4 + 1 / 72381 式中：ac = ai ，ah = ao 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即TW = T = 64.7 C o 殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為

47、ΔtW = 64.7 - 55.35 = 9.35o C 3、換熱器內(nèi)流體的流動阻力 （1）管程流體阻力 依式（3-47）~（3-49）可得 Δpt = (Δpi + Δpr )Ns N p Fs N S = 1, Δ  l ru2 N P = 2 d 2 pi = li i 由 R = 22525 ，傳熱管相對粗糙度 0.2 = 0.01, 查莫狄圖得l  = 0.04 ，所以 e 20 i Δ 3 997.1 0.8392 pi = 0.04 0.02 2 = 3790Pa Δ

48、pr = 3 997.1 0.8392 2 = 2280Pa Δpt = (3790 + 2280) 2 1.5 = 18750Pa 管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 （2）殼程流體阻力 依式（3-50）~（3-54）可得 Δps = (Δpo + Δpi )Ns Fs NS = 1, FS = 1 流體流經(jīng)管束的阻力  ru2 Δpo = Ffo NTC (NB + 1) 0 2 F = 0.5 ， N B = 6 NTC = 1.1N 0.5 = 1.1 4760.5 =

49、24.0 T o TC o S = B(D - N d ) = 0.47 (0.8 - 24 0.025) = 0.094mm2 uo = ws r s So = 24 = 9.08m / s 3.984 0.094 Reo = deu0 r s ms = 0.020 9.08 3.984 = 64847 11.157 10-6 o f = 5 64847-0.228 = 0.08 Δ 3.984 9.082 po = 0.5 0.08 24.0 (6 + 1) ?2 =

50、5515.7Pa 流體流經(jīng)折流板缺口的阻力 Δpi = NB (3.5 -  2B ru2 ) 0 , D 2  B = 0.47m ,  D = 0.8m Δpi = 6(3.5 - 2 0.047 ) 0.8 3.984 9.082 2 = 2291.1Pa 總阻力Δps = (5515.7 + 2291.1) 1.0 1 = 7806.8Pa 殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 第三章 冷凝器機械設計 3.1 殼體設計 1、設計條件 設計壓力 Pc = 0

51、.6MPa 設計溫度 t = 100C 內(nèi)徑 Di = 800mm 材料 16 MnR （板材） 鋼板負偏差 C1 = 0 腐蝕裕量 C2 = 2mm 焊接接頭系數(shù)f = 0.85 由 GB150-98,表 4-1 得 試驗溫度許用應力 [s ] = 170MPa 設計溫度許用應力 [s ]t = 170MPa 試驗溫度下屈服點2、厚度計算 d s = 345MPa 計算厚度d = pc Di c 2[s ]t f - p = 0.6 800 2 170 0.85 - 0.6 = 1.7mm （GB1

52、50-89,式 3-1） 對于壓力較低的壓力容器（低合金鋼制容器），按強度公式計算出來的厚 度很薄，往往給制造和運輸帶來困難，為此規(guī)定殼體的d min 3mm （不包括腐蝕余量）。 基于上述原因的考慮，取計算厚度d = 7.5mm 設計厚度 d d = d + C2 = 7.5 + 2 = 9.5mm 名義厚度有效厚度 d n = d d + C1 = 9.5mm ，圓整后取名義厚度 d e = d n - C1 - C2 = 10 - 0 - 2 = 8mm d n = 10mm 3、壓力試驗時應力校核 水壓試驗壓力值： P = 1.25 p

53、 [s ] = 1.25 0.6 170 = 0.75MPa T c [s ]t 170 壓力試驗允許通過的應力水平 [s ]T = 0.90s s = 0.90 345.00 = 310.50MPa （GB150-98） 試驗壓力下圓筒的應力 基于 ANSYS 的冷凝器結構設計 T o = PT (Di + d e ) = 0.75 (800 + 8) = 45.6MPa  （GB150-98,式 3-7） 2d ef 2 8 0.85 由于s T [s ]T ，故水

54、壓強度滿足要求。 氣密試驗壓力 pT = pc = 0.6MPa 3.2 管箱短節(jié)、封頭設計 該換熱器的管箱結構形式采用 B 型封頭管箱，封頭采用標準橢球形封頭。 由一般的設計經(jīng)驗知道，管箱短節(jié)和封頭的厚度與換熱器殼體的厚度基本相同?，F(xiàn)取三者相同。并都選用 16MnR 作為材料。 管箱短節(jié)的強度校核與殼體的強度校核相同。封頭的強度校核 Tf o = pT [KDi + 0.5(d n - C)] = 0.75 [1 800 + 0.5 (10 - 2)] = 44.24MPa 2d ef 2 8 0.85 由于s T [s

55、]T =263.9MPa，故水壓強度滿足要求。 氣密試驗壓力 pT = pc = 0.6MPa 管箱結構尺寸根據(jù)相關的標準和規(guī)定確定，并結合工程實際進行適當?shù)男薷?。具體尺寸見裝配圖或零件圖。 3.3 接管和管法蘭的選用 1、根據(jù)相關標準和規(guī)定，該冷凝器設置六個接管。具體尺寸和名稱如下： 表 3-1 接管的尺寸和用途 符號 公稱尺寸 外徑壁厚 伸出長度 連接面形式 用途或名稱 a 200 2196.0 200 平面 冷卻水出口 b 200 2196.0 200 凹面 甲醇蒸氣入口 c 20 253 150 凹面 放氣

56、口 d 65 764 150 凸面 甲醇物料出口 e 20 253 150 凹面 排凈口 f 200 2196.0 200 平面 冷卻水入口 2、接管法蘭的選取(GB/T9511-2000),見下表： 基于 ANSYS 的冷凝器結構設計 表 3-2 接管法蘭尺寸和型式 符號 公稱尺寸 外徑壁厚 法蘭形式（對焊） a 200 2196.0 法蘭 DN200-PN6 FF(系列Ⅱ) b 200 2196.0 法蘭 DN200-PN16 F c 20 253 法蘭 DN200-PN6 F d 65 764

57、 法蘭 DN200-PN6 M(系列Ⅱ) e 20 253 法蘭 DN200-PN6 M(系列Ⅱ) f 200 2196.0 法蘭 DN200-PN6 FF(系列Ⅱ) 3.4 管箱短節(jié)開孔補強校核 1、開孔補強采用等面積補強法，接管尺寸f 219 6.0 ，材料為：10 號鋼。 許用應力[s ] =112 Mpa 接管的計算壁厚 d t = pc do 2[s ]f + pc = 0.6 219 2 112 0.85 + 0.6  = 0.70mm 接管的有效壁厚 d et = d nt - (

58、c1 + c2 ) = 6.0 - (6 0.15 + 2) = 3.1mm 開孔直徑d = di + 2c = (219 - 2 6.0) + 2 2.9 = 212.8mm 2、補強面積 強度削弱系數(shù) f r  = 112 = 0.687 163 et r A = dd + 2dd (1 - f ) = 212.8 1.7 + 2 1.7 3.1 (1 - 0.687) = 365mm2 3、有效補強范圍 （1） 有效寬度 B B = 2d = 2 212.8 = 125.6 ? ? ?取大值 B = d + 2d n + 2d n

59、t = 212.8 + 2 10 + 2 6 = 244.8mm 故 B=425.6mm。 （2） 有效高度 外側有效高度h1 按下式 dd nt h1 = = = 35.7mm?? 212.8 6 ?取小值 h1 = 200mm(實際外伸高度） ?? 故h1 = 35.7mm 。 外側有效高度h2 按下式確定 dd nt h2 =  = 35.7mm  ?? ?取小值 故 h2 = 0 。 4、有效補強面積 h2 = （0 實際外伸高度）?? （1）筒節(jié)有效厚度d e = d

60、 n - (c1 + c2 ) = 10 - (0 + 2) = 8mm 筒節(jié)多余金屬面積 A1 = (B - d )(d e - d ) - 2d et (d e - d )(1 - f r ) = (425.6 - 212.8) (8 - 1.7) - 2 3.1 (8 - 1.7) 0.313 = 1327.9mm2 （2）接管多余金屬面積 A2 = 2h1 (d et - d t ) f r + 2h2 (d et - c2 ) f r = 2 35.7 (3.1 - 0.7) 0.687 + 0 = 115.7mm2 （3） 接管區(qū)焊縫面積（焊腳

61、取 6.0 ㎜） 3 A = 2 0.5 6.0 6.0 = 36.0mm2 （4）有效補強面積 Ae = A1 + A2 + A3 = 1327.9 + 115.7 + 36 = 1479.6mm2 > A 因此開孔后不需另行補強。 3.5 殼體接管開孔補強校核 1、殼體接管 b 處開孔補強校核同上。 2、殼體接管 d 處開孔補強校核： （1）開孔補強采用等面積補強法，接管尺寸f76 4 ，材料為：10 號鋼。 許用應力[s ] =112Mpa 接管的計算壁厚 d t = pc do 2[s ]f +

62、 pc = 0.6 76 2 112 0.85 + 0.6  = 0.24mm 接管的有效壁厚 d et = d nt - (c1 + c2 ) = 4 - (4 0.15 + 2) = 1.4mm 開孔直徑d = di + 2c = (76 - 2 4) + 2 2.6 = 73.2mm （2）需要補強面積 強度削弱系數(shù) f r = 112 = 0.687 163 et r A = dd + 2dd (1 - f ) = 73.2 1.7 + 2 1.7 1.4 (1 - 0.687) = 126mm2

63、 （3）有效補強范圍 ①有效寬度 B B = 2d = 2 73.2 = 146.4mm ? ? ?取大值 B = d + 2d n + 2d nt = 73.2 + 2 10 + 2 4 = 101.2mm 故 B=146.4mm。 ②有效高度 外側有效高度h1 按下式確定 dd nt h1 = = = 17.1mm?? 73.2 4 ?取小值 故h1 = 17.1mm 。 h1 = 150mm(實際外伸高度） ?? 外側有效高度h2 按下式確定 dd nt h2 =  = 17.1mm  ?? ?取小值

64、 故h2 = 0 。 （4）有效補強面積 h2 = （0 實際外伸高度）?? ①殼體有效厚度d e = d n - (c1 + c2 ) = 10 - (0 + 2) = 8mm 殼體多余金屬面積 A1 = (B - d )(d e - d ) - 2d et (d e - d )(1 - f r ) = (146.4 - 73.2) (8 - 1.7) - 2 1.4 (8 - 1.7) 0.313 = 455.4mm2 ②接管多余金屬面積 A2 = 2h1 (d et - d t ) f r + 2h2 (d et - c2 ) f r

65、= 2 17.1 (1.4 - 0.24) 0.687 + 0 = 26.8mm2 ③接管區(qū)焊縫面積（焊腳取 6.0 ㎜） 3 A = 2 0.5 6.0 6.0 = 36.0mm2 ④有效補強面積 Ae  = A1  + A2  + A3  = 455.4 + 26.8 + 36 = 518.2mm2 > A 因此開孔后不需另行補強。 3、殼體接管 c、e 處開孔補強校核 （1）開孔補強采用等面積補強法，接管尺寸f 25 3 ，材料為：10 號鋼。 許用應力[s ] =112Mpa 接管的計算壁

66、厚 d t = pc do 2[s ]f + pc = 0.6 25 2 112 0.85 + 0.6  = 0.08mm 接管的有效壁厚 d et = d nt - (c1 + c2 ) = 3 - (3 0.15 + 2) = 0.55mm 開孔直徑d = di + 2c = (25 - 2 3) + 2 2.45 = 23.9mm （2）需要補強面積 強度削弱系數(shù) f r = 112 = 0.687 163 et r A = dd + 2dd (1 - f ) = 23.9 1.7 + 2 1.7 0.55 (1 - 0.687) = 41.2mm2 （3）