基于ANSYS冷凝器的结构设计

摘要冷凝器是石油化工及其它一些行业中广泛使用的热量交换设备，它将工艺蒸气冷凝为液体。管壳式冷凝器在现阶段的化工生产中应用得最为广泛，而且设计资料和数据较为完善，技术上成熟。本论文首先根据具体的工艺条件对其进行工艺设计;然后采用常规设计方法对该冷凝器的结构进行详细设计，并利用 ANSYS 软件对管板的厚度进行优化设计;最后介绍冷凝器在制造、检验和运行维护等方面的具体要求。关键词：冷凝器，管板，管程，壳程，ANSYS，优化设计AbstractThe condensers are equipments primarily for transferring heat 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 the 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 words: condenser, tube-sheet, tube side , shell side , ANSYS, optimum design目录第一章前言1.1 本课题的研究背景11.2 本课题的研究意义21.3 冷凝器的现状及发展趋势21.4 管壳式冷凝器及其发展现状51.5 管壳式冷凝器工艺设计浅析6第二章冷凝器工艺设计2.1 设计的原始数据112.2 确定设计方案112.3 确定物性数据112.4 估算传热面积122.5 工艺结构尺寸设计132.6 换热器核算14第三章冷凝器机械设计3.1 壳体设计183.2 管箱短节、封头设计193.3 接管和法兰的选用193.4 管箱短节开孔补强校核203.5 管箱短节开孔补强校核213.6 容器法兰的设计243.7 管板的设计253.8 其他零件的设计41第四章基于 ANSYS 的管板厚度优化设计4.1 ANSYS 软件介绍444.2 优化设计简介464.3 运用 ANSYS 进行具体分析46第五章制造、检验与验收5.1 换热器受压部分的焊缝525.2 壳体525.3 换热管525.4 换热管与管板的连接535.5 管板535.6 折流板535.7 管束的组装535.8 换热器的组装535.9 尺寸偏差545.10 换热器自由尺寸偏差545.11 无损探伤545.12 压力测试545.13 固定管板换热器试验顺序545.14 铭牌54第五章安装、试车与维护6.1安装566.2试车566.3维护56第七章设计结论和展望7.1 设计结论587.2 对进一步研究的展望58参考文献59致 谢60附 录 161附 录 265基于 ANSYS 的冷凝器结构设计第一章前言1.1 本课题的研究背景1.1.1 换热器的应用现状换热器是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要的地位。通常在化工厂的建设中换热器投资比例为 11%，在炼油厂中高达 40%。随着化学工业的迅速发展及能源价格的提高，换热器的投资比例将进一步加大，因此，对换热器的研究倍受重视，从换热器的设计、制造、结构改进到传热的研究一直十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。由于工业生产中所用换热器的目的和要求各不相同，换热设备的类型也多种多样。按换热设备的传热方式划分主要有直接接触式、蓄热式和间壁式三类。虽然直接接触式和蓄热式换热设备具有结构简单，制造容易等特点，但由于换热过程种， 有高温流体和低温流体相互混合或部分混合，使其在应用上受到限制。因此工业上所用换热设备以间壁式换热器居多。间壁式换热器的类型也是多种多样，从其结构上大致可分为管式换热器和板式换热器。管式换热器主要包括蛇管、套管和列管式换热器；板式换热器主要包括型板式、螺旋板式和板壳式换热器。不同类型的换热器各有自己的优缺点和适用条件。一般来说，板式换热器单位体积的传热面积较大， 设备紧凑，材耗低，传热系数大，热损失小。但承压能力较低，工作介质的处理量较小，且制造加工较复杂，成本较高。而管式换热器虽然在传热性能和设备的紧凑性上不及板式换热器，但它具有结构较简单，加工制造比较容易，结构坚固，性能可靠，适应面广等突出优点，因此被广泛应用于化工生产中。特别是列管式换热器在现阶段的化工生产中应用最为广泛，而且设计资料和数据较为完善，技术上比较成熟。1.1.2 换热器的发展趋势及研究动向当前换热器发展的基本动向是继续提高设备的效率，促进设备结构的紧凑性， 加强生产制造的标准化、系列化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。同- 59 -时仍然注意基础理论与测试方法的研究。新能源换热器的研究：能源的充分供应对发展生产，保持并提高人民的生活水平是息息相关的。尽管能源的供应前景仍不容乐观，但工业和民用的需要仍在增长， 这是世界范围内急需解决的问题。要求集中力量研究各种形式的能量转换技术，有效地利用能源。紧凑式换热器的研究：紧凑式换热器包括板翅、板式、板壳式等换热器，它们具有优异的性能，在采用多流道布置后，其优越性更为显著。强化传热管的研究：今年来，国内外在采用强化传热管改进换热器的性能，提高传热效率，减少传热面积，降低设备的投资等方面取得显著成绩。强化传热同时也是利用低温位热量的关键部件。余热回收装置的研究：工业余热的利用的潜力很大，对生产影响显著，企业的热利用率比较低的原因式低温位热能没有很好的利用起来。这种热能量大面广，合理利用有着巨大的意义。换热器基础技术理论及测试技术的研究：发展基础理论是指导推进设计研究的必要前提。传热和换热器测试技术的研究，可以使实验分析工作进行得更精确、更迅速。高效换热设备的研究，使得传热表面形状更加复杂，流体流动更加不规律， 因此需要更加先进的测试手段。1.2 本课题的研究意义化工生产中,管壳式冷凝器作为最重要设备之一，应用得很广。良好的冷凝器设备结构形式、工艺设计控制方法和参数的选择，不仅使化工生产过程能稳定进行, 而且又节省投资、降低能耗、增加企业经济效益。本课题是“基于 ANSYS 冷凝器的结构设计” 。主要内容是：首先根据给定的工艺条件进行工艺设计，然后再用常规设计方法进行详细的结构设计，最后借助 ANSYS 软件对其结构尺寸进行优化设计。考虑到管板在换热器中的重要作用，由于篇幅限制本文仅对管板进行了研究。通过本课题的研究，将会使设备的工艺条件和结构形式更为合理，设备的性价比能够提高到一个新的水平。1.3 冷凝器的现状及发展趋势冷凝器是蒸气压缩式制冷装置中的主要热交换设备之一，它的作用是将压缩机排出的高温高压制冷剂蒸气的热量传递给冷却介质并使其凝结成液体，其性能好坏直接影响到制冷装置运转的经济性和可靠性。因此，正确地设计、选择冷凝器的结构与型式，最大限度地发挥其传热效能，对提高制冷装置运转的经济性非常重要， 对保障制冷装置安全运行也是非常必要的。1.3.1 常见冷凝器类型与结构特点简介按冷却介质与冷却方式，冷凝器可分为水冷式、空冷式和蒸发式三种类型。在此重点介绍蒸发式冷凝器。蒸发式冷凝器主要靠水的蒸发吸热来冷却制冷剂蒸气,由冷却管组、给水设备、通风机、挡水板和箱体等部分组成。冷却管组是用无缝钢管组成的蛇形冷凝管组, 被冷却的制冷剂蒸气由上部进入蛇形盘管内，冷凝后的液体从盘管下部流出。冷却水从盘管顶部的喷嘴喷出，直接喷淋在盘管表面，喷淋的冷却水一部分受热而蒸发成水蒸气，另一部分流到下部并汇集在水盘内,经水泵再送到喷嘴循环使用。由于蒸发式冷凝器主要利用水的汽化潜热带走制冷剂液化的凝结潜热，而水冷式冷凝器中水的温升仅为 68，因此蒸发式冷凝器的耗水量约为水冷式冷凝器的 1%，加上漂水及其它用水，仅为 2%，对节约用水具有重要意义。但这种冷凝器传热系数较低，易锈蚀，清除水垢困难,必须使用软化水。1.3.2 各种冷凝器性能比较表1-1和表1-2对各种冷凝器的性能与耗水情况分别进行了比较。另外据计算, 以氨为制冷剂，产冷量在 3.8106kJ/h 时，蒸发式冷凝器比管壳式冷凝器平均每年节电 3.4105kWh。表 1-1 冷凝器性能比较表表 1-2 冷凝器耗水比较表1.3.3 冷凝器的选用原则冷凝器的选择主要取决于当地的水源、水质水温、气候条件及有关技术规范要求等因素，通常以节能为原则。综合考虑投资与运转费用后，应按下面原则选用冷凝器 ：冷凝器的冷凝面积应能满足制冷装置实际运行的最大负荷工况要求，并有一定裕量；冷凝器的数量与制冷机配套，不考虑备用； 对配有冷却塔的水冷却卧式管壳冷凝器因水温差不可能达到 6 8，故循环水量要加大，阻力降增加，可采用减少流程的方法来降低流速；从目前水资源较紧来看，建议在内陆地区选用蒸发式冷凝器。1.3.4 冷凝器的发展趋势提高冷凝器的传热效率，在一定传热量和能量消耗的前提下使设备紧凑，减少占地和材料消耗，降低成本，是冷凝器今后总的发展趋势，可由以下两个方面得以实现。（1） 采用高的长径比：冷凝器采用高的长径比，一般在 69 之间，此时冷凝器的体积小，竖直方面重叠的排数也少，冷凝器换热系数高。另外，壳体长可使水侧的流程数减少，管数减少，水侧阻力损失也相应减小。（2） 采用高效能换热面：各种人工强化的冷凝面统称为高效能传热面。螺旋直肋或焊、插螺旋线管中冷凝氟利昂，凝结换热系数比空管提高 3.7 倍。日本某公司研制的 C 型管和我国某厂研制的 DAC 管由于管外侧面粗糙，顶部呈锯状，同时DAC 管内表面加工一条从外表面向里轧制的单头圆凸形螺旋线，因此具有很高的冷凝换热系数，可达光管的 810 倍。采用表面纵槽或波形冷凝面及横纹槽管和缩放管都可大大提高传热效率。总之，通过管子形状或表面性质的改造来强化传热过程，以提高冷凝器的效率，是国内外冷凝器发展的一种趋势。1.3.5 结论（1） 选择冷凝器必须综合考虑投资与运转的经济性；（2） 冷凝器型式的选用要依据具体工作及使用情况作出合理的选择,避免盲目性；（3） 内陆地区应选用节水、节电尤为显著的蒸发式冷凝器；（4） 高效传热管的研制将成为今后冷凝传热研究的热门，各种新型高效传热管将不断涌现。1.4 管壳式冷凝器及其应用现状在现阶段, 管壳式冷凝器在化工生产中应用最为广泛，而且设计资料和数据较为完善，技术上比较成熟。管壳式冷凝器中所用的换热表面可以是简单的光管、带肋片的扩展表面或经开槽、波纹或其他特殊方式处理过的强化表面。1.4.1 管壳式冷凝器类型管壳式冷凝器有卧式与立式两种类型，被冷凝的工艺蒸汽可以走壳程，也可以走管程。其中卧式壳程冷凝和立式管程冷凝是最常用的形式。（1） 卧式壳程冷凝器：它的优点是压降小，冷凝冷却剂走管程便于清洗；缺点是蒸汽与冷凝液产生分离，难于全凝宽沸程范围的混合物。（2） 卧式管程冷凝器：这种冷凝器的管程多是单程或双程。其中传热管长度和直径的大小，以及传热管的排列方式取决于管程和壳程传热的需要。管程采用双程时，冷凝液可以在管程之间引出，这样可以减少液相的覆盖面积也可以减小压降， 同时，用减少第二程管数的方法使其保持质量流速不变。在这种冷凝器中，蒸汽与冷凝液的接触不好，因此对宽沸程蒸汽的完全冷凝是不适宜的。此外，由于冷凝液只是局部地注满管道，因此过冷度较低。（3） 立式壳程冷凝器：壳程设置折流板或支承板，蒸汽流过 防冲板后自上而下流动，冷凝液由下端排出。冷却水以降膜的形式在管内向下流动，因而冷却水侧要求的压力低；由于水的传热系数大，故耗水量少，但水的分配不易均匀，可以在管口安装水分配器。（4） 管内向下流动的立式管程冷凝器：蒸汽是通过径向接管注入顶部，在管内向下流动，在管壁上以环状薄膜的形式冷凝，冷凝液在底部排出，为使出口排气中携带的冷凝液量很少。（5） 向上流动的立式管程冷凝器：这种冷凝器通常是直接安装在蒸馏塔的顶部，以利于利用冷凝液回流来气提少量低沸点组分。为了确保有热的冷凝液或防止低沸点组分被冷凝，可采用冷凝介质向上流动的流程。蒸汽经由径向接管注入其底部。1.4.2 管壳式冷凝器选型冷凝器选型应考虑的因素如下：（1） 蒸汽压力：对于低压蒸汽，为减小压降，宜在壳程冷凝；对于高压蒸汽， 为降低设备投资宜在管程冷凝。（2） 冻结与污垢：若凝液可冻结，为使堵物影响小些则宜在壳程冷凝；若蒸汽含垢或有聚合作用，为便于清洗宜在管程冷凝。（3） 蒸汽为多组分：冷凝多组分蒸汽或在气提时能够防止低沸点组分冷凝， 宜于采用立式管程冷凝器。1.4.3 管壳式冷凝器的应用蒸发设备中的冷凝器利用冷却水将二次蒸汽冷却 ,它可分为两类 ,一类是间接式冷凝器一类是直接式冷凝器。间接式冷凝器也叫表面式冷凝器 ,包括管壳式冷凝器 ,盘管式冷凝器及板式冷凝器。目前国内外的蒸发设备采用管壳式冷凝器越来越多。这主要是因为管壳式冷凝器有以下几方面的优点。冷却水不受二次蒸汽污染可以循环利用 ;由于水在冷凝器内是闭式循环没有水的冲击声 ,不像水力喷射器所使用的冷却水暴露在外面有水的冲击声 ;不受空间高度的约束限制 ,可立式安装也可卧式安装 ,不像大气式冷凝器受空间高度的限制 (大气式冷凝器安装高度在 10.5 以上 ),冷却效果也不比直接式冷凝器差 ,并便于自控 ,因此在蒸发设备中被广泛采用。只是管壳式冷凝器制造成本较高。1.5 管壳式冷凝器工艺设计浅析化工生产中，管壳式冷凝器（以下简称冷凝器）作为最重要设备之一，应用得很广。良好的冷凝器设备结构形式、工艺设计控制方法和参数的选择，不仅使化工生产过程能稳定进行，而且又节省投资、降低能耗、增加企业经济效益。下面就冷凝器的工艺设计要点，结合工程设计作一下浅析。1.5.1 流体力学基础和工艺设计参数的选择1、流体力学基础在冷凝器的工艺设计中，流体压力降要求、流量分配、流路情况设计的好坏， 直接关系到冷凝器是否能满足实际生产要求、经济和操作稳定性，这就归结到流体力学问题。在设计时，对已经确定形式的冷凝器来说,提高给热系数的最有效方法就是提高流速,但同时又意味着增大压降。这就需要考虑四个问题：一是流体给热系数提高，传热系数也必须提高，否则无意义；二是提高流速，要考虑是否经济； 三是要满足系统的工艺要求；四是要保证操作可靠和稳定，还要有利于操作的掌握和提高。对于一定流速的情况下，设计计算的换热面积达到要求，如流体压降太大， 那么设计就不合理。采取的方法是，选用大一点、长一点的管子，同时保持流体的流速和换热面积基本不变。如有客观条件限制（如设备安装维修场地、设备的刚性和经济性等），才采用降低流速，管长不变，增加换热面积的方法。这种方法不利之处是有时会使换热面积要取得很大。另外设计冷凝器时，对壳程来说，增加挡板和使管子按三角形排列，能增强换热效果、减少换热面积、节约设备投资。挡板的设计首先考虑流体能否正常通过，然后考虑传热效果和阻力因素,同时在设计挡板时应注意避免死区和旁流、沟流及可能出现震动等流体力学问题。2、工艺设计参数的选择冷凝器是通过冷热交换将气体冷却冷凝的设备，热量的传递是以温差为推动力。为了达到较好的传热传质效果，换热管的管径大小、管间距大小、挡板形状和数量等，对冷凝器设计工艺参数的选择就显得非常重要。（1） 管径的选择冷凝器设计常用的换热管管径为 19、25、38mm。对无污垢的常压下的流体，如工艺系统对流体通过冷凝器的压力降没有特殊要求，换热管管可取 19 mm；介质易结垢的,管径可放大,取 25 mm，不要取得太大。换热管管径太大，管内流体的实际流速变小，污垢更易沉积、使给热系数降低；管径太大，即使在同样的流速下雷诺数变小，湍流程度降低，给热系数也要变小，对换热都是不利的。在同等压力下，管径大的换热管其壁厚必然需增厚，热通量不如小管径的好。进入冷凝器中易结垢的流体、直径太小的换热管肯定是不行的，要根据实际情况综合考虑后确定管径。（2） 传热系数有关参数的选择当冷凝发生在壳程时，其管间距大小、挡板多少（仅指卧式、立式用拦液板）、换热管材料等的影响表现如下；对于金属来说， 如果换热介质中有一种（或两种）介质的给热系数不大，在计算传热系数时金属的导热系数可忽略不计，否则需要考虑。至于非金属材料，石墨的情况和金属大致相同，聚四氟乙烯、陶瓷等大多数非金属材料的导热系数都很小，在两种介质的给热系数都很大时，计算传热系数时可只考虑非金属管的导热系数和污垢的热绝缘系数。对于换热管是金属和非金属组成的复合材料，其传热系数与非金属材料的差不多。污垢热绝缘系数取值的正确与否是准确估算传热系数的关键，目前从理论上还无法计算污垢热绝缘系数值，只能根据工程经验取值。（3） 管间距与挡板的选择在同一壳径中，采用三角形排列可比正方形排列的管束多排 14%的管子，因而单位面积的金属耗量较低，故通常推荐管子按等边三角形排列，管间距为 32 mm。折流板的作用是提高流速，改变流动方向，提高气相雷诺数，以提高壳程给热系数，同时并支撑管子防止震动。常见的折流板有弓形（圆缺形）、盘环形、管孔形等。弓形折流板由于能引导流体以垂直方向错流管束，有利于湍流和传热，应用最为广泛。当壳程给热系数为控制因素时，板间距小，为了使流动方向垂直于管束，板间距应不大于壳径。为了减少压力损失，最好使折流板缺口处的有效流通面积与折流板间的流通面积相近。缺口面积太大或板间距太大都会造成流动死区，使传热效率下降，污垢迅速增加。1.5.2 材料和换热介质走向的选择1、材料和换热介质的选择冷凝器选材分壳程和管程两方面，基本上都是根据流体的物性和冷凝器的工作温度、压力范围等条件确定。可从冷凝侧和移热侧两方面考虑。在冷凝侧，对低压腐蚀介质流体的冷凝，其材料可选择石墨或聚四氟乙烯等；在压力比较高或真空条件下的腐蚀介质流体，可选择加钛的钢材、耐腐蚀的不锈钢或合金，也有在金属表面加上防腐覆盖层的复合材料，但它很少用于化学工业。移热侧一般不选择腐蚀性流体作移热介质，如必须用腐蚀性介质移热时，选材如冷凝侧一样考虑。化学工业中最常用的移热介质是工业冷却水，这种水里含氧较多，宜作除氧处理。如工业冷却水中含氯等卤素离子（碘离子除外）的浓度偏高，不宜选用普通不锈钢。移热介质有腐蚀性时，其选材与冷凝侧相同。移热介质是根据冷凝介质的冷凝温度选择决定。工业冷却水要求冷凝后的冷凝介质的温度应在 30以上。如该温度在-2530，移热介质通常可选用冷冻盐水和液氨等。冷凝温度在-60-25，宜选用无氟制冷剂作为移热介质。在更低的冷凝温度下,则可选用乙烯等作移热介质。2、换热介质走向的选择设计冷凝器时首先要考虑以下三方面因素：能长周期稳定运行，且对系统前后设备状态、工艺参数控制等无不良影响；满足现场安装和维修方面的一些特殊要求；造价低，备件易于在国内采购。在满足上述要求的基础上进行流体的流向选择，确定冷凝介质是走管程好还是走壳程好，下述经验可供参考：移热介质的流速小，宜走壳程；相对挥发度相差太大的多组分气体全凝，宜走壳程；对于含气液二相的冷凝，其冷凝介质宜走壳程；腐蚀性介质宜走管程；易产生污垢的冷凝气体宜走管程；多组分但相对挥发度相差很小的全冷凝气体宜走管程；高压流体应走管程；有少量不凝气体需排放的冷凝介质宜走管程。1.5.3 冷凝器工艺设计1、换热面积计算在确定了流体的走向后，换热面积的求取可根据气体冷凝量、传热平均温差和估算的传热系数进行。气体冷凝量、出入口温度已由工艺条件决定，这时首先确定移热介质在满负荷运转情况下的出入口温度。它有两种情况：首先，对已由前后工艺条件限制的冷凝器可直接将这些温度值用于设计计算；其次，对入口温度有限制的，出口温度可在一定范围内变化的，移热介质的出口温度的选择除必须保证冷凝器的平均温差符合一般的工艺设计要求，且根据具体情况留一定的裕度外，还要考虑设备选型、制造、工艺控制方面的要求。工艺控制方面除保证冷凝器设计的实用性、安全可靠性、经济性外，还要考虑工艺控制的灵敏性和稳定性。在满足工艺要求的情况下，冷凝器在型式、管材和污垢热绝缘系数等一定的情况下，提高传热系数，实质上就是提高冷凝相和移热相的给热系数。由于冷凝相的给热系数一般很大，因此要注意尽可能提高移热相的给热系数，从而使换热面积小一些，设备投资少一些。2、换热面积的校核和确定初步算好换热面积，根据实际情况选取一定的裕量，得到设计的换热面积后， 还需对冷凝器进行校核，不合格的要重新计算。用初选的冷凝器各项计算结果和参数核算传热系数，然后以该传热系数计算出新的换热面积，校核前后的结果，两者相符证明计算符合要求。如前者远大于后者，在无特殊设计条件限制的情况下说明换热面积选择过大，从经济、防腐、防污垢或聚合物沉积的角度出发，应重新计算。如有压力降要求，可选用减少流体流通截面积和管数的方法解决，如无压降要求，可用减少管数和缩短管长的方法进行。如前者小于后者，一定要重新设计。在压降、场地、冷凝器类型等都无特殊要求的情况下，保持流速不变，增加管长是最经济的手段，如条件不具备，特别是压降有要求，这时可用增大流通截面积，增加管数，降低流速的方法或再与增加管长并举的方法解决。校核合格后，根据校核前后相符合的换热面积，确定设计的冷凝器规格。1.5.4 结束语冷凝器是重要的单元设备，传热过程往往不是单一的过程。它与流体物性、流体流动和物质传递等诸多因素密切相关，目前尚缺少精度较高的传热计算关联式；由于换热介质产生的污垢热绝缘系数仍需凭经验选取，因此传热计算的结果与实际的传热过程存在一定的偏差。另外，冷凝器设计的成败在很大程度上取决于设计工作者对工程概念的认识和对生产操作工况熟悉程度，这些都要求我们不断积累经验，根据系统的要求采取有针对性的措施，真正达到系统优化和节能的目的。第二章冷凝器工艺设计2.1 设计的原始数据表 2-1 设计的原始数据项目壳程管程项目壳程I管程设计压力(Mpa) 设计温度() 操作压力(Mpa) 操作温度()物料名称0.61000.164.7甲醇蒸汽0.61000.130/40循环水物料质量 流量（/s）焊缝系数 腐蚀裕度（）容器类别2.40.8520.851.52.2 确定设计方案1、确定结构形式。由于介质换热温差不大，在工艺和结构上均无特殊要求因此，可选用固定管板式换热器。2、流程安排。由于循环冷却水易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体上考虑，应使循环水走管程，甲醇蒸汽走壳程。2.3 确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故管程水的定性温度为tm壳程甲醇蒸气的定性温度为= 30 + 40 = 35o C2mT = 64.7oC根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。甲醇的有关物性数据ss密度r = 775.2Kg / m3 （液态）r = 3.984Kg / m3 （气态）汽化热g = 1101KJ / Kg热导率粘度l = 0.195W /(Kg.o C)ssm = 3.27 10-4 Pa.s (液态)sm = 11.157 10-4 Pa.s (气态)循环冷却水的有关物性数据t密度r = 997.1Kg / m3热导率l = 0.6241W /(Kg.o C )t定压比热容粘度普朗特常数c= 4174J /(Kg.o C)tptm = 7.428 10-4 Pa.sPrt = 4.982.4 估算传热面积1、热流量取换热器效率h = 0.98sQ = w gh = 2.4 1101 0.98 = 2.590 106W2、有效平均温度差T i =64.7T 0 =64.7t i =30t 0 =40t 1 = T i t i =34.7， t 2 = T 0 t 0 =24.7tlog= t1 - t2 =29.41ln t1t23 、传热面积根据表 4-1 本章公式和图表均来自文献 4 可初选 K 0 = 830W(m2 .o C) ，则估算的传热面积为4、冷却水用量A0 = KQo tM2.590 106=106.1m2830 29.41wt = cQpt t2= 2.590 1064174 10= 62.05Kg / s2.5 工艺结构尺寸设计1、管径和管内流速选用f 25 2.5 较高级冷拨换热管（碳钢），取管内流速ui = 0.84 m s 。2、管程数和换热管数ns =wti0.785d 2u=62.050.785 0.022 0.84 238按单程管计算，所需的换热管长度为L =A0pdons=106.13.14 0.025 238= 5.68m根据本设计实际情况，现取换热管长l = 3m ，则换热器的管程数为N= L = 5.68 2Pl33、平均传热温差校正及壳程数R= Ti - T0 =0P= t0 - ti=0.29t0 - tiTi - ti按单壳程，双管程结构，查图 4-2 得温度校正系数e t =1tM = e t tlog = 1 29.41 = 29.41 4、换热管排列和分程方法采用组合排列法，即分程隔板槽两侧采用正方形排列，其余按正三角形排列。见图 3-13。取管心距s = 1.25d0 = 1.25 25 = 32mm分程隔板槽两侧中心距sn = s + 12 = 44mm管束的分程方法，每程各有换热管 238 根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按图 3-14 选取。5、壳体内径采用多管程结构，壳体内径可按式（3-19）估算。取管板利用率h = 0.8 ，则壳体内径为D = 1.05s= 1.05 32 = 814mmnh4760.8按 GB9019-1998压力容器公称直径选取 D=800mm6、折流板采用单弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 20， 则切去的圆缺高度 h=0.20D=0.20 800 = 160mm取折流板间距 B=0.58D，则 B = 0.58 800 = 464mm ,可取 B 为 470mm。折流板数 Nb = 6 ，折流板圆缺面水平装配，见图 3-15。2.6 换热器核算1、热流量核算s（1） 壳程表面传热系数用德沃尔法计算，见式（3-27）（3-29） 当量管数n = 2.08n0.495 = 43.8M = mlns=2.43 43.8= 0.018Rem 21= 4Mms1= 4 0.01832.7 10-5= 220 2100由a * = a( s) 3 = 1.51R 3 = 9.12 得a= 72381 W /(m2 .K )0 r 2 gl2e0ss（2） 管程表面传热系数按式（3-32）和（333）有a = 0.023 ltR0.8 P0.4dieri管程流体流通面积Si管程流体流速= 0.785 0.022 476 = 0.07473m22ui =62.05997.1 0.07473= 0.839m / sR = 0.02 0.839 997.1 = 22525e7.428 10-4a = 0.023 0.6241 225250.8 4.980.4 = 4138.4W /(m2 .K )i0.02(3)污垢热阻和管壁热阻按表 3-10，可取：0i管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻R = 35.2 10-5 m2 .K / W R = 17.6 10-5 m2 .K / W管壁热阻按式（3-34）计算，依表 3-11，碳钢在该条件下的热导率为51.8W /(m.k ) 。所以Rw（4）总传热系数 Kc= 0.025 = 5.4 10-551.8依式（3-21）有m2 .K /WKc = 1(172381+ 0.000352 + 0.000054 2522.5+ 0.000176 25 +20= 1013W /(m2 .K )14134.8 25） 20（5）传热面积裕度依式（3-35）可得所计算传热面积 Ac 为A =QcMcK t该换热器的实际传热面积 AP2.5960 106=86.94m21013 29.41pstA = npd (l - 2d ) = 476 3.14 0.025 (3 - 2 0.045) = 109.0m2式中d st 管板的厚度，假设取值为 45mm。该换热器的面积裕度按式（3-36）计算为H = AP - ACAC= 109.0 - 86.94 = 25%86.94传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2、壁温核算计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是，按式（3-42）有tw = 64.7 / 4138.4 + 35 / 72381 = 55.35o CTm a c + tm ah1 ac + 1 ah1 / 4138.4 + 1 / 72381式中：ac = ai ，ah = ao壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即TW = T = 64.7 Co壳体壁温和传热管壁温之差为tW= 64.7 - 55.35 = 9.35o C3、换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力依式（3-47）（3-49）可得pt = (pi + pr )Ns N p FsN S = 1,l ru2N P = 2d2pi = lii由 R = 22525 ，传热管相对粗糙度 0.2 = 0.01, 查莫狄图得l= 0.04 ，所以e20i3997.1 0.8392pi = 0.04 0.02 2= 3790Papr = 3 997.1 0.83922= 2280Papt = (3790 + 2280) 2 1.5 = 18750Pa管程流体阻力在允许范围之内。（2）壳程流体阻力依式（3-50）（3-54）可得ps = (po + pi )Ns FsNS = 1,FS = 1流体流经管束的阻力ru2po = Ffo NTC (NB + 1) 0 2F = 0.5 ，N B = 6NTC= 1.1N 0.5 = 1.1 4760.5 = 24.0ToTC oS = B(D - Nd ) = 0.47 (0.8 - 24 0.025) = 0.094mm2uo =wsr s So=24= 9.08m / s3.984 0.094Reo= deu0 r sms= 0.020 9.08 3.984 = 6484711.157 10-6of = 5 64847-0.228 = 0.083.984 9.082po = 0.5 0.08 24.0 (6 + 1) 2= 5515.7Pa流体流经折流板缺口的阻力pi = NB (3.5 -2B ru2) 0 ,D2B = 0.47m ,D = 0.8mpi = 6(3.5 -2 0.047 ) 0.83.984 9.0822= 2291.1Pa总阻力ps = (5515.7 + 2291.1) 1.0 1 = 7806.8Pa壳程流体阻力在允许范围之内。第三章冷凝器机械设计3.1 壳体设计1、设计条件设计压力Pc = 0.6MPa设计温度t = 100C内径 Di = 800mm材料 16 MnR （板材）钢板负偏差C1 = 0腐蚀裕量C2 = 2mm焊接接头系数f = 0.85由 GB150-98,表 4-1 得试验温度许用应力 s = 170MPa设计温度许用应力 s t = 170MPa试验温度下屈服点2、厚度计算d s = 345MPa计算厚度d=pc Dic2s t f - p=0.6 8002 170 0.85 - 0.6= 1.7mm （GB150-89,式 3-1）对于压力较低的压力容器（低合金钢制容器），按强度公式计算出来的厚度很薄，往往给制造和运输带来困难，为此规定壳体的d min 3mm （不包括腐蚀余量）。基于上述原因的考虑，取计算厚度d = 7.5mm设计厚度d d = d + C2 = 7.5 + 2 = 9.5mm名义厚度有效厚度d n = d d + C1 = 9.5mm ，圆整后取名义厚度d e = d n - C1 - C2 = 10 - 0 - 2 = 8mmd n = 10mm3、压力试验时应力校核水压试验压力值： P = 1.25 p s = 1.25 0.6 170 = 0.75MPaTc s t170压力试验允许通过的应力水平s T= 0.90s s = 0.90 345.00 = 310.50MPa（GB150-98）试验压力下圆筒的应力基于 ANSYS 的冷凝器结构设计To= PT (Di + d e ) = 0.75 (800 + 8) = 45.6MPa（GB150-98,式 3-7）2d ef2 8 0.85由于s T s T ，故水压强度满足要求。气密试验压力pT = pc = 0.6MPa3.2 管箱短节、封头设计该换热器的管箱结构形式采用 B 型封头管箱，封头采用标准椭球形封头。由一般的设计经验知道，管箱短节和封头的厚度与换热器壳体的厚度基本相同。现取三者相同。并都选用 16MnR 作为材料。管箱短节的强度校核与壳体的强度校核相同。封头的强度校核Tfo= pT KDi + 0.5(d n - C) = 0.75 1 800 + 0.5 (10 - 2) = 44.24MPa2d ef2 8 0.85由于s T s T =263.9MPa，故水压强度满足要求。气密试验压力pT = pc = 0.6MPa管箱结构尺寸根据相关的标准和规定确定，并结合工程实际进行适当的修改。具体尺寸见装配图或零件图。3.3 接管和管法兰的选用1、根据相关标准和规定，该冷凝器设置六个接管。具体尺寸和名称如下：表 3-1 接管的尺寸和用途符号公称尺寸外径壁厚伸出长度连接面形式用途或名称a2002196.0200平面冷却水出口b2002196.0200凹面甲醇蒸气入口c20253150凹面放气口d65764150凸面甲醇物料出口e20253150凹面排净口f2002196.0200平面冷却水入口2、接管法兰的选取(GB/T9511-2000),见下表：基于 ANSYS 的冷凝器结构设计表 3-2 接管法兰尺寸和型式符号公称尺寸外径壁厚法兰形式（对焊）a2002196.0法兰 DN200-PN6FF(系列)b2002196.0法兰 DN200-PN16Fc20253法兰 DN200-PN6Fd65764法兰 DN200-PN6M(系列)e20253法兰 DN200-PN6M(系列)f2002196.0法兰 DN200-PN6FF(系列)3.4 管箱短节开孔补强校核1、开孔补强采用等面积补强法，接管尺寸f 219 6.0 ，材料为：10 号钢。许用应力s =112 Mpa接管的计算壁厚d t =pc do2s f + pc=0.6 2192 112 0.85 + 0.6= 0.70mm接管的有效壁厚d et= d nt - (c1 + c2 ) = 6.0 - (6 0.15 + 2) = 3.1mm开孔直径d = di + 2c = (219 - 2 6.0) + 2 2.9 = 212.8mm2、补强面积 强度削弱系数 f r= 112 = 0.687163etrA = dd + 2dd (1 - f ) = 212.8 1.7 + 2 1.7 3.1 (1 - 0.687) = 365mm23、有效补强范围（1） 有效宽度 BB = 2d = 2 212.8 = 125.6取大值B = d + 2d n + 2d nt = 212.8 + 2 10 + 2 6 = 244.8mm故 B=425.6mm。（2） 有效高度外侧有效高度h1 按下式dd nth1 = 35.7mm212.8 6取小值h1 = 200mm(实际外伸高度）故h1 = 35.7mm 。外侧有效高度h2 按下式确定dd nth2 = 35.7mm取小值故 h2 = 0 。 4、有效补强面积h2 = （0实际外伸高度）（1）筒节有效厚度d e = d n - (c1 + c2 ) = 10 - (0 + 2) = 8mm筒节多余金属面积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）接管多余金属面积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） 接管区焊缝面积（焊脚取 6.0 ）3A = 2 0.5 6.0 6.0 = 36.0mm2（4）有效补强面积Ae = A1+ A2+ A3= 1327.9 + 115.7 + 36 = 1479.6mm2 A因此开孔后不需另行补强。3.5 壳体接管开孔补强校核1、壳体接管 b 处开孔补强校核同上。2、壳体接管 d 处开孔补强校核：（1）开孔补强采用等面积补强法，接管尺寸f76 4 ，材料为：10 号钢。许用应力s =112Mpa接管的计算壁厚d t =pc do2s f + pc=0.6 762 112 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开孔直径d = di + 2c = (76 - 2 4) + 2 2.6 = 73.2mm（2）需要补强面积强度削弱系数 f r= 112 = 0.687163etrA = dd + 2dd (1 - f ) = 73.2 1.7 + 2 1.7 1.4 (1 - 0.687) = 126mm2（3）有效补强范围有效宽度 BB = 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。有效高度外侧有效高度h1 按下式确定dd nth1 = 17.1mm73.2 4取小值故h1 = 17.1mm 。h1 = 150mm(实际外伸高度）外侧有效高度h2 按下式确定dd nth2 = 17.1mm取小值故h2 = 0 。（4）有效补强面积h2 = （0实际外伸高度）壳体有效厚度d e = d n - (c1 + c2 ) = 10 - (0 + 2) = 8mm壳体多余金属面积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接管多余金属面积A2 = 2h1 (d et - d t ) f r + 2h2 (d et - c2 ) f r= 2 17.1 (1.4 - 0.24) 0.687 + 0 = 26.8mm2接管区焊缝面积（焊脚取 6.0 ）3A = 2 0.5 6.0 6.0 = 36.0mm2有效补强面积Ae= A1+ A2+ A3= 455.4 + 26.8 + 36 = 518.2mm2 A因此开孔后不需另行补强。 3、壳体接管 c、e 处开孔补强校核（1）开孔补强采用等面积补强法，接管尺寸f 25 3 ，材料为：10 号钢。许用应力s =112Mpa接管的计算壁厚d t =pc do2s f + pc=0.6 252 112 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开孔直径d = di + 2c = (25 - 2 3) + 2 2.45 = 23.9mm（2）需要补强面积强度削弱系数 f r= 112 = 0.687163etrA = dd + 2dd (1 - f ) = 23.9 1.7 + 2 1.7 0.55 (1 - 0.687) = 41.2mm2（3）