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 Abstract The 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 1 1.2 本课题的研究意义 2 1.3 冷凝器的现状及发展趋势 2 1.4 管壳式冷凝器及其发展现状 5 1.5 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 11 2.2 确定设计方案 11 2.3 确定物性数据 11 2.4 估算传热面积 12 2.5 工艺结构尺寸设计 13 2.6 换热器核算 14 第三章 冷凝器机械设计 3.1 壳体设计 18 3.2 管箱短节、封头设计 19 3.3 接管和法兰的选用 19 3.4 管箱短节开孔补强校核 20 3.5 管箱短节开孔补强校核 21 3.6 容器法兰的设计 24 3.7 管板的设计 25 3.8 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 44 4.2优化设计简介 46 4.3 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 52 5.2壳体 52 5.3 换热管 52 5.4 换热管与管板的连接 53 5.5 管板 53 5.6 折流板 53 5.7 管束的组装 53 5.8 换热器的组装 53 5.9 尺寸偏差 54 5.10 换热器自由尺寸偏差 54 5.11 无损探伤 54 5.12 压力测试 54 5.13 固定管板换热器试验顺序 54 5.14 铭牌 54 第五章 安装、试车与维护 6.1 安装 56 6.2 试车 56 6.3 维护 56 第七章 设计结论和展望 7.1 设计结论 58 7.2 对进一步研究的展望 58 参考文献 59 致 谢 60 附 录 1 61 附 录 2 65 基于 ANSYS 的冷凝器结构设计 - 1 - 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。同基于 ANSYS 的冷凝器结构设计 - 2 - 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基于 ANSYS 的冷凝器结构设计 - 3 - 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 6 8，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 3.8 106kJ/h 时，蒸发式冷凝器比管壳式冷凝器平均每年节电 3.4 105kWh。 表 1-1 冷凝器性能比较表 基于 ANSYS 的冷凝器结构设计 - 4 - 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 8 10 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； 基于 ANSYS 的冷凝器结构设计 - 5 - （ 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基于 ANSYS 的冷凝器结构设计 - 6 - 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