冷凝器设计说明书.doc

本科毕业设计摘要根据设计条件，依据GB151和GB150及相关规范，对卧式壳程冷凝器进行了工艺计算，结构计算和强度计算。工艺计算部分主要是根据给定的设计条件估算换热面积，从而进行冷凝器的选型，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降和壁温的计算。结构和强度的设计主要是根据已经选定的冷凝器型式进行设备内各零部件（如接管、折流板、定距管、管箱等）的设计，包括：材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板的计算、法兰的计算、开孔补强计算等。最后设计结果再通过装配图零件图等表现出来。关于卧式壳程冷凝器设计的各个环节，设计说明书中都有详细的说明。关键词：管壳式换热器 卧式壳程冷凝器 管板 法兰AbstractAccording to the design condition, GB151 and GB150 and related norms, design a horizontal shell condenser, which included technology calculate of condenser, the structure and intensity of condenser.The technology calculation process. Mainly, the process of technology calculate is according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area, and then, select a suitable condenser to check heat transfer coefficient ,just for the actual heat transfer area .Meanwhile the process above still include the pressure drop and wall temperature calculation . The design is about the structure and intensity of the design. This part is just on the selected type of condenser to design the condensers components and parts ,such as vesting ,baffled plates, the distance control tube, tube boxes. This part of design mainly include：the choice of materials，identify specific size, identify specific location, the thickness calculation of tube sheet, the thickness calculation of flange, the opening reinforcement calculation etc. In the end, the final design results through assembly drawing and parts drawing to display.The each aspects of the horizontal shell condenser has detailed instructions in the design manual.Key word: Shell-Tube heat exchanger; Horizontal shell condenser; Tube sheet; Flange.III目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 冷凝器概述11.2 冷凝器类型11.2.1 卧式壳程冷凝器11.2.2 卧式管程冷凝器21.2.3 立式壳程冷凝器21.2.4 管内向下流动的立式管程冷凝器31.2.5 向上流动的立式管程冷凝器3第2章 工艺计算52.1 设计条件52.2 确定物性数据52.3 冷凝器的类型与流动空间的确定52.4 未考虑冬季因素52.4.1 估算传热面积52.4.2 选工艺尺寸计算72.4.3 冷凝器核算102.5 冬季因素考虑172.6 综合考虑182.6.1 估算传热面积192.6.2 选工艺尺寸计算192.6.3 冷凝器核算202.7 换热器主要结构尺寸和计算结果25第3章 结构设计263.1 壳体、管箱壳体和封头的设计263.1.1 壁厚的确定263.1.2 管箱壳体壁厚的确定273.1.3 标准椭圆封头的设计273.2 管板与换热管设计283.2.1 管板283.2.2 换热管293.3 进出口设计303.3.1 接管的设计303.3.2 接管外伸长度303.3.3 排气、排液管303.3.4 接管最小位置313.4 折流板或支持板323.4.1 折流板尺寸323.4.2 折流板和折流板孔径323.4.3 折流板的布置333.5 防冲挡板343.6 拉杆与定距管343.6.1 拉杆的结构和尺寸343.6.2 拉杆的位置353.6.3 定距管尺寸353.7 鞍座选用及安装位置确定35第4章 强度计算364.1 壳体、管箱壳体和封头校核364.1.1 壳体体校核364.1.2 管箱壳体校核364.1.3 椭圆封头校核374.2 接管开孔补强374.2.1 蒸汽进出口开孔补强374.2.2 管箱冷却水接管补强的校核394.3 膨胀节404.3.1 膨胀节404.3.2 膨胀节计算414.4 管板校核424.4.1 结构尺寸参数424.4.2 各元件材料及其设计数据434.4.3 管子许用应力444.4.4 结构参数计算454.4.5 法兰力矩464.4.6 换热管与壳体圆筒的热膨胀应变形差464.4.7 管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数464.4.8 管子加强系数474.4.9 旋转刚度无量纲参数474.4.10 设计条件不同危险组合工况的应力计算484.4.11 四种危险工况的各种应力计算与校核：504.5 设计值总汇52第5章 安装使用及维修535.1 安装535.2 维护和检修53结 论56参考文献57本科毕业设计第1章 绪论1.1 冷凝器概述在蒸馏过程中，把蒸气转变成液态的装置称为冷凝器1。所有的冷凝器都是把气体或蒸气的热量带走而运转过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是在化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备，而换热设备则是广泛使用的一种通用的过程设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%20%；在炼油厂，约占总投资的35%40%2-4。在工业生产中，冷凝器是将工艺蒸汽冷凝为液体的设备，冷凝器的主要作用是将冷却经制冷压缩机压缩后的高温制冷剂蒸汽并使之液化。例如，发电厂要用许多冷凝器使涡轮机排出的蒸气得到冷凝5；在冷冻厂中用冷凝器来冷凝氨和氟利昂之类的致冷蒸气6。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，包括列管式冷凝器,盘管式冷凝器及板式冷凝器。目前国内外的蒸发设备采用列管式冷凝器越来越多。这主要是因为列管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，不象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，不象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10.5m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7-8。列管式冷凝器的应用已经有悠久的历史，而且列管式冷凝器被当作一中传统的标准的换热设备在很多工业部门中大量使用。尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式冷凝器仍处于主导地位，列管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。本次毕业设计特针对这类冷凝器中的卧式壳程冷凝器的工艺设计以及结构设计进行介绍。1.2 冷凝器类型列管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9。1.2.1 卧式壳程冷凝器如图1-1所示为卧式壳程冷凝器。壳程上初设有物流进出口接管外，还设有冷凝液排出口和不凝气排出口。壳程蒸汽入口处装有防冲板，以减少蒸汽对管束的直接冲击。但防冲板周围应留有足够的孔隙，以减小阻力。通常，其流通截面积应与蒸汽入口管截面积相同，而且其动压应不大于。壳程中的横向弓形折流板或支承板圆缺面可以水平或垂直安装，如图1-1所示。对于水平安装的折流板，为了防止流体短路，切去的圆缺高度不宜大于壳体内径35%，折流板间最小间距为壳体内径的35%，最大间距不宜大于壳体内径的2倍。为了便于排出冷凝液，折流板的下缘开有槽口。这种水平安装方式可以造成流体的强烈扰动，传热效果好。对于垂直安装的折流板，为了便于排出冷凝液，应切去的圆缺高度为壳体内径的50%，且左右排列。不论弓形折流板的圆缺面是水平还是垂直安装，当被冷凝工艺蒸汽中含有不凝气时。折流板间距应随蒸汽冷凝而减小，以增强传热效果。当冷凝表面传热系数小时，在管外可以使用低翅管，翅高1-2mm。若要使冷凝液过冷，可以采用阻液形折流板。卧式壳程冷凝器的优点是压降小，冷凝冷却剂走管程便于清洗；缺点是蒸汽与凝液产生分离，难于全凝宽沸程范围的混合物。图1-1 卧式壳程冷凝器1.2.2 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。1.2.3 立式壳程冷凝器如图1-2所示为一立式壳程冷凝器。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，可在管口安装一水分配器，如图1-2所示。 图1-2 立式壳程冷凝器和水分配器1.2.4 管内向下流动的立式管程冷凝器这种管内蒸汽及其冷凝液均向下流动的立式管程冷凝器，是一带有外部封头和分离端盖的管壳式换热器。若壳程不需要清洗或可用化学方法清洗，则可用固定管板式结构。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最少，下面的分离端盖可设计成挡板式或漏斗式。冷凝液液位应低于挡板或漏斗。传热管管径多为1925mm，在低压时，为减少压降，也有用50mm直径的管子。1.2.5 向上流动的立式管程冷凝器如图1-3所示为一管程蒸汽和壳程冷凝介质均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汽提少量低沸点组分。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。冷凝器的传热管长度为23mm，其直径多大于0.025m。管束下端延伸到管板外，并切成的倾角，以便于排液。当蒸汽向上流动的流速阻碍冷凝自由回流时，便会产生液泛，将冷凝液从冷凝器顶部吹出。根据Hewitt和Hall-Taylor准则，当满足条件时，可防止液泛的发生。图1-3 向上流动的立式管程冷凝器1.3 冷凝器发展前景冷凝器的发展首先应注意理论的创新和完善,寻求新理论的突破。高效传热管的研制，管型的改进和管表面性质的改造是冷凝器发展的一个重要方面。在管型改进方面，美国益美高公司设计的获得专利的椭圆形盘管10-11，曾极大地改善了盘管的传热性能，使该公司设计制造的冷凝器一直处于世界领先地位。华南理工大学提出的专利技术(专利申请号：0222788619)采用交变曲面波纹盘管换热器，将高效填料混合波纹板的原理和薄层流动方式，应用于不连续交变曲面波纹盘管以传质强化传热。对于我国冷凝器的发展，应着重探索冷凝器的原理和设计思想，结合中国国情引进先进的理论与制造技术，这样可以弥补我们技术上的不足，使我们在较短的时间内达到较高的发展水平。冷凝器制造厂家也在不断改进设计和制造技术，以期为我国冷凝器的发展和经济发展做出更大的贡献。另外，冷凝器生产厂家、科研单位和需使用冷凝设备的企业相互合作，共同设计开发冷凝器，也是冷凝发展的一个方向。冷凝器生产厂家发挥他们在设计和制造冷凝器方面的长处，科研单位发挥他们的理论和设计方面的长处，应用企业发挥他们在应用方面的长处，相互合作，相互配合，不仅会把我国冷凝的理论、设计和制造技术提高到一个新的层次,对冷凝器的应用也大有好处。第2章 工艺计算在冷凝器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的传热面积。工艺设计中包括了热力设计以及流动设计，其具体运算如下所述：2.1 设计条件以进口温度为56，出口温度为94的水为冷却介质，将压力为的无油饱和水蒸气凝结；冷却水压力与流量分别为和76kg/s。2.2 确定物性数据在压力下的无油饱和水蒸气其饱和温度为111，饱和水蒸气密度为，蒸发潜热为。该冷凝为完全冷凝，则假定水蒸气冷凝膜温为107循环水的定性温度：入口温度为，出口温度为冷却水的定性温度为两流体的温差两流体在定性温度下的物性数据如表2-1。表2-1 两流体在定性温度下的物性数据 物性流体温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)饱和水111950.00.2564.2350.685107953.20.2664.2290.684冷却水75974.80.38054.1910.67152.3 冷凝器的类型与流动空间的确定两流体温度变化情况，热流体进口温度111C，出口温度111C；冷流体进口温度56C，出口温度94C。该换热器用自来水冷却，考虑到清洗等各种因素，初步确定为固定管板式的冷凝器。选择水蒸气走壳程，冷却水走管程。这是因为：被冷却的流体走壳程可便于散热，而传热系数大的流体应走管程，这样可降低管壁的温差，减少热应力，同时对于冷凝器，一般是将易结垢流体流经管程12。2.4 未考虑冬季因素2.4.1 估算传热面积2.4.1.1 热负荷计算热负荷计算公式： （2-1）式中：冷热流体的质量流量，kg/s； 冷热流体的定压比热，J/(kg)； 冷流体的进、出口温度，。由公式（2-1）得：2.4.1.2 水蒸气用量对于冷凝器，换热过程发生相变。其过程为纯冷凝过程，其热负荷计算公式 （2-2）式中：热热流体的质量流量，kg/s 热流体的蒸发潜热，kJ/kg；由公式（2-2）可计算出水蒸气用量：2.4.1.3 计算有效平均温度差对于逆流，有效平均传热温差： （2-3）由公式（2-3）可得逆流传热温差：2.4.1.4 估算传热面积假设一K值，利用传热速率方程，估算传热面积： (2-4)式中：估算的传热面积，； 假设传热系数，； 平均传热温差，。根据管程走循环水，壳程走水蒸气，总传热系数K现暂取：则估算换热面积：2.4.2 选工艺尺寸计算2.4.2.1 管径和管内流速 选用无缝光滑较高级冷拔传热管（20号碳钢）。在工业生产中常用的流速如下：水和相类似的流体流速一般取0.52.5m/s，对大型冷凝器的冷却水流速可增加到3m/s13。取管内流速。2.4.2.2 管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数： （2-5）式中：单程管子数目； 单程流体的体积流量，； 传热管内径，m； 管内流体流速，；所以，单程传热管数为：按单程管计算，传热管长度为： （2-6）式中：按单程计算的管子长度，m； 管子外径，m。则所需的传热管长度：我国生产的系列中换热管的无缝钢管长度分为1.5，2，3，4.5，6 米等好几种， 在选取管长时应注意合理利用材料，还要使冷凝器具有适宜的长径比。列管式冷凝器的长径比可在425范围内，一般情况下为610。确定了每程管子长度之后，即可求得管程数： （2-7）式中：按单程换热器计算的管子长度，m； 选取的每程管子长度，m； 管程数（必须取整数）根据本设计实际情况，现取传热管长l=9m，则该换热器的管程数为：取 传热管总管数： （2-8）式中：传热管总管数得，传热管总管数为2.4.2.3 平均传热温差校正及壳程数若选用多管程换热器，可提高管内表面传热系数，但同时也增加了换热器的阻力，并损失部分传热温差。这种情况下的平均传热温差由式(2-9)计算。其中温差校正系数与流体的进出口温度有关，也与换热器的壳程数及管程数有关。 （2-9）式中：折流下的平均传热温差，K； 温差校正系数其中 （2-10） （2-11） 平均温差校正系数有： 由公式（2-10）、（2-11），算平均传热温差： 再由公式（2-9），算温差校正系数：由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。2.4.2.4 管子排列管子的排列方法常用的有正三角形直列，正三角形错列，正方形直列和正方形错列。 正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果好，但管外清洗较为困难。而正方形排列，管外清洗方便，适用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形错列，用于壳侧流体清洁，不易结垢，后者壳侧污垢可以用化学处理掉的场合。采用正三角形排列时，管子排列面积是一个正六边形，排在正六边形内的传热管数为： （2-12）若设b为正六边形对角线上的管子数目，则： （2-13）式中：排列的管子数目； 正六边形的个数。采用正三角排列，当管子总数超过127根，即正六边形的个数时，最外层六边形和壳体间的弓形部分空间较大，也应配置传热管，可以排的管子数目见表2-2。表2-2 排管数目正六角形的数目a正三角形排列六角形对角线上的管数b六角形内的管数每个弓形部分的管数第一列第二列第三列弓形部分的管数管子总数102133163636711233977424391225469848517132754792666131429631105907211531721116102823对于多管程换热器，常采用组合排列方法。在每一程内都采用正三角形错列排列，而在各程之间为了便于安装隔板，在隔板两侧采用正方形直列。冷凝器的正六角形的数目为14，六角形对角线上的管数为29。2.4.2.5 管心距采用胀接法固定时，管心距过小会造成胀接在挤压作用下发生变形，失去管子与管板之间的连接力。故采用焊接法。根据经验公式： 隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相邻管的管心距为44mm。2.4.2.6 壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按下式估算： （2-14）式中：管板利用率。的取值范围如下：正三角形排列，2管程，4管程以上，。估算出壳体内径后，需圆整到标准尺寸。卷制壳体的内径（公称直径）以400mm为基数，以100mm为进级档，必要时也可采用50mm为进级档。取管板利用率=0.7 ，则壳体内径为：按卷制壳体的进级档，可取D=1100mm则横过管数中心线管的根数：2.4.2.7 折流板圆缺形折流板在卧式换热器中的排列分为圆缺上下方向和圆缺左右方向两种。上下方向排列者可造成液体的剧烈湍动，增大传热膜系数，这种结构最为常用。对于水平安装的折流板，为了防止流体短路，切去的圆缺高度不宜大于壳体内径35%。故选用圆缺上下方向排列取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%，则切去的圆缺高度为。对于卧式冷凝器，折流板间最小间距为壳体内径的35%，最大间距不宜大于壳体内径的2倍折流板数，取折流板间距B=0.35D，则。取B为450mm=传热管长/折流板间距-1=9000/450-1=19（块）2.4.3 冷凝器核算冷凝器的核算内容主要包括冷凝器的热流量、传热管壁温和流体阻力。2.4.3.1 壳程表面传热系数 工业上冷凝器以采用水平管束和垂直管束居多，且管表面液膜多为层流。在该种情况下一般用德沃尔（Devore）基于努塞尔的理论公式和实测值，提出层流时的冷凝表面传热系数计算式如下。水平管束冷凝： （2-15）式中：无量纲冷凝表面传热系数，； 冷凝表面传热系数，； （2-16）式中：冷凝液的质量流量，； 传热管长度，m； 当是管数。当量管数与传热管布置方式及总管数有关，传热管布置为三角形错列，则可用下式求得： （2-17）式中：冷凝器的传热管总数。由公式（2-17）求得当量管数再通过公式（2-15），（2-16），可得无量纲冷凝表面传热系数：冷凝表面传热系数： 2.4.3.2 管内表面传热系数管程为流体无相变传热，则在通常情况下可用下式计算其表面传热系数： （2-18）式中：当流体被加热时n=0.4，当流体被冷却时n=0.3。该式的适用条件是：低粘度流体雷诺数；普朗特数Pr在0.6160之间；管长管径之比；定性温度可取流体进出口温度的算术平均值；特征尺寸取传热管内径。雷诺数: (2-19)可管程流体流通截面积求得管程流体流速，再通过公式（2-19），求雷诺数：普朗特数：由公式（2-18），得到管程表面传热系数：2.4.3.3 污垢热阻和管壁热阻由于所处理的物料种类繁多，操作条件各不相同，所以对污垢的生成规律较难掌握，加之人们对该问题的研究较少，以至于目前对污垢热阻的选取主要凭经验数据。选择污垢热阻时，应特别慎重，尤其对易结垢的物料更是如此。因为在这种情况下，污垢热阻往往在传热热阻中占有较大的比例，其值对传热系数的影响很大。管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻管壁热阻取决于传热管壁厚和材料，其值为： （2-20）式中：传热管壁厚，m； 管壁热导率，。常见金属材料的热导率见表2-3。表2-3 常见金属材料的热导率温度0100200300400铝227.95227.95227.95227.95227.95铜383.79379.14372.16367.51362.86碳钢52.3448.8544.1941.8734.89不锈钢16.2817.4517.4518.49管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为。所以2.4.3.4 传热系数 （2-21）式中：传热系数，； 壳程表面传热系数，； 壳程污垢热阻，； 管壁热阻，； 管程污垢热阻，； 传热管外径，m； 传热管内径，m； 传热管平均直径，m； 管程表面传热系数，。 根据公式（3-22）可得冷凝器的传热系数：2.4.3.5 传热面积裕度在规定热流量下，计算了传热系数和平均传热温差后，则与对应的计算传热面积为 （2-22）根据和可求出该冷凝器的面积裕度： （2-23）式中：面积裕度； 实际传热面积，； 计算传热面积，。由于冷凝器常用于精馏过程，考虑到精馏塔操作常需要调整回流比，同时还可能兼有调节塔压的作用，因而应适当加大其面积裕度，按经验，其面积裕度应在30%左右。可得所计算传热面积该冷凝器的实际传热面积为该冷凝器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.4.3.6 壁温核算核算壁温时，可按以下近似计算公式计算 （2-24）式中：，分别为热流体侧和冷流体侧的管壁温度，； ，分别为热流体和冷流体的平均温度，； ，分别为热流体侧和冷流体侧的表面传热系数； ，分别为热流体侧和冷流体侧的传热面积，； ，分别为热流体和冷流体的污垢热阻， 根据公式（2-24），求得管壁温度管外侧冷凝膜温为：这与假设温度差距不大。传热管壁温为：2.4.3.7 压降校核列管式冷凝器允许压降见表2-4。表2-4 列管式冷凝器允许压降操作压力/Pa允许压力/Pa管程壳程允许压降计算管程压降管程流体的压降等于流体流经传热管直管压降和冷凝器管程局部压降之和，即 （2-25）式中：摩擦系数； 局部阻力； 壳程数； 管程数； 管程总压降； 结垢校正系数，可近似取1.5。其中，直管部分的压降和局部压降可分别计算如下： （2-26） （2-27）式中：摩擦系数； 传热管长度，m； 传热管内径，m； 管内流速，； 流体密度，； 局部阻力系数。式（2-26）中的阻力系数一般情况下取3.取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则，而，于是对的管子有。管程流体的压降：故, 管程压降在允许范围之内。计算壳程压降用埃索法计算壳程计算壳程压降： （2-28）式中：壳程总压降，； 流体流过管束的阻力，； 流体流过折流板缺口的阻力； 壳程结垢校正系数，液体取1.15，气体取1.0 壳程数。其中 （2-29a） （2-29b）式中：横过管数中心线管的根数； 折流板数目； 折流板间距，m； 冷凝器壳程内径，m； 壳程流体横过管束的最小流速，按流通面积 计算，m/s； 管子排列形式对阻力的影响，正放形斜转时取0.4，正三角形 时取0.5； 壳程流体摩擦因子，。流体流经管束的阻力, , F=0.5；因为壳程内存在气体和液体，则以50%汽相的分率来计算壳程流体流速及其雷诺数分别为： 流体流过折流板缺口的阻力总阻力在允许范围之内。2.5 冬季因素考虑考虑到冬天冷水进口温度降低，假设进口温度为36C，出口温度为74C，则以上所需实际换热面积更改。循环水的定性温度：入口温度为，出口温度为冷却水的定性温度为两流体在定性温度下的物性数据如表2-5。表2-5 冷却水在定性温度下的物性数据 物性流体温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)冷却水55985.70.50954.1760.654热流量根据公式（2-1）得热流量：饱和水蒸气用量据公式（2-2）有饱和水蒸气用量平均传热温差根据公式（2-3）得逆流传热温差：平均传热温差校正所以根据公式（2-10），（2-11）有管子规格，L=9m。管束排列方式：正三角形排列。一壳程双管程三角形管束排列方式。据之前计算知，则据公式所需换热面积为而冷凝器实际面积则其面积裕度为：面积裕度过大。2.6 综合考虑因此考虑夏冬季得差异，取冷却水的进口平均温度为46C，冷却水的出口平均温度为84C进行计算。循环水的定性温度：入口温度为，出口温度为冷却水的定性温度为两流体在定性温度下的物性数据如表2-6。表2-6 冷却水在定性温度下的物性数据 物性流体温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)冷却水65980.50.4384.1830.6642.6.1 估算传热面积2.6.1.1 热流量根据公式（2-1）得热流量：2.6.1.2 饱和水蒸气用量据公式（2-2）有饱和水蒸气用量2.6.1.3 平均传热温差根据公式（2-3）得逆流传热温差：2.6.1.3 估算传热面积总传热系数K现暂取则据公式（2-4）估算换热面积：2.6.2 选工艺尺寸计算 2.6.2.1 管径和管内流速选用较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速。2.6.2.2 管程数和传热管数可依据公式（2-5）确定单程传热管数按公式（2-6）计算，单程所需的传热管长度为现取传热管长l=7.5m，按公式（2-7）则该换热器的管程数为传热管总根数管子规格，L=7.5m。管束排列方式：正三角形排列。一壳程四管程三角形管束排列方式。2.6.2.3 平均传热温差校正所以根据公式（2-10），（2-11）有再由公式（2-9），算温差校正系数：由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。2.6.2.4 壳体内径 采用单管程结构，壳体内径按式（2-14）估算。按卷制壳体的进级档，可取D=1000mm则横过管数中心线管的根数 2.6.2.5 折流板切去的圆缺高度为，折流板间距B为450mm，=传热管长/折流板间距-1=7500/450-1=16（块）2.6.3 冷凝器核算2.6.3.1 壳程表面传热系数由公式（2-17）求得当量管数再通过公式（2-15）、（2-16），可得无量纲冷凝表面传热系数：冷凝表面传热系数： 2.6.3.2 管内表面传热系数可管程流体流通截面积求得管程流体流速，再通过公式（2-19），求雷诺数：管程流体普朗特数：由公式（2-18），得到管程表面传热系数： 2.6.3.3 污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为48.85。所以2.6.3.4 传热系数根据公式（3-21）可得冷凝器的传热系数：据公式（2-22）所需换热面积为而冷凝器实际面积则其面积裕度为：由于冷凝器常用于精馏过程，考虑到精馏塔操作常需要调整回流比，同时还可能兼有调节塔压的作用，因而应适当加大其面积裕度，按经验，其面积裕度应在30%左右。传热面积裕度合适，该换热器能够生产任务。对数平均温差为夏季，水温由56C94C，=32.4C对数平均温差为冬季，水温由36C74C，=53.8C夏天生产：需要换热面积冬天生产：所需换热面积夏天面积裕度冬天面积裕度由此可知该换热器在夏天冬天使用时壳程若仍按平均流速来计算无法达到生产要求。2.6.3.5 夏季冬季流速调整为了使冷凝器能在夏天使用，可以降低水的流速可以增加以降低水的t,并增加。计算如下：水蒸气：111C111C冷却水：56 C 84C根据公式（2-3）得逆流传热温差：平均传热温差所以根据公式（2-10），（2-11）有平均传热温差换热面积此时接管程水的流速为而冬季面积裕度过大，可以通过增大管内水的流速以增大水的t,以减小。计算如下。水蒸气：111C111C循环水：36 C 84C根据公式（2-3）得逆流传热温差：平均传热温差所以根据公式（2-10），（2-11）有平均传热温差换热面积此时接管程水的流速为2.6.3.6 壁温核算 根据公式（2-24），求得管壁温度管外侧冷凝膜温为：这与假设温度相差不大。管子平均温度为：2.6.3.7 压降校核计算管程压降取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则，而，于是对的管子有。管程流体的压降： 故, 管程压降在允许范围之内。计算壳程压降流体流经管束的阻力 , , F=0.5；因为壳程内存在气体和液体，则以50%汽相分率的混合水蒸气来计算壳程流体流速及其雷诺数分别为： 流体流过折流板缺口的阻力总阻力在允许范围之内。2.7 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果见表2-7。表2-7 换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程流率/765.42进/出温度/46/84111/111压力/0.40.15物性参数定性温度/65107密度/980.5953.2定压比热容/4.1834.229粘度/0.4380.266导热系数/0.6640.684设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/1000壳程数1管径/管心距/32管长/7500管子排列管数目/根618折流板数/个16传热面积/263折流板间距/450管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/0.79960表面传热系数/50368607污垢热阻/0.0003440.00009压降/1446热流量/12080.5传热系数/1062裕度/%37第3章 结构设计3.1 壳体、管箱壳体和封头的设计3.1.1 壁厚的确定3.1.1.1 壁厚的确定表3-1 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度公称直径400700800100011001500160020020002600浮头式810121416U型管式810121416固定管板式68101214表3-2 壳体或管箱壳体厚度DN,mm材料壳程或管程公称压力PN，MPa0.61.01.62.54.06.4厚度，mm1000Q235-A/B/C1010121616MnR10101012161Cr18Ni9Ti66(7)8(9)1420由工艺条件给定的壳程设计温度111、设计压力为0.15MPa，由于壳程走的是水蒸气，压力不高，腐蚀性不大，故壳程筒体材料可选16MnR。筒体用钢板卷制，取钢板的厚度负偏差=0.8mm，腐蚀裕量=1.5mm，筒体采用双面对接焊接，局部探伤，则焊缝系数=0.85。在设计温度下，16MnR的许用应力为=170MPa，（厚度6-16mm）, 屈服强度为s=345MPa14。因为，筒体计算厚度可参照GB150-1998用式（3-1）计算 （3-1）式中：Pc计算压力，MPa； Di圆筒公程直径，mm； 焊缝系数； 筒体的计算厚度。设计壁厚 由于水蒸气的腐蚀强度低，取腐蚀裕量=1.5mm。则 此时负偏差为C1=0.8mm，则。名义壁厚 ，可取名义壁厚为3mm。筒体的有效厚度为 而由表3-1、表3-2知可取壳体和管箱壳体壁厚为8mm，但是考虑到公称压力和材料的选择，选取壳体厚度为10mm.其单位长度质量为249kg，单位长度的容积为0.785m3。3.1.2 管箱壳体壁厚的确定3.1.2.1 管箱法兰和垫片确定根据管程的设计压力为0.4MPa，管程的公称直径，查JB/T4703-2000可选长颈对焊法兰LWN1000-1.0FM，材料用16Mn，同时根据管程的性质和所选法兰的型号可查JB/T4701-2000选石棉橡胶板垫片。3.1.2.1 箱壳体壁厚的确定管程的设计压力为0.4MPa设计温度为100查GB150-1998知，筒节材料都采用16MnR，设计压力，用式（3-1）计算设计厚度：名义壁厚: ，可取名义壁厚为4mm。筒体的有效厚度为 而由表3-1和表3-2知可取管箱壳体壁厚为8mm，但是考虑到公称压力和材料的选择，选取管箱壳体厚度为10mm.其单位长度质量为249kg，单位长度的容积为0.283m3。3.1.3 标准椭圆封头的设计3.1.3.1 标准封头的厚度确定椭圆形封头是由长短半轴分别由a，b的半椭圆和高度为ho的短圆筒（通称为直边）两部分构成的。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受到边缘应力的作用。表3-3 封头厚度DN,mm材料壳程或管程公称压力PN，MPa0.61.01.62.54.06.4厚度，mm1000Q235-A/B/C1010121416MnR10101012161Cr18Ni9Ti6681218表3-4 标准椭圆形封头的直边高度ho(mm)封头材料碳素钢、普低钢、复合钢板不锈钢封头壁厚4810182039101820直边高度254050254050而对于标准椭圆形封头，K=1.00，故设计厚度：名义壁厚：，可取名义壁厚为