基于A(yíng)NSYS冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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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(shè)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(yīng)用得最為廣泛，而且設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)較為完善，技術(shù)上成熟。本論文首先根據(jù)具體的工藝條件對(duì)其進(jìn)行工藝設(shè)計(jì);然后采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法對(duì)該冷凝器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并利用 ANSYS 軟件對(duì)管板的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);最后介紹冷凝器在制造、檢驗(yàn)和運(yùn)行維護(hù)等方面的具體要求。 關(guān)鍵詞：冷凝器，管板，管程，殼程，ANSYS，優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(shì)… 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(shè)計(jì)淺析… 6 第二章 冷凝器工藝設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù) 11 2.2 確定設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 13 2.6 換熱器核算… 14 第

5、三章 冷凝器機(jī)械設(shè)計(jì) 3.1 殼體設(shè)計(jì)… 18 3.2 管箱短節(jié)、封頭設(shè)計(jì)… 19 3.3 接管和法蘭的選用… 19 3.4 管箱短節(jié)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核… 20 3.5 管箱短節(jié)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核… 21 3.6 容器法蘭的設(shè)計(jì)… 24 3.7 管板的設(shè)計(jì)… 25 3.8 其他零件的設(shè)計(jì)… 41 第四章 基于 ANSYS 的管板厚度優(yōu)化設(shè)計(jì) 4.1 ANSYS 軟件介紹 44 4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 46 4.3 運(yùn)用 ANSYS 進(jìn)行具體分析 46 第五章 制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)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(wú)損探傷 54 5.12 壓力測(cè)試 54 5.13 固定管板換熱器試驗(yàn)順序 54 5.14 銘牌 54 第五章 安裝、試車(chē)與維護(hù) 6.1 安裝 56 6.2 試車(chē) 56 6.3 維護(hù) 56 第七章 設(shè)計(jì)結(jié)論和展望 7.1 設(shè)計(jì)結(jié)論… 58 7.2 對(duì)進(jìn)一步研究的展望… 58 參考文獻(xiàn) 59 致 謝 60 附 錄 1 61 附 錄 2 65 基于 ANSYS 的

7、冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一章 前 言 1.1 本課題的研究背景 1.1.1 換熱器的應(yīng)用現(xiàn)狀 換熱器是化學(xué)、石油化學(xué)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(shè)備，它不僅可以單獨(dú)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(shè)備，因此在化工生產(chǎn)中占有重要的地位。通常在化工廠(chǎng)的建設(shè)中換熱器投資比例為 11%，在煉油廠(chǎng)中高達(dá) 40%。隨著化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展及能源價(jià)格的提高，換熱器的投資比例將進(jìn)一步加大，因此，對(duì)換熱器的研究倍受重視，從換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)到傳熱的研究一直十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問(wèn)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(shè)備的類(lèi)型也多種多樣。按換熱設(shè)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(lèi)。雖然直接接觸式和蓄熱式換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易等特點(diǎn)，但由于換熱過(guò)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(yīng)用上受到限制。因此工業(yè)上所用換熱設(shè)備以間壁式換熱器居多。間壁式換熱器的類(lèi)型也是多種多樣，從其結(jié)構(gòu)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(lèi)型的換熱器各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件。一般來(lái)說(shuō)，板式換熱器單位體積的傳熱面積較大， 設(shè)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(zhì)的處理量較小，且制造加工較復(fù)雜，成本較高。而管式換熱器雖然在傳熱性能和設(shè)備的緊湊性上不及板式換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，加工制造比較容易，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，性能可靠，適應(yīng)面廣等突出優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)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(yīng)用最為廣泛，而且設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)較為完善，技術(shù)上比較成熟。 1.1.2 換熱器的發(fā)展趨勢(shì)及研究動(dòng)向 當(dāng)前換熱器發(fā)展的基本動(dòng)向是繼續(xù)提高設(shè)備的效率，促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性， 加強(qiáng)生產(chǎn)制造的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)仍然注意基礎(chǔ)理論與測(cè)試方法的研究。 新能源換熱器的研究：能源的充

10、分供應(yīng)對(duì)發(fā)展生產(chǎn)，保持并提高人民的生活水平是息息相關(guān)的。盡管能源的供應(yīng)前景仍不容樂(lè)觀(guān)，但工業(yè)和民用的需要仍在增長(zhǎng)， 這是世界范圍內(nèi)急需解決的問(wèn)題。要求集中力量研究各種形式的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，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(qiáng)化傳熱管的研究：今年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在采用強(qiáng)化傳熱管改進(jìn)換熱器的性能，提高傳熱效率，減少傳熱面積，降低設(shè)備的投資等方面取得顯著成績(jī)。強(qiáng)化傳熱同時(shí)也是利用低溫位熱量的關(guān)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(duì)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(méi)有很好的利用起來(lái)。這種熱能量大面廣，合理利用有著巨大的意義。 換熱器基礎(chǔ)技術(shù)理論及測(cè)試技術(shù)的研究：發(fā)展基礎(chǔ)理論是指導(dǎo)推進(jìn)設(shè)計(jì)研究的必要前提。傳熱和換熱器測(cè)試技術(shù)的研究，可以使實(shí)驗(yàn)分析工作進(jìn)行得更精確、更迅速。高效換熱設(shè)備的研究，使得傳熱表面形狀更加復(fù)雜，流體流動(dòng)更加不規(guī)律， 因此需要更加先進(jìn)的測(cè)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(shè)備之一，應(yīng)用得很廣。良好的冷凝器設(shè)備結(jié)構(gòu)形式、工藝設(shè)計(jì)控制方法和參數(shù)的選擇，不僅使化工生產(chǎn)過(guò)程能穩(wěn)定進(jìn)行, 而且又節(jié)省投資、降低能耗、增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。本課題是“基于 ANSYS 冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)” 。主要內(nèi)容是：

12、首先根據(jù)給定的工藝條件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，然后再用常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后借助 ANSYS 軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。考慮到管板在換熱器中的重要作用，由于篇幅限制本文僅對(duì)管板進(jìn)行了研究。通過(guò)本課題的研究，將會(huì)使設(shè)備的工藝條件和結(jié)構(gòu)形式更為合理，設(shè)備的性?xún)r(jià)比能夠提高到一個(gè)新的水平。 1.3 冷凝器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 冷凝器是蒸氣壓縮式制冷裝置中的主要熱交換設(shè)備之一，它的作用是將壓縮機(jī) 排出的高溫高壓制冷劑蒸氣的熱量傳遞給冷卻介質(zhì)并使其凝結(jié)成液體，其性能好壞直接影響到制冷裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。因此，正確地設(shè)計(jì)、選擇冷凝器的結(jié)構(gòu)與型式，最大限度地發(fā)揮其傳熱效能，對(duì)提高制

13、冷裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)性非常重要， 對(duì)保障制冷裝置安全運(yùn)行也是非常必要的。 1.3.1 常見(jiàn)冷凝器類(lèi)型與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡(jiǎn)介 按冷卻介質(zhì)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(lèi)型。在此重點(diǎn)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(lái)冷卻制冷劑蒸氣,由冷卻管組、給水設(shè)備、通風(fēng)機(jī)、擋水板和箱體等部分組成。冷卻管組是用無(wú)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(jìn)入蛇形盤(pán)管內(nèi)，冷凝后的液體從盤(pán)管下部流出。冷卻水從盤(pán)管頂部的噴嘴噴出，直接噴淋在盤(pán)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(pán)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(jié)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(duì)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(duì)各種冷凝器的性能與耗水情況分別進(jìn)行了比較。另外據(jù)計(jì)算, 以氨為制冷劑，產(chǎn)冷量在 3.8106kJ/h 時(shí)，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(dāng)?shù)氐乃?、水質(zhì)水溫、氣候條件及有關(guān)技術(shù)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(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用后，應(yīng)按下面原則選用冷凝器 ：①冷凝器的冷凝面積應(yīng)能滿(mǎn)足制冷裝置實(shí)際運(yùn)行的最大負(fù)荷工況要求，并有一定裕量；②冷凝器的數(shù)量與制冷機(jī)配套，不考慮備用；③ 對(duì)配有冷卻塔的水冷卻臥式管殼冷凝器因水溫差不可能達(dá)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(lái)降低流速；④從目前水資源較緊來(lái)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(shì) 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(shè)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(shì)，可由以下兩個(gè)方面得以實(shí)現(xiàn)。 （1） 采用高的長(zhǎng)徑比：冷凝器采用高的長(zhǎng)徑比，一般在 6~9 之間，此時(shí)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(zhǎng)可使水側(cè)的流程數(shù)減少，管數(shù)減少，水側(cè)阻力損失也相應(yīng)減小。 （2） 采用高效能換熱面：各種人工強(qiáng)化的冷凝面統(tǒng)稱(chēng)為高效能傳熱面。螺旋直肋或焊、插螺旋線(xiàn)管中冷凝氟利昂，凝結(jié)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(guó)某廠(chǎng)研制的 DAC 管由于管外側(cè)面粗糙，頂部呈鋸狀，同時(shí)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(xiàn)，因此具有很高的冷凝換熱系數(shù)，可達(dá)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^(guò)管子形狀或表面性質(zhì)的改造來(lái)強(qiáng)化傳熱過(guò)程，以提高冷凝器的效率，是國(guó)內(nèi)外冷凝器發(fā)展的一種趨勢(shì)。 1.3.5 結(jié)論 （1） 選擇冷凝器必須綜合考慮投資與運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)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(yīng)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(mén)，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(yīng)用現(xiàn)狀 在現(xiàn)階段, 管殼式冷凝器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛，而且設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)較為完善，技術(shù)上比較成熟

18、。管殼式冷凝器中所用的換熱表面可以是簡(jiǎn)單的光管、帶肋片的擴(kuò)展表面或經(jīng)開(kāi)槽、波紋或其他特殊方式處理過(guò)的強(qiáng)化表面。 1.4.1 管殼式冷凝器類(lèi)型 管殼式冷凝器有臥式與立式兩種類(lèi)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(diǎn)是壓降小，冷凝冷卻劑走管程便于清洗；缺點(diǎn)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(zhǎng)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(shí)，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(shí)，用減少第二程管數(shù)的方法使其保持質(zhì)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(duì)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(mǎn)管道，因此過(guò)冷度較低。 （3） 立式殼程冷凝器：殼程設(shè)置折流板或支承板，蒸汽流過(guò) 防沖板后自上而下流動(dòng)，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(dòng)，因而冷卻水側(cè)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(dòng)的立式管程冷凝器：蒸汽是通過(guò)徑向接管注入頂部，在管內(nèi)向下流動(dòng)，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(dòng)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(lái)氣提少量低沸點(diǎn)組分。為了確保有熱的冷凝液或防止低沸點(diǎn)組分被冷凝，可采用冷凝介質(zhì)向上流動(dòng)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(yīng)考慮的因素如下： （1） 蒸汽壓力：對(duì)于低壓蒸汽，為減小壓降，宜在殼程冷凝；對(duì)于高壓蒸汽， 為降低設(shè)備投資宜在管程冷凝。 （2） 凍結(jié)與污垢：若凝液可凍結(jié)，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(shí)能夠防止低沸點(diǎn)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(yīng)用 蒸發(fā)設(shè)備中的冷凝器利用冷卻水將二次蒸汽冷卻 ,它可分為兩類(lèi) ,一類(lèi)是間接式冷凝器一類(lèi)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(pán)管式冷凝器及板式冷凝器。目前國(guó)內(nèi)外的蒸發(fā)設(shè)備采用管殼式冷凝器越來(lái)越多。這主要是因?yàn)楣軞な嚼淠饔幸韵聨追矫娴膬?yōu)點(diǎn)。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(méi)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(shè)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(shè)計(jì)淺析 化工生產(chǎn)中，管殼式冷凝器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)冷凝器）作為最重要設(shè)備之一，應(yīng)用得很廣。良好的冷凝器設(shè)備結(jié)構(gòu)形式、工藝設(shè)計(jì)控制方法和參數(shù)的選擇，不僅使化工生產(chǎn)過(guò)程能穩(wěn)定進(jìn)行，而且又節(jié)省投資、降低能耗、增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。下面就冷凝器的工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)作一下淺析。 1.5.1 流體力學(xué)基礎(chǔ)和工藝設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇 1、流體力學(xué)基礎(chǔ) 在冷凝器的工藝設(shè)計(jì)中，流體壓力降要求、流量分配、流路情況設(shè)計(jì)的好壞， 直接關(guān)系到冷凝器是否能滿(mǎn)足實(shí)際生

23、產(chǎn)要求、經(jīng)濟(jì)和操作穩(wěn)定性，這就歸結(jié)到流體力學(xué)問(wèn)題。在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)已經(jīng)確定形式的冷凝器來(lái)說(shuō),提高給熱系數(shù)的最有效方法就是提高流速,但同時(shí)又意味著增大壓降。這就需要考慮四個(gè)問(wèn)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(wú)意義；二是提高流速，要考慮是否經(jīng)濟(jì)； 三是要滿(mǎn)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(duì)于一定流速的情況下，設(shè)計(jì)計(jì)算的換熱面積達(dá)到要求，如流體壓降太大， 那么設(shè)計(jì)就不合理。采取的方法是，選用大一點(diǎn)、長(zhǎng)一點(diǎn)的管子，同時(shí)保持流體的流速和換熱面積基本不變。如有客觀(guān)條件限制（如設(shè)備安裝維修場(chǎng)地、設(shè)備的剛性和經(jīng)濟(jì)性等），才采用降低流速，管長(zhǎng)不變，增加換熱面

24、積的方法。這種方法不利之處是有時(shí)會(huì)使換熱面積要取得很大。另外設(shè)計(jì)冷凝器時(shí)，對(duì)殼程來(lái)說(shuō)，增加擋板和使管子按三角形排列，能增強(qiáng)換熱效果、減少換熱面積、節(jié)約設(shè)備投資。擋板的設(shè)計(jì)首先考慮流體能否正常通過(guò)，然后考慮傳熱效果和阻力因素,同時(shí)在設(shè)計(jì)擋板時(shí)應(yīng)注意避免死區(qū)和旁流、溝流及可能出現(xiàn)震動(dòng)等流體力學(xué)問(wèn)題。 2、工藝設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇 冷凝器是通過(guò)冷熱交換將氣體冷卻冷凝的設(shè)備，熱量的傳遞是以溫差為推動(dòng)力。為了達(dá)到較好的傳熱傳質(zhì)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(duì)冷凝器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)常用的換熱管管徑為 19、25、38mm。對(duì)無(wú)污垢的常

25、壓下的流體，如工藝系統(tǒng)對(duì)流體通過(guò)冷凝器的壓力降沒(méi)有特殊要求，換熱管管可取 19 mm；介質(zhì)易結(jié)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(shí)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(duì)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(jìn)入冷凝器中易結(jié)垢的流體、直徑太小的換熱管肯定是不行的，要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮后確定管徑。 （2） 傳熱系數(shù)有關(guān)參數(shù)的選擇當(dāng)冷凝發(fā)生在殼程時(shí)，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(duì)于金屬

26、來(lái)說(shuō)， 如果換熱介質(zhì)中有一種（或兩種）介質(zhì)的給熱系數(shù)不大，在計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)金屬的 導(dǎo)熱系數(shù)可忽略不計(jì)，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(dǎo)熱系數(shù)都很小，在兩種介質(zhì)的給熱系數(shù)都很大時(shí)，計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)可只考慮非金屬管的導(dǎo)熱系數(shù)和污垢的熱絕緣系數(shù)。對(duì)于換熱管是金屬和非金屬組成的復(fù)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(zhǔn)確估算傳熱系數(shù)的關(guān)鍵，目前從理論上還無(wú)法計(jì)算污垢熱絕緣系數(shù)值，只能根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)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(dòng)方向，提高氣相雷諾數(shù)，以提高殼程給熱系數(shù)，同時(shí)并支撐管子防止震動(dòng)。常見(jiàn)的折流板有弓形（圓缺形）、盤(pán)環(huán)形、管孔形等。弓形折流板由于能引導(dǎo)流體以垂直方向錯(cuò)流管束，有利于湍流和傳熱，應(yīng)用最為廣泛。當(dāng)殼程給熱系數(shù)為控制因素時(shí)，板間距小，為了使流動(dòng)方向垂直于管束，板間距應(yīng)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(huì)造成流動(dòng)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(zhì)走向的選擇 1、材料和換熱介質(zhì)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?cè)和移熱側(cè)兩方面考慮。在冷凝側(cè)，對(duì)低壓腐蝕介質(zhì)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(zhì)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(fù)合材料，但它很少用于化學(xué)工業(yè)。移熱側(cè)一般不選擇腐蝕性流體作移熱介質(zhì)，如必須用腐蝕性介質(zhì)移熱時(shí)，選材如冷凝側(cè)一樣考慮。 化學(xué)工業(yè)中最常用的移熱介質(zhì)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(zhì)有腐蝕性時(shí)，其

29、選材與冷凝側(cè)相同。移熱介質(zhì)是根據(jù)冷凝介質(zhì)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(zhì)的溫度應(yīng)在 30℃以上。如該溫度在-25～30℃，移熱介質(zhì)通?？蛇x用冷凍鹽水和液氨等。冷凝溫度在-60～-25 ℃，宜選用無(wú)氟制冷劑作為移熱介質(zhì)。在更低的冷凝溫度下,則可選用乙烯等作移熱介質(zhì)。 2、換熱介質(zhì)走向的選擇設(shè)計(jì) 冷凝器時(shí)首先要考慮以下三方面因素：①能長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，且對(duì)系統(tǒng)前后設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)控制等無(wú)不良影響；②滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)安裝和維修方面的一些特殊要求； ③造價(jià)低，備件易于在國(guó)內(nèi)采購(gòu)。 在滿(mǎn)足上述要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行流體的流向選擇，確定冷凝介質(zhì)是走管程好還是走殼程好，下述經(jīng)驗(yàn)可供參考

30、：①移熱介質(zhì)的流速小，宜走殼程；②相對(duì)揮發(fā)度相差太大的多組分氣體全凝，宜走殼程；③對(duì)于含氣液二相的冷凝，其冷凝介質(zhì)宜走殼程；④腐蝕性介質(zhì)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(duì)揮發(fā)度相差很小的全冷凝氣體宜走管程；⑦高壓流體應(yīng)走管程；⑧有少量不凝氣體需排放的冷凝介質(zhì)宜走管程。 1.5.3 冷凝器工藝設(shè)計(jì) 1、換熱面積計(jì)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(jìn)行。氣體冷凝量、出入口溫度已由工藝條件決定，這時(shí)首先確定移熱介質(zhì)在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的出入口溫度。它有兩種情況：首先，對(duì)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(shè)計(jì)計(jì)算；其次，對(duì)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(zhì)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(shè)計(jì)要求，且根據(jù)具體情況留一定的裕度外，還要考慮設(shè)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(shè)計(jì)的實(shí)用性、安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性外，還要考慮工藝控制的靈敏性和穩(wěn)定性。在滿(mǎn)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(shí)質(zhì)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(shè)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(shí)際

32、情況選取一定的裕量，得到設(shè)計(jì)的換熱面積后， 還需對(duì)冷凝器進(jìn)行校核，不合格的要重新計(jì)算。 用初選的冷凝器各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果和參數(shù)核算傳熱系數(shù)，然后以該傳熱系數(shù)計(jì)算出新的換熱面積，校核前后的結(jié)果，兩者相符證明計(jì)算符合要求。如前者遠(yuǎn)大于后者，在無(wú)特殊設(shè)計(jì)條件限制的情況下說(shuō)明換熱面積選擇過(guò)大，從經(jīng)濟(jì)、防腐、防污 垢或聚合物沉積的角度出發(fā)，應(yīng)重新計(jì)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(wú)壓降要求，可用減少管數(shù)和縮短管長(zhǎng)的方法進(jìn)行。如前者小于后者，一定要重新設(shè)計(jì)。在壓降、場(chǎng)地、冷凝器類(lèi)型等都無(wú)特殊要求的情況下，保持流速不變，增加管長(zhǎng)是最經(jīng)濟(jì)的手段，如條件不具備，特別是壓降有

33、要求，這時(shí)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(zhǎng)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(shè)計(jì)的冷凝器規(guī)格。 1.5.4 結(jié)束語(yǔ) 冷凝器是重要的單元設(shè)備，傳熱過(guò)程往往不是單一的過(guò)程。它與流體物性、流體流動(dòng)和物質(zhì)傳遞等諸多因素密切相關(guān)，目前尚缺少精度較高的傳熱計(jì)算關(guān)聯(lián)式；由于換熱介質(zhì)產(chǎn)生的污垢熱絕緣系數(shù)仍需憑經(jīng)驗(yàn)選取，因此傳熱計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際的傳熱過(guò)程存在一定的偏差。另外，冷凝器設(shè)計(jì)的成敗在很大程度上取決于設(shè)計(jì)工作者對(duì)工程概念的認(rèn)識(shí)和對(duì)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(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)的要求采取有針對(duì)性的措施，真正達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能的目的。

34、 第二章 冷凝器工藝設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù) 表 2-1 設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù) 項(xiàng)目 殼程 管程 項(xiàng)目 殼程 I 管程 設(shè)計(jì)壓力(Mpa) 設(shè)計(jì)溫度(℃) 操作壓力(Mpa) 操作溫度(℃) 物料名稱(chēng) 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(zhì)量 流量（㎏/s） 焊縫系數(shù) 腐蝕裕度（㎜） 容器類(lèi)別 2.4 0.85 2 0.85 1.5 2.2 確定設(shè)計(jì)方案 1、確定結(jié)構(gòu)形式。由于介質(zhì)換熱溫差不大，在工藝和結(jié)構(gòu)上均無(wú)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(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體上考慮，應(yīng)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(duì)于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)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(guān)物性數(shù)據(jù)。甲醇的有關(guān)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(dǎo)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(guān)物性數(shù)據(jù) t 密度 r = 997.1Kg / m3 熱導(dǎo)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(lái)自文

38、獻(xiàn) 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(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 1、管徑和管內(nèi)流速 選用f 25 2.5 較高級(jí)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(jì)算，所需的換熱管長(zhǎng)度為 L = A0 pdons = 106.1 3.14 0.025 238  = 5.68m 根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，現(xiàn)取換熱管長(zhǎng)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(jié)構(gòu)，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(cè)采用正方形排列，其余按正三角形排列。見(jiàn)圖 3-13。 取管心距s = 1.25d0 = 1.25 25 = 32mm 分程隔板槽兩側(cè)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(shè)置和介質(zhì)的流 通順序按圖 3-14 選取。 5、殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，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(chēng)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(jiàn)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(jì)算，見(jiàn)式（3-27

42、）~（3-29） 當(dāng)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(cè)

44、污垢熱阻管內(nèi)側(cè)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(jì)算，依表 3-11，碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)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(jì)算傳熱面積 Ac 為 A = Q c M c K Δt 該換熱器的實(shí)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(shè)取值為 45mm。該換熱器的面積裕度按式（3-36）計(jì)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(wù)。 2、壁溫核算 計(jì)算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)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(dòng)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(duì)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(jī)械設(shè)計(jì) 3.1 殼體設(shè)計(jì) 1、設(shè)計(jì)條件 設(shè)計(jì)壓力 Pc = 0

51、.6MPa 設(shè)計(jì)溫度 t = 100C 內(nèi)徑 Di = 800mm 材料 16 MnR （板材） 鋼板負(fù)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(yàn)溫度許用應(yīng)力 [s ] = 170MPa 設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 [s ]t = 170MPa 試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)2、厚度計(jì)算 d s = 345MPa 計(jì)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(duì)于壓力較低的壓力容器（低合金鋼制容器），按強(qiáng)度公式計(jì)算出來(lái)的厚 度很薄，往往給制造和運(yùn)輸帶來(lái)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(jì)算厚度d = 7.5mm 設(shè)計(jì)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(yàn)時(shí)應(yīng)力校核 水壓試驗(yàn)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(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平 [s ]T = 0.90s s = 0.90 345.00 = 310.50MPa （GB150-98） 試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力 基于 ANSYS 的冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(qiáng)度滿(mǎn)足要求。 氣密試驗(yàn)壓力 pT = pc = 0.6MPa 3.2 管箱短節(jié)、封頭設(shè)計(jì) 該換熱器的管箱結(jié)構(gòu)形式采用 B 型封頭管箱，封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢球形封頭。 由一般的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)度校核與殼體的強(qiáng)度校核相同。封頭的強(qiáng)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(qiáng)度滿(mǎn)足要求。 氣密試驗(yàn)壓力 pT = pc = 0.6MPa 管箱結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定確定，并結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?。具體尺寸見(jiàn)裝配圖或零件圖。 3.3 接管和管法蘭的選用 1、根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，該冷凝器設(shè)置六個(gè)接管。具體尺寸和名稱(chēng)如下： 表 3-1 接管的尺寸和用途 符號(hào) 公稱(chēng)尺寸 外徑壁厚 伸出長(zhǎng)度 連接面形式 用途或名稱(chēng) 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(jiàn)下表： 基于 ANSYS 的冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 表 3-2 接管法蘭尺寸和型式 符號(hào) 公稱(chēng)尺寸 外徑壁厚 法蘭形式（對(duì)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(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核 1、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，接管尺寸f 219 6.0 ，材料為：10 號(hào)鋼。 許用應(yīng)力[s ] =112 Mpa 接管的計(jì)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(kāi)孔直徑d = di + 2c = (219 - 2 6.0) + 2 2.9 = 212.8mm 2、補(bǔ)強(qiáng)面積 強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)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(cè)有效高度h1 按下式 dd nt h1 = = = 35.7mm?? 212.8 6 ?取小值 h1 = 200mm(實(shí)際外伸高度） ?? 故h1 = 35.7mm 。 外側(cè)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(bǔ)強(qiáng)面積 h2 = （0 實(shí)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(bǔ)強(qiáng)面積 Ae = A1 + A2 + A3 = 1327.9 + 115.7 + 36 = 1479.6mm2 > A 因此開(kāi)孔后不需另行補(bǔ)強(qiáng)。 3.5 殼體接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核 1、殼體接管 b 處開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核同上。 2、殼體接管 d 處開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核： （1）開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，接管尺寸f76 4 ，材料為：10 號(hào)鋼。 許用應(yīng)力[s ] =112Mpa 接管的計(jì)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(kāi)孔直徑d = di + 2c = (76 - 2 4) + 2 2.6 = 73.2mm （2）需要補(bǔ)強(qiáng)面積 強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)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(cè)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(shí)際外伸高度） ?? 外側(cè)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(bǔ)強(qiáng)面積 h2 = （0 實(shí)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(bǔ)強(qiáng)面積 Ae  = A1  + A2  + A3  = 455.4 + 26.8 + 36 = 518.2mm2 > A 因此開(kāi)孔后不需另行補(bǔ)強(qiáng)。 3、殼體接管 c、e 處開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核 （1）開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，接管尺寸f 25 3 ，材料為：10 號(hào)鋼。 許用應(yīng)力[s ] =112Mpa 接管的計(jì)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(kāi)孔直徑d = di + 2c = (25 - 2 3) + 2 2.45 = 23.9mm （2）需要補(bǔ)強(qiáng)面積 強(qiáng)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）