卧式列管冷凝器设计文档格式.docx

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2.5.1管径和管内流速 7

2.5.2管程数和传热管数 7

2.5.3平均传热温差校正及壳程数 7

2.5.4管子排列 8

2.5.5管心距 9

2.5.6壳体内径 9

2.5.7折流板 10

2.5.8其他附件 10

2.5.9接管 10

2.6换热器核算 11

2.6.1传热系数 11

2.6.2传热面积裕度 11

2.7换热器内流体的阻力 12

2.7.1管程流体阻力 12

2.7.2壳程阻力 13

2.8工艺结构尺寸和计算结果一览表 13

第3章结构设计 15

3.1筒体内径确定 15

3.2固定管板兼作法兰的尺寸确定 15

3.2.1管板结构 15

3.2.2管板最小厚度 15

3.2.3管板尺寸 16

3.3换热管与管板连接 16

3.4法兰与垫片 17

3.5折流板 17

3.5.1折流板型式 17

3.5.2折流板尺寸 18

3.5.3折流板的布置 18

3.5.4支持板 18

3.6拉杆与定距管 19

3.6.1拉杆的结构和尺寸 19

3.6.2拉杆的位置 20

3.6.3定距管尺寸 20

3.7鞍座选用及安装位置确定 20

第4章强度计算 21

4.1筒体与管箱的设计 21

4.1.1壳体与管箱厚度的确定 21

4.1.2壳体和管箱材料的选择 22

4.1.3圆筒壳体和管箱壳体厚度的计算 22

4.1.4水压试验 22

4.2封头厚度计算及校核 23

4.2.1封头厚度计算 23

4.2.2水压试验 23

4.3管箱短节开孔补强的校核 24

4.4壳体接管开孔补强校核 24

4.4.1壳体物料入口接管开孔补强校核 24

4.4.2壳程物料出口接管开孔补强校核 25

4.5膨胀节 25

4.5.1膨胀节形式 25

4.5固定管板校核计算 27

4.5.1换热管材料（304） 27

4.5.1管板材料（304） 27

4.5.2换热管许用应力 27

4.5.3面积 28

4.5.6管子加强系数 28

4.5.7管板周边不布管区无量纲宽度 29

4.6冷凝器的设计值汇总 29

第5章 安装使用及维修 30

5.1安装 30

5.2维护和检修 31

结 论 33

谢辞 34

参考文献 35

外文资料翻译 36

前 言

能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，是化工、冶金、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。

无论是从上述各种工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的选型、合理设计、制造和操作都有非常重要的意义。

近年来，由于工艺要求、能源危机和环境保护等诸多因素，传热强化技术和换热器的现代研究、设计方法获得了飞速发展，设计人员已经开发了多种新型的换热器，以满足各行各业的要求。

在国外，美国传热研究公司HTRI在传热机理、两相流及测试技术方面取得进展。

该公司所开发的网络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算精度准确。

国内，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管等；

天津大学在流路分析法、振动等方面研究成果显著；

清华大学在板片传热方面有深入的研究；

西安交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果等。

本课题通过对饱和蒸汽卧式列管冷凝器的设计，了解换热器的结构特点及设计过程，掌握换热器的常规设计方法，并能根据工艺要求选择适当的冷凝器类型，还能根据传热的基本原理，选择流程，确定冷凝器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力，同时还学会查阅和熟练使用参考文献，为以后的工作学习积累经验。

第1章绪论

1.1冷凝器概述

随着现代工业的迅速发展,以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。

世界各国在寻找新能源的同时,也更加注重了节能新途径的研发。

强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境,而且能大大节约投资成本。

换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其他许多工业部门广泛使用的一种通用

工艺设备。

据统计,在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40 %左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由

换热器组成的。

上个世纪70年代初发生的世界性能源危机,有力地促进了传热强化技术的发展。

因此，研究换热设备有着相当重要的意义。

1.2冷凝器分类及特点

按换热器传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式。

1.2.1直接接触式换热器

这类换热器又称混合式换热器。

它是利用冷流体、热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。

直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。

1.2.2蓄热式换热器

这类换热器又称回热式换热器。

它是借助于固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。

蓄式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面积大，固较适合用于气-气热交换的场合。

1.2.3间壁式换热器

这类换热器又称表面式换热器。

它是利用间壁（固体表面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量有热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。

间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样，如常见的管壳式和板式换热器都属于间壁式换热器。

1.3间壁式换热器

1.3.1管式换热器

这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。

按传热管的结构形式不同大致分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕式换热器和管壳式换热器。

1.3.2板面式换热器

这类换热器都是通过板面进行传热的换热器。

板面式换热器按传热板面的结构形式可分为以下五种：

螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器。

1.3.3其他形式换热器

这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器，一般是为满足工艺特殊要求而设计的，如石墨换热器、聚四氟乙烷换热器和热管换热器等。

1.4管壳式换热器

管壳式换热器具有可靠性强、适应广等优点，在个工业领域中得到最为广泛的应用。

近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。

在换热器向高参数、大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位。

根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U 形管式、填料函式和斧式重沸器五类。

1.4.1固定管板式换热器

固定管板式换热器的典型结构是，管管束连接在管板上，管板与壳体焊接。

其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；

缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大，壳体和管束将产生较大的热应力。

这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并

能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。

1.4.2浮头式换热器

浮头式换热器的典型结构是，两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。

浮头式换热器的特点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；

但其结构复杂，造价比固定管板式换热器，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。

适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

1.4.3U形管式换热器

U形管式换热器的典型结构是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。

U 形管式换热器结构简单、价格便宜，承受能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程易结垢的需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。

特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。

第2章工艺设计

2.1设计基本条件

某生产企业流量为1.25kg/s、温度为72℃烃的饱和蒸气在管外冷凝成同温度的液体。

烃蒸气的冷凝潜热为315kJ/kg。

已测得：

蒸气冷凝传热系数

a0=800W/（m2·

℃），管内侧热阻为外侧的40%，污垢热阻又为管内侧热阻的70%，水从17℃被加热到37℃。

2.2确定设计方案

2.2.1选择冷凝器的类型

列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。

列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。

两流体温度变化情况：

热流体定性温度为72℃；

冷流体进口温度为17℃，出口温度为37℃。

冷流体的

定性温度为t=t1+t2

2

=17+37=270C,两流体温差为：

720C-270C=450C<

500C；

该冷凝器的管壁温和壳体壁温之差不大，因此初步确定选用固定管板式换热器。

2.2.2流程安排

因为水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，饱和烃走壳程。

2.3确定物性数据

冷流体在270C时的物性数据：

密度

定压比热容热导率

黏度

r=997.5kg/m3Cp1=4.18kJ/kg.K

1

l1=0.61W/m.K

m1=0.862mPa.S

热流体在720C下的相关物性数据：

物料处理量密度

定压比热容

热导率黏度

m2=1.25kg/S

r=659kg/m3

Cp2=2.31kJ/kg.K

l2=0.119W/m.K

m2=0.313mPa.S

2.4估算传热面积

2.4.1计算热负荷

QT=Whr=1.25´

315000J/kg=393750W

2.4.2冷却水用量

Wm,c=QT/cp,cDt=393750/4180´

20=4.71kg/s

2.4.3计算有效平均温度差热流体72°

C®

72°

C冷却水37°

C¬

17°

C

Dt1=72-17=55℃

Dt2=72-37=35℃

由于Dt2/Dt1=55/35=1.57£

2

Dtm=（Dt1+Dt2）/2=（55+35）/2=45℃

2.4.4选取经验传热系数K值

根据管程走冷却水，壳程走饱和烃，总传热系数K现暂取：

K=450W/m2×

°

2.4.5估算换热面积

S`=

QT

KDtm

=393750

450´

45



=19.44m2

2.5工艺结构尺寸

2.5.1管径和管内流速

选用Φ25×

2mm较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=0.7m/s。

2.5.2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

ns=

V

pd2u

= 4.71/997.5

0.785´

0.0212´

0.7

=20（根）

4i

按单程管计算，所需的传热管长度为

L= S

pdons

= 19.44 =12.7m3.14´

0.025´

19.5

按单壳程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。

根据本设计实际情况，现取传热管长l=3.0m，则该换热器的管程数为

n=L=12.7=4.23»

4

p l 3

传热管总根数 N=20×

4=80（根）

2.5.3平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数：

R=热流体的温降=

冷流体的温升

0 =0

37-17

P= 冷流体的温升 =

两流体的最初温升

20 =0.36

72-17

按单壳层，4管程结构，查文献GB151-1999图F-2得eDt=1

平均传热温差

Dtm

=eDt

×

Dtm

=1´

45=450C

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，故单壳程适宜。

2.5.4管子排列

换热管在管板上的排列方式有：

正三角形，转角三角形，正方形，转角正方形排列。

如下图2-1所示。

图2-1换热管在管板上的排列方式

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。

管程分布如图2-2所示：

2.5.5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：

t=1.25d0=1.25´

25=32mm

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2S=44mm。

2.5.6壳体内径

采用多管程结构，壳体内径可按下式估算：

D=1.05t

NTh

式中：

h——管板利用率。

h的取值范围如下：

正三角形排列，2管程，h=0.7~0.85，4管程以上，

h=0.6~0.8。

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。

78/0.7

取管板利用率η=0.7，则壳体内径为：

NT/h=1.05´

32´

=354.7mm

按卷制壳体的进级档，可取D=400mm

N

则横过管数中心线管的根数：

NTC=1.1

=1.1´

78

=9.7»

10（根）

2.5.7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。

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h=0.20´

400=80mm。

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

B=0.35´

400=140mm。

取B为200mm，则折流板数

NB=传热管长/折流板间距-1=3000/200-1=14（块）

2.5.8其他附件

拉杆数量与直径选择标准选的取，本换热器壳体内径为400mm,其拉杆直径为F16，拉杆数量不得少于4。

壳程入口处，应设置防冲挡板。

表2-1 拉杆数量选用表

壳体公称直径d，mm

≥400

≥1300

≥1500

≥1800

≥2000

≥2300

拉杆直

≥700~

≥900~

<

400

~<

70

150

180

200

230

260

径

900

1300

dn，mm

拉杆数量

10

4

6

12

16

18

24

28

32

8

14

20

2.5.9接管

因壳程流体有相的转变，所以进出口的接管的介质的流速是不一样的。

壳程流体进口接管：

取壳程内蒸汽流速为u1=10m/s，故接管内径为

=

4V

pm

4´

1.25/659

3.14´

D = =0.016m

查标准取壳程流体进口接管为φ25x2mm。

壳程流体出口接管：

取壳程内液体流速为u2=1m/s，故接管内径为

D = =0.049m

查标准取壳程流体出口接管为φ57x3.5mm。

管程流体进出口接管：

取接管液体流速m3=0.7m/s，故接管内径为

4.71/997.5

0.862

D3=

=0.0835m

查标准取管程流体进出口接管为φ89x6mm

2.6换热器核算

2.6.1传热系数

K=1

a

Ri+Ro+

o

= 1

0.4´

0.7+1´

0.4+1

800

800

=476.2W/（m2×

K）

2.6.2传热面积裕度

计算传热面积

Ac=

Q

K×

=393750

476.2´

=18.37m2

该换热器的实际换热面积

Ap=pd0lNT

=3.14´

3´

80=18.84m2

该换热器的面积裕度为

H=Ap-Ac

Ac

=18.84-18.37

18.37

=2.500

，尚能满足要求。

2.7换热器内流体的阻力

2.7.1管程流体阻力