300KW氨吸收式制冷系统管壳式冷凝器设计

300KW氨吸收式制冷系统管壳式冷凝器设计 【摘要】根据设计条件，依据GB151和GB150及相关规范，对300KW氨吸收式制冷系统管壳式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。关于管壳式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 管壳式冷凝器 管板 法兰 300KW ammonia absorption refrigeration system designed shell and tube condensersAbstractAccording to the design condition, GB151 and GB150 and related norms, design a 300KW ammonia absorption refrigeration system shell and tube 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; Shell and tube condenser; Tube sheet; Flange. 目录1. 绪论11.1 冷凝器概述11.2 冷凝器类型11.2.1 卧式壳管式冷凝器11.2.2 立式壳管式冷凝器31.2.3 套管式冷凝器32. 工艺计算52.1 确定热负荷及温度参数52.2 结构初步规划52.3 计算传热系数62.4传热面积及传热管确定73. 结构设计93.1 壳体、管箱壳体和封头的设计9 3.1.1 壁厚的确定93.1.2 管箱壳体壁厚的确定103.1.3 标准椭圆封头的设计103.2 管板与换热管设计113.2.1 管板113.2.2 换热管123.3 进出口设计123.3.1 接管的设计123.3.2 接管外伸长度133.3.3 排气、排液管133.3.4 接管最小位置133.4 折流板或支持板153.4.1 折流板尺寸153.4.2 折流板和折流板孔径153.4.3 折流板的布置163.5 防冲挡板163.6 拉杆与定距管173.6.1 拉杆的结构和尺寸173.6.2 拉杆的位置183.6.3 定距管尺寸183.7 鞍座选用及安装位置确定184. 强度计算184.1 壳体、管箱壳体和封头校核184.1.1 壳体体校核184.1.2 管箱壳体校核194.1.3 椭圆封头校核194.2 接管开孔补强204.2.1 蒸汽进出口开孔补强204.2.2 管箱冷却水接管补强的校核214.3 膨胀节234.3.1 膨胀节234.3.2 膨胀节计算234.4 管板校核254.4.1 结构尺寸参数254.4.2 各元件材料及其设计数据254.4.3 管子许用应力264.4.4 结构参数计算274.4.5 法兰力矩284.4.6 换热管与壳体圆筒的热膨胀应变形差284.4.7 管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数284.4.8 管子加强系数294.4.9 旋转刚度无量纲参数294.4.10 设计条件不同危险组合工况的应力计算304.4.11 四种危险工况的各种应力计算与校核：324.5 设计值总汇345. 安装使用及维修345.1 安装345.2 维护和检修35结 论37参考文献381. 绪论1.1 冷凝器概述冷凝器是制冷装置中的重要设备，其作用是将压缩机排出的制冷剂的过热蒸汽冷却，并使之液化，亦即使过热蒸汽流经冷凝器的放热面，将其热量传递给周围介质（水或空气等），而其自身被冷却为饱和气体，并进一步被冷却为高压液体，以便制冷剂在系统中循环使用。 本次毕业设计特针对这类冷凝器中的管壳式冷凝器的对其换热面积，管型以及结构进行分析、选择和计算。1.2 冷凝器类型冷凝器按其冷却介质和冷却方式，可以分为水冷式、空气冷却是（或称风冷式）和蒸发式三种类型。下面主要对水冷式冷凝器进行叙述。水冷式冷凝器放出的热量由冷却水带走。冷却水可用天然水、自来水或经冷却水塔冷却后的循环水。天然水易使冷凝器结垢而需经常清洗，所以耗水量不大的小型装置可使用自来水，大、中型装置可使用循环水以降低其水耗。由于自然界中水温一般比较低，因此水冷式冷凝器的冷凝温度较低，这对压缩机的制冷能力和运行经济性都比较有利。目前制冷装置中大多采用水冷式冷凝器。常用的水冷式冷凝器有卧式壳管式、立式壳管式及套管式等形式。1.2.1 卧式壳管式冷凝器卧式壳管式冷凝器水平放置，其结构如图1-1所示。制冷剂蒸汽在管子外表面上冷凝，冷却水在泵的作用下在管内流动。制冷剂蒸汽从上部进气管5进入筒体，凝结成液体后由筒体下部出液管8流入贮液器中。对于小型制冷装置，为了简化设备，也可不另冷凝器是制冷装置中的重要设备，其作用是将压缩机排出的制冷剂的过热蒸汽冷却，并使之液化，亦即使过热蒸汽流经冷凝器的放热面，将其热量传递给周围介质（水或空气等），而其自身被冷却为饱和气体，并进一步被冷却为高压液体，以便制冷剂在系统中循环使用。 本次毕业设计特针对这类冷凝器中的管壳式冷凝器的对其换热面积，管型以及结构进行分析、选择和计算。冷凝器按其冷却介质和冷却方式，可以分为水冷式、空气冷却是（或称风冷式）和蒸发式三种类型。下面主要对水冷式冷凝器进行叙述。水冷式冷凝器放出的热量由冷却水带走。冷却水可用天然水、自来水或经冷却水塔冷却后的循环水。天然水易使冷凝器结垢而需经常清洗，所以耗水量不大的小型装置可使用自来水，大、中型装置可使用循环水以降低其水耗。由于自然界中水温一般比较低，因此水冷式冷凝器的冷凝温度较低，这对压缩机的制冷能力和运行经济性都比较有利。目前制冷装置中大多采用水冷式冷凝器。常用的水冷式冷凝器有卧式壳管式、立式壳管式及套管式等形式通常在筒体下面还焊有一个集污包，以便集存润滑油及机械杂质。其两端用端盖封住。端盖内用分水隔板实现冷却水的多管程流动。冷凝器的管程数一般为偶数，这样冷却水的进出口就设在同一个端盖上，而且冷却水从下面流进，上面流出。端盖上部的放空气旋塞6是在开始充水时，用来排除管内空气的；下部的泄水旋塞7是在冷凝器停止使用时，用来排除其中的水，以防管子被腐蚀或冻裂。卧式壳管式氨冷凝器通常采用2538的无缝钢管，氟利昂冷凝器可用无缝钢管（一般为25以上），也可用钢管。由于氟利昂侧冷凝传热系数较小，故用钢管的冷凝器多采用滚压翅片管。卧式壳管式冷凝器的结构紧凑，传热系数大，冷却水耗量少，操作管理方便。小型氟利昂压缩机和卧式壳管式冷凝器，一般做成压缩冷凝机组，因此安装方便，占地面积小。卧式壳管式冷凝器广泛用于大、中、小型氨或氟利昂制冷装置中。其缺点是：对冷却水水质要求高，水温要低；设贮液器，而让冷凝器筒体下部兼有一定贮液作用，少装几排管子即可。对于氨冷凝器，通常在筒体下面还焊有一个集污包，以便集存润滑油及机械杂质。其两端用端盖封住。端盖内用分水隔板实现冷却水的多管程流动。冷凝器的管程数一般为偶数，这样冷却水的进出口就设在同一个端盖上，而且冷却水从下面流进，上面流出。端盖上部的放空气旋塞6是在开始充水时，用来排除管内空气的；下部的泄水旋塞7是在冷凝器停止使用时，用来排除其中的水，以防管子被腐蚀或冻裂。卧式壳管式氨冷凝器通常采用2538的无缝钢管，氟利昂冷凝器可用无缝钢管（一般为25以上），也可用钢管。由于氟利昂侧冷凝传热系数较小，故用钢管的冷凝器多采用滚压翅片管。卧式壳管式冷凝器的结构紧凑，传热系数大，冷却水耗量少，操作管理方便。小型氟利昂压缩机和卧式壳管式冷凝器，一般做成压缩冷凝机组，因此安装方便，占地面积小。卧式壳管式冷凝器广泛用于大、中、小型氨或氟利昂制冷装置中。其缺点是：对冷却水水质要求高，水温要低；冷却水流动阻力比较大；清洗水垢不方便，需要设备停止工作。1.2.2 立式壳管式冷凝器立式壳管式冷凝器直立安装，只用于大、中型氨制冷装置，其结构如图22所示。与卧式壳管式冷凝器相比，立式壳管式冷凝器不仅是直立安装，而且两端没有端盖，水及氨的流动方式也有所不同。氨蒸汽从冷凝器外壳的中部偏上处进气管接头3进入圆筒内的管外空间，冷凝后液体沿管外壁从上流下，积在冷凝器底部，经出液管1流入贮液器。冷却水从上部进入冷凝器管内，但水并不充满钢管的整个断面，而是呈膜状沿管内壁流下，排入冷凝器下面的水池中，一般再用水泵压缩到冷却水塔中循环使用。为了使冷却水均匀地分派到每根钢管中，冷凝器顶部装有配水箱，每根钢管的管口上装有一只具有分水作用的导流管嘴，如图22所示。冷却水通过导流嘴管上的斜槽流入管中，并以螺旋线状沿管内壁流下。这样，在管内壁能够很好地形成一层水膜，充分吸收制冷剂的热量，既提高了冷凝器的冷却效果，又节省用水。立式壳管式冷凝器管一般用50的无缝钢管。这种冷凝器的优点是：可以露天安装，节省机房面积；对冷却水水质要求不高，可以在运行中清洗水管。其缺点是：传热系数比卧式冷凝器的小：冷却水用量大；体积大，比较笨重；冷却管内水流速度低，易结水垢；露天安装时，灰砂易落入，需要经常清洗。1.2.3 套管式冷凝器 套管式冷凝器是由两种不同管径的管子制成，将单根或多根小直径管套在大直径的管内，然后绕成蛇形管式或螺旋式。图13为具有三根小管的套管式冷凝器。制冷剂蒸汽从上部进入外管的空间，在内管外表面冷凝，冷凝液由下部流出；冷却水与制冷剂的流向相反，在小管内自下而上盘旋流动。套管式冷凝器，因冷却水的流程长，所以温差大(810）。制冷剂在被冷却水吸热的同时，还被管外的空气冷却，所以传热效果好；其结构紧凑，制造简单，所以虽然金属消耗量大，但其价格便宜；又由于两股流体逆向流动，所以制冷剂液体的过冷度较大，水温差大而是耗水量小。其缺点是水侧阻力大，清除水垢难，所以要求水质高，制冷剂侧的阻力也较大。套管式冷凝器广泛用于25KW的小型空调器机组中；用于氟利昂机组时，内管常用滚压翅片管。套管式冷凝器可以套放在压缩机周围，以节省压缩冷凝机组的占地面积。 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。2. 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 确定热负荷及温度参数已知管壳式冷凝器的热负荷=300KW。设定冷却水的入口温度为=32，由换热器原理与设计知，卧式冷凝器的温升一般为35，则取温升温度为4。冷却水的出口温度为 =+=（32+4)=36q=0.2由此计算的冷却水流量=0.2=4.08平均温差t=4.082.2 结构初步规划对于多流程冷凝器，每个流程的管子书Z取决于传热管内冷流体的流量与流速，他们的关系如下： （）Z= Z=在选定管子的后，就可按上式计算出流程的管子数Z。当传热面积确定时，传热管的有效长度与流程数N之间存在以下关系： =NZ 故 N= 在设计冷凝器时，对及N应进行合理的初步规划。 不同类型冷凝器采用的传热管结构形式有所不同，我国生产的氨卧式冷凝器采用25、38和51的钢管，氨立式冷凝器采用38或51的钢管作传热管，因水对钢管的腐蚀性较大，管壁厚取2.53mm。故选用252.5mm无缝钢管，取水流速=2，则由上式得每流程管数Z为 Z=347.7 式中为管内径。化整后取Z=348。 假定按管外侧表面计算的热流密度=5815，则所需的传热外表面积为： =52 由此可得流程与有效管长的乘积N为 N=m=10.4m式中为外径。管按正三角形排列，且管距s=32mm,不同流程有不同管长及壳体内径，可参考下表选取。 表1 不同流程的管长及壳体内径NNZ壳体内径实际管长214.3960.4214.43447.151920.587.2512.564.772880.704.87783.583840.803.684.6102.864800.882.963.42.3 计算传热系数水侧表面传热系数计算如下：从水物性表知，水在平均温度=34.5时，运动粘度v=0.736:；由B=1395.6+23.26得水的物性集合系数为： B=1395.6+23.2634.5=2198因为雷诺数=54200，即水在管内的状态为湍流，由式=B得水侧表面传热系数为：=（2198+）=8368氟利昂侧表面传热系数计算如下：水平管的管束修正系数按式=计算，流程数N为6时，则NZ=648=288，将其布置在39个纵列内，计算的=0.604。管外传热系数按式=。按=40查的=32.388，=223.116，则有=0.725=7962 （a）计算传热系数时，将传热分解成两个过程：一个过程是热量经过氨液膜层的传热，其传热温差为，它是制冷剂温度与管外污垢层外表面温度间对数平均温差；另一过程为热量经过管外污垢层、管壁、管内污垢层以及冷却水的传热过程，传热温差为，它是管外污垢层外表面温度与管内冷却水温度间的对数平均温差。两个过程的传热计算式为=7962= 式中：和外侧和内侧污垢热阻，即 =0.09，=0.43 管的平均直径，即 R热阻，,即 R=7.5301注意到，则 (b)其单位为。选取不同的对式（a)和（b)进行试凑计算，计算结果列于下表。 表2 试凑计算结果（a)式中的（b)式中的0.5473661080.6542859760.7609358430.6758965883当=0.67时，取。该值与前面假定的=5815十分接近，故假定成立。于是，传热系数为K= 2.4传热面积及传热管确定据有传热面积为 管有效长度为 =4.71m取管实际长度L=5m. 2.5冷却水侧流动阻力及水泵功耗计算水侧沿程阻力系数 =0.0208所以为 =83.3KPa考虑到外路管部损失，冷却水泵总压头=200KPa,取离心水泵效率=0.6，侧水泵所需功率P为 P=10KW经校核计算，冷凝器的热流量、传热管壁温和流体阻力都满足设计要求。 3. 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68121214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，mm1200Q235-A/B/C1010121616MnR10101012160Cr18Ni966(7)8(9)1220由工艺条件给定的壳程设计温度49.96、设计压力为0.9MPa，由于壳程走的是二甲胺蒸气，压力不高，腐蚀性大，故壳程筒体材料可选0Cr18Ni9。筒体用钢板卷制，取钢板的厚度负偏差=0.8mm，腐蚀裕量=1.0mm，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，0Cr18Ni9的许用应力为=137MPa，（厚度6-16mm）, 屈服强度为s=205MPa14。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 由于二甲胺蒸气的腐蚀强度高，取腐蚀裕量=1.0mm。则 此时负偏差为C1=0.8mm，则。名义壁厚 ，可取名义壁厚为12mm。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12mm。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0.6MPa，管程的公称直径，查JB/T4703-2000可选长颈对焊法兰LWN1200-1.0FM，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12mm。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12mm。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，mm1200Q235-A/B/C1010121416MnR10101012160Cr18Ni96681218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10mm。有效厚度：由表3-3、表3-4壳体和管箱壳体的尺寸结构应选择的封头为DN=1200mm，材料为0Cr18Ni9，封头厚度10mm，直边高度为40mm。查标准椭圆封头JB/T4737-95，取EHA型椭圆形封头，总深度325mm，内表面积，容积，质量。3.2 管板与换热管设计3.2.1 管板3.2.1.1 管板结构下图为固定式管板式换热器兼作法兰的管板，管板与法兰连接的密封面为凸面，分程隔板槽拐角处，倒角1045。图3-1 堆焊管板结构图3-1为堆焊不锈钢管板，堆焊管板应先堆焊，然后钻管孔。3.2.1.2 管板尺寸管板尺寸如图3-2。根据GB151-1999管壳式换热器的规定，碳钢、低合金钢固定管板式换热器的管板（16Mn锻件）在PN1MPa、DN=1200的管板尺寸见表3-5。图3-2 管板尺寸图（用于壳程PN1.0MPa)表3-5 DN=1200管板尺寸表PsMPaPtMPaDD1D2 D3D4D5RhCD2螺柱（栓）hfb规格数量0.61.01330129011901198125012001223M20484656管板与换热管只能采用焊接的形式连接。3.2.2 换热管3.2.2.3 换热管的排列换热管的排列型式：三角形换热管中心距：对于换热管外径为25mm的管子，换热管中心距取32mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距为44mm。布管限定圆DL：布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，固定管板式布管限定圆按DL=Di-2b3确定。其中Di为换热管筒体内直径，mm；b3为固定管板换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离，b3=0.25d且不小于8mm；DL为布管限定圆直径，mm。 图3-2 布管示意图由之前的条件知b3=0.25d=0.2525=6.25mm取8mm则DL=Di-2b3=1200-28=1184mm。3.3 进出口设计3.3.1 接管的设计壳程流体进口接管：取接管内气体流速为，则接管内径为圆整后可取接管内径为400mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为圆整后可取接管内径为350mm。3.3.2 接管外伸长度接管外伸长度可由表3-6的数据选取表3-6 PN3006006009009001200120015001500折流板最小厚度120068101216163.4.2 折流板和折流板孔径换热管级管束（适用于碳素钢、低合金钢和不锈钢换热器）折流板或支持板管孔直径及允许偏差应符合表3-8。表3-8 折流板或支持板管孔直径及允许偏差换热管外径或无支撑跨距d32或l900l900且d32管孔直径d+0.8d+0.4允许偏差+0.403.4.2.1 折流板直径及允许偏差表3-9 折流板直径及允许偏差公称直径DN40040050050090090013001300170017002000200023