冷凝器设计说明书论文

根据上文提到冷凝器布置在机房屋顶,且使用氨作为制冷剂,选用空冷式冷凝器,采用翅片管换热,材质选用碳钢或不锈钢。计算冷凝制冷量:蒸发温度-10°C时:蒸发制冷量为814.4kW,压缩机耗功为323.4kW;蒸发温度-28°C时:蒸发制冷量为236kW,压缩机耗功为152.8kW;则冷凝制冷量Q_c=814.4+236+323.4+152.8=1526.6kW。根据夏季通风室外计算温度31°C,并考虑10°C的换热温差,估算冷凝温度t_c=41°C。查阅制冷剂氨的热力性质表,在饱和温度41°C下,饱和压力p_c=1555kPa=15.55bar。选择合适的空冷式冷凝器产品规格,如A-1型号,制冷量1600kW,冷凝压力16bar,长4200mm,宽1200mm,高1000mm。4.2.2工艺结构尺寸计算根据冷凝器的制冷量和冷凝压力,并考虑一定的过冷度和余量,初步确定冷凝器的换热管规格、排数等参数。计算冷凝器的换热面积A:A=其中,Q_c为冷凝制冷量,K为冷凝器的总传热系数(查阅文献取经验值),Δt_m为对数平均温差。根据换热面积A和单根换热管的外表面积,计算所需的管子根数,并考虑一定裕度。确定管束直径、管排数、管间距等几何参数,并绘制管束布置图。计算冷凝器的壳程流速,并校核是否满足设计要求。必要时调整管束几何参数。4.2.3折流板数值计算1)确定折流板的数量根据冷凝器的管束直径D和壳程长度L,计算折流板的数量n。经验公式如下:n式中,L为壳程长度,D为管束直径,0.2~0.5为经验系数,取值与壳程流体的性质有关。对于氨制冷剂,可取0.3。根据计算结果,取整确定折流板的实际数量n_实。2)计算折流板开孔率为了减小壳程压降,折流板上开有多个通孔,用开孔率μ表示。折流板开孔率μ的经验取值范围为0.2~0.4。根据折流板的数量n_实和管束直径D,计算折流板开孔率μ:μ=式中,A_s为壳程流体的通流面积,A_o为折流板的总面积。考虑到制造和强度的限制,折流板开孔率μ一般不超过0.4。3)计算折流板通孔直径根据折流板开孔率μ和管束直径D,计算折流板通孔直径d:d=式中,N为通孔数量,可根据折流板直径和管排布方式估算。通孔直径d一般应大于管子外径的1.2~1.5倍,以便于管子穿过。同时,通孔直径d也不宜过大,以免削弱折流板强度。根据计算结果,并考虑加工工艺的限制,取整确定折流板通孔直径d_实。4)校核壳程压降根据折流板数量n_实、开孔率μ和通孔直径d_实,计算壳程流体的流速v:v=式中,V_s为壳程流体的体积流量。根据壳程流速v、流体物性参数等,计算壳程压降Δp:∆p=式中,f为摩擦系数,ρ为流体密度,d_e为当量直径。4.2.4管板设计计算1)计算管板的最小厚度根据冷凝压力p、管板材质的许用应力[σ]等参数,并参考压力容器设计规范,计算管板的最小厚度δ_min:δ式中,D为管板直径,C为系数,与管板结构型式和管子布置方式有关,p为设计压力,[σ]为管板材料在设计温度下的许用应力,C_1为腐蚀裕量,一般取2~3mm。根据计算结果,并考虑制造和安装的要求,取整确定管板的公称厚度δ_实。2)校核管板强度根据管板的公称厚度δ_实、管孔直径d、管孔节圆直径D_节等参数,计算管板的有效厚度δ_e:δ计算管板的弯矩M和剪力Q:M=pD计算管板的弯曲应力σ_b和剪应力τ:σb=6M计算管板的等效应力σ_v:σ校核等效应力σ_v是否满足强度条件:𝜎𝑣≤[𝜎]如不满足,需要增加管板厚度或调整管板材质。3)计算管板的应力分布采用有限元方法,建立管板的计算模型。模型中应考虑管孔的影响,并合理选择单元类型和网格划分。在模型上施加载荷和边界条件,包括设计压力、管子与管板的连接约束等。进行有限元求解,得到管板在设计工况下的应力分布云图。4.2.5连接管的确定根据冷凝器的制冷量Q、冷凝温度t_c、冷凝压力p_c等参数,计算冷凝器进出口处制冷剂的体积流量V:V=式中,q为制冷剂在冷凝条件下的比容(查阅物性参数表),ρ为制冷剂在冷凝条件下的密度。根据体积流量V和制冷剂的流速v,计算连接管的内径d:d=式中,流速v可根据管道布置情况和经验值选取,一般取1~2m/s。根据计算得到的内径d,并考虑管道壁厚、腐蚀裕量等因素,查阅管道标准选取合适的公称直径d_n。4.2.6封头壁厚设计校核1)选择封头类型根据冷凝器的设计压力、操作温度、制冷剂种类等参数,并考虑制造工艺和经济性等因素,选择合适的封头类型。常用的封头类型有:椭圆形封头、半球形封头、锥形封头、平板封头等。其中,椭圆形封头应用最为广泛。对于氨制冷剂,考虑到其腐蚀性和泄漏风险,一般选用椭圆形封头或半球形封头,避免使用平板封头。2)计算封头壁厚对于椭圆形封头,根据设计压力p、封头内径D、材料许用应力[σ]等参数,按下式计算其最小壁厚δ_min:δ式中,φ为封头的形状系数,对于标准椭圆形封头,当其高度与直径之比为0.25时,φ=2;C_1为腐蚀裕量,一般取2~3mm。对于半球形封头,其最小壁厚δ_min按下式计算:δ式中,φ为封头的形状系数,对于半球形封头,φ=1。根据计算结果,并考虑制造和安装的要求,取整确定封头的公称壁厚δ_nom。3)校核封头强度根据封头的公称壁厚δ_nom、封头内径D、材料许用应力[σ]等参数,按下式计算其实际应力σ:对于椭圆形封头:σ=pD对于半球形封头:σ=校核实际应力σ是否满足强度条件:𝜎≤[𝜎]4.2.7确定法兰结构1)选择法兰类型根据冷凝器的设计压力、操作温度、介质种类等参数,并考虑制造工艺和经济性等因素,选择合适的法兰类型。常用的法兰类型有:平焊法兰、对焊法兰、螺纹法兰、松套法兰等。其中,平焊法兰应用最为广泛。对于氨制冷剂,考虑到其腐蚀性和泄漏风险,一般选用平焊法兰或对焊法兰,避免使用螺纹法兰。2)计算法兰主要尺寸根据冷凝器的设计压力p、公称直径D_n、材料许用应力[σ]等参数,按下式计算平焊法兰的最小厚度h_min:ℎ式中,φ为法兰的形状系数根据计算结果,并考虑制造和安装的要求,取整确定法兰的实际厚度h。根据法兰的公称直径D_n和实际厚度h,按下式计算法兰的外径D:𝐷=𝐷𝑛+2ℎD根据法兰的公称直径D_n、实际厚度h和螺栓尺寸,计算法兰的螺栓圆直径D_b和螺栓孔数n:螺栓圆直径D_b一般取为法兰外径D的0.75~0.85倍;螺栓孔数n一般根据螺栓直径和法兰直径选取,应使螺栓在法兰上均匀分布。根据法兰的公称直径D_n和实际厚度h,并参考密封面型式,确定密封面宽度b和高度m。。4.2.8支座的选择选择支座类型根据冷凝器的结构形式、安装方式、载荷大小等因素,选择合适的支座类型。常用的支座类型有:鞍式支座、托架式支座、吊架式支座、支腿式支座等。其中,鞍式支座应用最为广泛。二、确定支座位置根据冷凝器的结构布置、重量分布、管道连接等因素,合理确定支座的位置。对于卧式冷凝器,支座一般布置在壳体的两端,距端部一定距离,以避免对封头和管板产生过大的应力。对于立式冷凝器,支座一般布置在壳体的底部,与地基连接。如冷凝器高度较大,还需要在中上部设置吊架或支腿,以减小底部支座的载荷。支座的位置应尽量靠近冷凝器的重心,以减小冷凝器的弯矩和振动。支座与冷凝器壳体的连接方式应根据具体情况选择,常用的有焊接、螺栓连接、法兰连接等。三、设计支座结构根据冷凝器的载荷大小、支座位置等因素,设计支座的结构和尺寸。对于鞍式支座,主要参数有:鞍座半径R、鞍座角度α、鞍座宽度B、鞍座厚度δ等。一般应满足以下要求:鞍座半径R应与壳体外径相适应,一般取壳体外径的1.1~1.2倍;鞍座角度α一般取120°~180°;鞍座宽度B应大于壳体外径的1/10,且不小于200mm;鞍座厚度δ应根据载荷和材料强度计算确定,且不小于壳体厚度。。4.2.9拉杆与定距管的设计拉杆与定距管的布置拉杆和定距管的作用是防止冷凝器管板和封头在内外压力差作用下产生过大的变形,从而保证管板和管束的强度和密封性。拉杆一般布置在管板的中心区域,沿管板直径方向均匀分布。拉杆数量应根据管板直径和压力等因素确定,一般不少于4根。定距管一般布置在管板的边缘区域,与拉杆交错布置。定距管的数量和位置应根据管束的直径、长度和支撑方式等因素确定。拉杆和定距管的材质应与管板和封头相同,以避免因热膨胀系数差异而产生过大的应力。二、拉杆与定距管的尺寸计算根据管板的内径D、设计压力P、拉杆数量n等参数,按下式计算拉杆的最小直径d_min:d式中