本科毕业设计 (论文)蒸汽冷凝器设计Design of Steam Condenser学院：机械工程学院专业班级：过程装备与控制工程装备092学生姓名：戴晓伟学号：********* 指导教师：张志文（副教授）2013 年6 月目录1 绪论 (1)1.1 换热设备冷凝器过内外研究现状水平和发展趋势 (1)1.2 冷凝器的类型及特点 (1)2换热器的结构计算与强度校核 (3)2.1 已知条件 (3)2.2 确定管子数 (3)2.3 壳体的内径和厚度 (4)2.4拉杆的确定 (5)2.5 确定折流板 (5)2.6右端管箱的设计 (6)2.7接管和管法兰的设计 (7)2.8后端管板的设计 (10)2.9浮头盖的设计 (15)2.10右端管箱的设计 (22)2.11侧法兰的设计 (23)2.12支座的设计与选择 (27)2.13吊环螺钉的设计 (27)2.14防冲板的设计 (28)2.15滑道的设计 (28)3设备的维护与检修 (29)3.1设备的检查 (29)3.2换热器的清理和维护 (29)结论 (30)致谢 (31)参考文献 (32)1 绪论1.1换热设备冷凝器国内外发展现状冷凝器是一种用于冷却流体的换热设备。

把压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽，通过散热冷凝为液体制冷剂，制冷剂从蒸发器中吸收的热量，被冷凝器周围的介质所吸收。

有蒸汽冷凝器，锅炉用冷凝器等。

冷凝器常被用于空调系统，工业化工程序，发电厂及其他热交换系统中。

早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。

随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器；二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业；30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。

接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热；30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂；60年代左右，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展；70年代中期，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

尽管我国在部分重要换热器产品领域获得了突破，但我国换热器技术基础研究仍然薄弱。

与国外先进水平相比较，我国换热器产业最大的技术差距在于换热器产品的基础研究和原理研究，尤其是缺乏介质物性数据，对于流场、温度场、流动状态等工作原理研究不足。

近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。

目前我国在换热器设计过程中还不能实现虚拟制造、仿真制造，缺乏自主知识产权的大型专业计算软件。

根据中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要，“十一五”期间我国经济增长将保持年均7.5％的速度。

而石化及钢铁作为支柱型产业，将继续保持快速发展的势头，预计2010年钢铁工业总产值将超过5000亿元，化工行业总产值将突破4000亿元。

这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。

国内经济发展带来的良好机遇，以及进口产品巨大的可转化性共同预示着我国换热器行业良好的发展前景。

1.2冷凝器的类型和特点冷凝器有蒸汽冷凝器和锅炉用冷凝器。

蒸汽冷凝器这种冷凝常应用于多效蒸发器末效二次蒸汽的冷凝，保证末效蒸发器的真空度。

喷淋式冷凝器，冷水从上部喷嘴喷入，蒸汽从侧面入口进入，蒸汽与冷水充分接触后被冷凝为水，同时沿管下流，部分不凝汽体也可能被带出。

充填式冷凝器，蒸汽从侧管进入后一上面喷下的冷水相接触冷凝器里面装了满了瓷环填料，填料被水淋湿后，增大了冷水与蒸汽的接触面积，蒸汽冷凝成水后沿下部管路流出，不凝气体同上部管路被真空泵抽出，以保证冷凝器内一定的真空度。

淋水板或筛板冷凝器，目的是增大冷水与蒸汽的接触面积。

混合式冷凝器具有结构简单，传热效率高等优点，腐蚀性问题也比较容易解决。

锅炉用冷凝器，又称烟气冷凝器，锅炉使用烟气冷凝器后，可有效节约生产成本，降低锅炉的排烟温度，提高锅炉热效率。

使锅炉运行符合国家节能减排标准。

节能减排是国家“十一五”规划纲要转变经济发展方式的关键和保证，是落实科学发展观和保证经济又好又快发展的重要标志，特种设备作为耗能大户，同时也是环境污染的重要源头、加强特种设备节能减排的任务任重道远。

《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》确立了单位国内生产总能源消耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%为经济社会发展的约束性指标。

其是有着工业生产“心脏”之称的锅炉是我国能源消耗的大户。

高效能特种设备主要是指锅炉、压力容器中的换热设备等。

2 结构设计与强度校核2.1 已知条件表1 设计参数管程 壳程 工作介质冷却水 氢气等 工作压力0.45MPa 2.3MPa 设计压力2.5MPa3.2MPa 设计温度60C ︒ 170C ︒换热面积 49m ²两流体的温差为110C ︒＞50C ︒.所以需要热补偿，可采用浮头式换热器。

2.2 确定管子数选用)(219mm ⨯φ，长为3m ，材料为10号钢管的换热管。

由换热面积)(00∆-=L d n A π得：283)1.03(019.014.349)(00=-⨯⨯=∆-=L d A n π （公式2-1） 取管子数n 为286根换热管一般不小于1.25倍的换热管外径，参照文献[1]取中心距a 为25mm. 管子采用正方形排列具体方式如下图正方形排列图1 管子的排列2.3 壳体的内径和厚度2.3.1 筒体的内径参考文献［3］筒体的内径可由下列公式计算l b a D i 2)1(+-= （公式2-2） 式中a 为换热管间距，b 位于管束中心线上的管束管子按正方形排列时n b 19.1=，l 为最外层管子的中心到壳壁的距离一般取2倍的管子外径。

mm D i 5511922)120(25=⨯⨯+-⨯=按标准圆整取筒体内径mm D i 600=2.3.2 筒体的壁厚根据设计要求筒体材料选择Q345R ，取设计压力3.2MPa 。

根据国标150-1998查得设计压力下许用Q345R 许用应力[]tσ为170MPa 。

筒体上的焊接均采用相当于双面焊的全焊透对接接头（局部无损检测），根据参考文献[2]，取焊缝系数为0.85，估计厚度在8mm 到25mm ，取厚度负偏差mm C 8.01=，腐蚀裕量mm C 2.32=，mm C C C 421=+=。

计算厚度[]mm P D P c t i c 8.62.385.017026002.32=-⨯⨯⨯=-=ϕσδ （公式2-3）工艺要求需要取计算压力c p 取设计压力3.2MPa ，以下计算皆如此设计厚度mm C d 102.38.62=+=+=δδ （公式2-4） 根据文献[1]查得公称直径在400mm 到700mm 的浮头换热器壳体最小厚度不得低于8mm ，取名义厚度为14mm2.3.3 筒体的压力试验设备用于非极度危害的介质，所以不需要进行气密性试验，但需要做液压试验。

[][]8.11170170<==t σσ [][]MPa P MPa P P C t c t 3.31.041701702.325.125.1=+>=⨯⨯=⨯⨯=σσ （公式2-5） 液压试验产生的应力()()()MPa D P e e i t t 53.143414241460042=-⨯-+⨯=+=δδσ （公式2-6） []MPa MPa t 53.1431531709.09.0>=⨯=σ（公式2-7） 因此所选封头的强度足够。

2.4 拉杆与定距管的确定拉杆与管板螺纹连接的拉杆螺纹结构如下图图2 拉杆与管板的连接拉杆采用拉杆定距管结构，按文献[1]表43和表44取拉杆直径12mm ，拉杆数为8，材料使用Q235-A.拉杆结构如下图3 拉杆结构示意图根据文献[1]表45可知，拉杆公称直径为mm d 12=的拉杆，拉杆螺纹公称直径mm d n 12=，mm L a 15=，mm L b 50>，b L 取100mm 。

2=b 。

根据参考文献[1]选取219⨯φ的定距管，材料采用10号钢，长度按实际情况而定。

2.5确定折流板折流板采用单弓形折流板和环形折流板，环形折流板充当支持板，提高管子的稳定性，防止换热板产生过大的挠度。

弓形折流板的圆缺高为壳体直径的30%。

则，切去的圆缺高度为mm h 1806003.0=⨯= （公式2-8） 根据文献[1]折流板的名义外直径D=DN —4.5=600—4.5=595.5mm （公式2-9） 弓形折流板的间距取250mm 。

折流板板数块1111212503000=-=-=N （公式2-10） 根据浮头换热器的特点综合考虑弓形折流板取8块。

在左侧第一块折流板与左侧管板之间设置一块环形折流板。

折流板材料选用Q235-A弓形折流板厚度取8mm环形折流板厚度取14mm ，内圆直径335mm 。

根据文献[1]表35管空直径取19.7mm 。

2.6 右端管箱的设计2.6.1 分程隔板的设计根据文献[1]表3-1，隔板的最小厚度为8mm ，取隔板厚度10mm 。

分程隔板槽的槽深一般不小于4mm ，因此，取分程隔板槽的槽深为5mm ，宽度为12mm 。

2.6.2 封头的设计封头采用椭圆形封头，材料为Q345R 。

设计压力下许用应力170MPa 承受内压2.5MPa ，公称直径为600mm 。

封头计算厚度[]mm P D P c t c 3.55.25.085.017026005.25.02i =⨯-⨯⨯⨯=-=ϕσδ封 （公式2-11） 设计厚度m m 5.82.33.5=+=+=C d 封封δδ （公式2-12）取名义厚度和壳体一样，所以取mm n 12=δ，根据《压力容器与化工设备使用手册》上册，表2-2-6，对于内径600mm ，厚度12mm 的标准椭圆形封头，曲面高度150mm ，直边高度40mm 。

容积0.040m ³，质量45kg 。

2.6.3 封头的压力试验设备用于非极度危害的介质，所以不需要进行气压试验，但需要做液压试验。

[][]8.11170170<==t σσ [][]MPa P MPa P P c t c t 6.21.0125.31701705.225.125.1=+>=⨯⨯=⨯⨯=σσ 液压试验产生的应力()()()MPa D P e e i t t 75.1184122412600125.32=-⨯-+⨯=+=δδσ []MPa MPa t 75.1181531709.09.0>=⨯=σ因此所选封头的强度足够。

管箱短节取和封头厚度等厚，材料采用Q345R 。

2.6.4 管箱法兰的设计与选取由于设备重量较大，应该采用刚度较大的法兰连接。