1、Abstract:Horizontal water-cooledo e condensere designHeat exchanger is a transfer heat equipment transfer heat with differenttemperature between in two or more fluid. It is a general-purpose equipment widelyused in the chemical, metallurgical, oil refining, power, food, light industry, atomicenergy,
2、 pharmacy, machinery and many other industrial departments. In recent years,people pay more attention to the energy crisis and environmental protection, and heatexchanger especially effective measures for energy conservation and environmentalprotection heat exchanger is the key equipment. Therefore,
3、 whether from the above allkinds of industrial development, or from efficient energy use and environmentalprotection, heat exchanger type selection, reasonable design, manufacturing andoperation has the extremely vital significance.This design is mainly around the fixed tube heat exchanger design, f
4、amiliar withheat exchangers and process of the petrochemical industry, familiar with the workprocess. Through the condenser process design (type selection, the total heat transfercoefficient, total heat exchanger area, condenser area allowance calculation, etc),structural design (the cylinder body s
5、ize, tube plate size, takeover such as the diameterof design), strength calculation (calculation of tube wall thickness, pipe openingreinforcement shell calculation and checking, etc.) heat transfer theory, improve thepractice ability.Keywords: Heat exchanger, heat transfer, structure, and strength摘
6、 要：卧式水冷冷凝器的设计换热器是在具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。它是化工、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。近年来，人们日益重视能源危机和环境保护，而换热器特别是高效换热器又是节能措施和环保中关键的设备。因此，无论是从上述各种工业的发展，还是从能源的有效利用和环境的保护，换热器的选型、合理设计、制造和操作都有非常重要的意义。本设计主要是围绕固定管板式换热器的设计，熟悉石油化工行业中换热装置及其工艺流程，熟悉工作原理。通过对冷凝器的工艺设计（型号的选择、总传热系数、总传热面积、冷凝器面积裕量等计算）、结构设计（筒体内
7、径、管板尺寸、接管内径等设计）、强度计算（筒体壁厚计算、管壳程开孔补强及校核等的计算）深刻了解了换热器的传热原理，提高实践环节的能力。关键词：换热器，传热，结构，强度1 绪论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
8、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。1.1 换热器的分类及其特点在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。1.1.1 按作用原理或传热方式分类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。1.1.1.1 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。1.1.1.2 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
9、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。1.1.1.3 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。11.1.1.4 中间载热体式换热器这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体
10、换热器中把热量释放给低温流体。1.1.2 间壁式换热器1.1.2.1 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。1.1.2.2 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。1.1.2.3 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。1.2 管壳式换热器管壳式换热器具有可靠性强、适应广等
11、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。1.2.1 基本类型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。1.2.1.1 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，2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
12、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。1.2.1.2 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。1.2.1.3U 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
13、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。1.2.1.4 填料函式换热器填料函式换热器的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。其结构浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。因填料处易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于4 以下的工作条件，且不适用与易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现在已很少用。1.2.1.5 斧式重沸器
14、斧式重沸器的管束可以分为浮头式、U 形管式和固定管板式结构。所以它具有浮头式、U 形管式换热器的特性。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸汽品质所决定。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否则可以小些。此种换热器与浮头式、U 形管式换热器一样，清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。1.2.2 管壳式换热器结构流体流经换热器管内的通道及与其相贯通部分称为管程；流体流经换热管外3的通道及与其相贯通的部分称为壳程。1.2.2.1 管程结构管程主要由换热管、管板、管箱、等元件构成。其中换热管与管板的连接是管程结构的关键，
15、也是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是换热器事故率最多的部位。所以换热管与管板连接质量的好坏，直接影响换热器的使用寿命。1.2.2.2 壳程结构壳程主要有壳体、折流板或折流杆、支持板、纵向隔板、拉杆、防冲挡板、防短路结构等原件组成。根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可将换热器壳程分为多程的结构。42.1 基本参数管程工作温度：18/34 ；壳程温度：65/40 2 工艺设计管程最高工作压力：0.05MPa；壳程最高工作压力：1.0MPa管程介质：自来水；壳程介质：R113冷凝器换热功率：1200kw2.2 确定设计方案2.2.1 选择冷凝器的类型两流体温度变化情况：热流体进
16、口温度为 65,出口温度为 40；冷流体进口温度为 18，出口温度为 34；则该冷凝器的管壁温和壳体壁温之差不大，且壳程流体有毒、无腐蚀性、有效的清洁剂，管壳程的工作压力为低压，因此初步确定选用固定管板式换热器。2.2.2 流程安排由设计条件知，考虑到循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，所应使冷却水走管程，R113（三氯三氟乙烷）走壳程。2.3 确定物理数据定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。2.3.1 壳程流体的定性温度固定性温度为：（2-1）52.3.2 管程流体定性温度固定性温度为：2.3.3 壳程流体物理数据（2-2）考虑到壳程流体有气体变成液
17、体，且冷凝段有冷凝热，要分段计算。为了简化计算，取壳程流体的定性温度为冷凝后液体的温度，则 R113（三氯三氟乙烷）为液体在 40下的有关物理数据如下：密度：o= 1528kg/m 3定压比热容：Cpo = 0.9556KJ/(kg .)热导率：o = 0.0825W/(m . )粘度：o = 0.54610-3Pa .s = 0.546mPa .s2.3.4 管程流体物理数据循环冷却水在 26下的无理数据如下：密度：i = 996.7kg/m3定压比热容：Cpi = 4.174KJ/(kg .K)热导率：o = 0.614W/(m . K)粘度：o = 0.873710-3Pa .s = 0.8737mPa .s2.4 估算传热面积2.4.1 热流量用量由于壳程介质有气体冷凝为液体，有相的变化，利用焓的变化计算（2-3）（2-4）查制冷工质物理性质表与图R113 在 65和 40下的焓值分别是：6
