荐空冷冷凝器设计 毕设论文.docx
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荐空冷冷凝器设计毕设论文
空冷冷凝器设计
摘要：
冷凝器是各工业部门中重要的换热设备之一。
换热器作为热量传递中的过程设备，在化工、冶金、石油、动力、食品、国防等工业领域中应用极为广泛。
换热器性能的好坏，直接影响着能源利用和转换的效率。
近年来，节能工作开始被全球所重视,而换热器特别是高效换热器又是节能措施中关键的设备。
因此,无论是从上述各工业的发展,还是从能源的有效利用,换热器的合理设计、制造、选型和运行都有非常重要的意义。
本设计是关于管翅式空冷器的设计。
主要内容是进行了冷凝器的工艺计算，结构设计和强度校核。
设计内容首先是传热计算，主要是根据设计条件计算换热面积。
其次是结构设计以确定各部件的尺寸。
最后还包括是强度计算与校核，主要包括管箱结构与校核和支架的校核。
关于设计管翅式冷凝器的各个环节，在后面设计书中做详细的说明。
关键词：
冷凝器；传热；结构；强度；管翅式换热器；
DesignofAir-cooledCondenser
Abstract：
Condenseisoneofthemostimportantheatexchangingequipmentsinindustrialfield.Asaheattransferintheprocessingequipment,exchangeriswidelyappliedinchemicalindustry,metallurgy,oil,power,food,defenseindustry.Inrecentyears,theproblemofenergy-savingisbeginningtoberegardedallovertheworld.Andheatexchanger,particularlyefficientheatexchanger，Itisthekeytoenergy-savingequipment.Therefore,whetherfromtheforegoingthedevelopmentofindustry,orfromefficientenergyuse,thereasonableheatexchangerdesign,manufacturing,selectionandrunningallhaveveryimportantsignificance.
ThemanualisabouttheFinnedtubecondenser，whichincludedprocesscalculation,thestructuraldesignandintensity.Thefirstpartofthismanualistheheattransfer’scalculation.Mainly,itisaccordingtothegivendesignconditionstoestimatetheheatexchangerarea.Nextisthestructuredesigntodeterminethesizeofthecomponents.Finallyalsoincludingthestrengthcalculationandchecking,mainlyincludingtheTube
Box’sstructureandthesupportchecking.
AboutthedesignoftheFinnedtubecondenser,Thedetailedcontentisinthebackofthedesigninstructions.
Keywords：
Condenser;Heattransfer;Structure;Strength
Finnedtubeexchanger
目录
1绪论1
2冷换设备设计基础1
2.1换热器的应用与分类1
2.1.1换热器的应用1
2.1.2换热器的分类1
2.2冷凝器概述2
2.3管翅式换热器3
2.3.1管翅式换热器基本结构3
2.3.2管翅式换热器的工作特性3
2.4冷凝器的换热分析4
2.5冷凝器中凝结换热过程分析5
3传热计算8
3.1空冷冷凝器的设计条件及基本参数8
3.2空冷冷凝器的设计条件及基本参数8
3.2.1迎风面速度的选择8
3.2.2管程数的选择8
3.3热负荷计算9
3.3.1已知条件分析9
3.3.2热负荷计算9
3.3.3空冷器初选方案的计算10
3.3.4管内传热系数计算12
3.3.5风量和空气出口温度的计算13
3.3.6传热温差计算：
14
3.3.7翅片管外空气膜传热系数的计算14
3.3.8各项热阻的计算和选取，15
3.3.9总传热系数：
15
3.3.10传热面积：
15
3.3.11管程压力降16
3.3.12管外翅片阻力，17
3.3.13风机功率计算17
3.3.14风机的过冬计算18
3.3.15风机噪音估算：
18
3.3.16调速风机的节能18
4结构设计19
4.1管束的参数确定与布管设计19
4.2管箱的结构设计20
4.3管箱设计壁厚的选取与校核21
4.4换热管与管板连接25
4.5管箱开孔补强设计27
4.6管束设计31
4.6.1管束材料的选择31
4.6.2管束定距结构的设计32
4.7空冷器的空气流道密封结构设计35
5经济技术性分析36
5.1能耗分析36
5.2节能措施36
6设计总结38
致谢39
参考文献40
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,而换热设备是能源利用过程中必不可少的设备,几乎一切工业领域都要使用,在化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门中应用尤为广泛。
随着工业的不断发展，对能源利用、开发的合理性与有效性的要求不断提高，因而对换热器性能的要求也日益加强。
特别是对换热器的研究必须满足各种特殊情况和苛刻条件的要求，对它的研究也就显得更为重要。
因此，在换热器的生产及研究开发上除了满足各种必需的工艺条件之外，对它的综合性能也提出了更高的要求。
近几年由于新技术发展、新能源开发利用、工艺的要求、环境保护等诸多因素的要求,传热强化技术和换热器现代研究、设计方法获得飞速发展，设计人员开发出多种新型的换热器。
与此同时，各种类型的换热器越来越受到各界的重视,而换热设备又是节能措施中较为关键的设备,因此,无论是从工业的发展,还是从能源的有效利用,换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。
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。
在工业中，换热器主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足过程条件的需要。
冷凝器属于换热器的一种，它是制冷系统中重要的换热设备。
它的主要作用是将设备排出的高温、高压状态下的气态制冷剂予以冷却并液化。
满足制冷剂在系统中的循环使用要求。
在冷凝过程中放出的热量由冷却介质（水或空气）带走。
根据冷却介质种类的不同，冷凝器主要可分为水冷冷凝器、空冷（也称风冷）冷凝器以及水和空气联合冷却式冷凝器。
在大多数条件下，这三种冷凝器均能取得良好的效果。
但随着科技的发展以及全球水资源日益紧张，空冷式冷换设备已在石油、化工、冶金、核能、电力等行业得到大量的应用。
空冷冷凝器器是以环境空气作为冷却介质，横掠翅片管外使管内高温工艺流体得到冷凝的设备。
空冷式冷凝器利用空气作为冷却介质，替代了循环水系统对环境的污染，节能效果非常明显。
此外，还具有维护费用低、运转安全可靠、使用寿命长等优点。
本设计主要是围绕卧式空冷凝器展开设计，熟悉石油化工行业中换热装置及其工艺流程，熟悉其工作原理。
了解换热器的结构，并进行相关的设计计算和校核。
2冷换设备设计基础
2.1换热器的应用与分类
2.1.1换热器的应用
换热器作为热量传递中的过程设备，在化工、冶金、石油、动力、食品、国防等工业领域中应用极为广泛。
冷凝器是各工业部门中重要的换热设备之一。
换热器性能的好坏，直接影响着能源利用和转换的效率。
近年来，节能工作开始被全球所重视,而换热器特别是高效换热器又是节能措施中关键的设备。
因此,无论是从上述各工业的发展,还是从能源的有效利用,换热器的合理设计、制造、选型和运行都有非常重要的意义。
2.1.2换热器的分类
换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。
适用于不同介质、不通工况、不同温度、不同压力的换热器，结构和形式也不尽相同，换热器种类随新型、高效换热器的开发不断更新，其中常见的一些具体分类如下：
（一）按传热原理分类
1.直接传热式换热器
这类换热器又称混合式换热器。
它是一种不需传热壁面,利用冷热流体直接接触进行换热的操作过程的换热器。
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所。
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，把热量从热流体传给冷流体的换热器。
3.间壁传热式换热器
又称表面式换热器。
它是利用间壁将进行热交换的冷热流体隔开，互不接触，热量又热流体通过壁面传递给冷流体。
是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多样，常见的管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。
本论文所研究的管翅式换热器也属于其一种。
4.中间载体式换热器
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。
在低温流体换热器中把热量放给低温流体。
（二）按结构分类
分为浮头式换热器、固定管板式换热器、填料函式换热器、U形管式换热器、蛇管式换热器、双壳程换热器、单套管换热器、多套管换热器、外导流筒换热器、折流杆式换热器、热管式换热器、插管式换热器、滑动管板式换热器
（三）按传热种类分类
1无相变传热一般分为加热器和冷却器
2有相变传热一般分为冷凝器和重沸器。
其中，冷凝器是本论文所研究的重点。
2.2冷凝器概述
冷凝器是制冷系统中重要的换热设备。
它的主要作用是将设备排出的高温、高压状态下的气态制冷剂予以冷却并液化。
满足制冷剂在系统中的循环使用要求。
在冷凝过程中放出的热量由冷却介质（水或空气）带走。
根据冷却介质种类的不同，冷凝器主要可分为水冷冷凝器、空冷（也称风冷）冷凝器以及水和空气联合冷却式冷凝器。
在大多数条件下，这三种冷凝器均能取得良好的效果。
但随着科技的发展以及全球水资源日益紧张，空冷式冷换设备已在石油、化工、冶金、核能、电力等行业得到大量的应用。
空冷冷凝器器是以环境空气作为冷却介质，横掠翅片管外使管内高温工艺流体得到冷凝的设备。
空冷式冷凝器利用空气作为冷却介质，替代了循环水系统对环境的污染，节能效果非常明显。
此外，还具有维护费用低、运转安全可靠、使用寿命长等优点。
图2-1空冷冷凝器简图
空冷冷凝器的基本部件如下：
管束：
由管箱、翅片管、和框架组合构成。
需要冷凝的流体在管内通过，空气在管外横掠流过翅片管束，对流体进行冷凝。
风机：
一个或几个一组的风机驱使空气流动。
构架：
冷凝器管束及风机的的支撑部件；
附件：
如百叶窗、蒸汽盘管、梯子、平台等。
根据管束布置形式，空冷冷凝器可分为卧式（水平式）空冷冷凝器、立式空冷冷凝器和斜顶式空冷冷凝器。
卧式空冷冷凝器的管束水平放置。
其优点是结构简单、安装方便、管内热流体和管外空气分布比较均匀，缺点是占地面积大。
但新建装置多采用此结构形式。
当进行介质冷凝时，为防止冷凝液滞留管中，管子应有3°或1%的倾角。
空冷冷凝器的基本形式多为管翅式，下面对管翅式换热器做以重点介绍。
2.3管翅式换热器
2.3.1管翅式换热器基本结构
管翅式换热器的基本结构如图2－1所示，管翅式换热器的结构与一般管壳式换热器基本相似，只是用翅片管代替了光管作为传热面。
翅片管换热器可以仅有一根或若干根翅片管组成。
翅片管事管翅式换热器中主要换热元件。
管内管外流体通过管壁及翅片进行热交换，由于翅片扩大了传热面积，使换热得以改善。
图2—2管翅式换热器基本结构示意图
翅片管规格品种很多。
从材料上讲，有碳钢、铜铝、不锈钢等，还有复合材料，如钢铝复合，即基管采用钢，翅片采用铝；较常见的翅片形式大致有以下几种：
套胀的整体翅片、螺旋形缠绕或焊接或者钎焊翅片、环形翅片、螺旋型缠绕细金属丝、纵向翅片管等。
2.3.2管翅式换热器的工作特性
管翅式换热器是广泛应用的热交换设备之一。
它常常应用在两侧流体的换热性能相差甚大的情况下，通常是以管外侧安装翅化表面来减小换热性能较差流体的换热热阻，而换热性能较好的流体在管内流动仍然保持较小的换热热阻，从而达到整体增强换热器传热效果的目的。
管翅式换热器的优点主要是：
1.传热能力强，与光管相比，传热面积可增大2～10倍，传热系数可提高了1～2倍；
2.结构紧凑。
由于单位体积传热面加大，传热能力增强，同样热负荷下与光管相比，翅片管换热器管子少。
壳体直径或高度可减小，因而结构紧凑且便于布置；
3.可以更有效和合理地利用材料。
不仅因为结构紧凑使材料用量减少，而且有可能针对传热和工艺要求来灵活选用材料，例如不同材料制成地镶嵌或焊接翅片管等；
4.当介质被加热时，与光管相比，同样热负荷下地翅片管管壁温度tw有所降低，这对减轻轻金属面的高温腐蚀和超温破坏是有利的。
不管介质是被加热或冷却，传热温差|tf－tw|都比光管时小，这对减轻管外表面结垢是有利的。
结垢减轻的另一重要原因是翅片管不会像光管那样沿圆周或轴向结成均匀的整体垢层，沿翅片和管子表面结成的垢片在胀缩作用下，会在翅根处断裂，促使硬垢自行脱落；
5.对于相变换热，可使换热系数或临界热流密度增高。
它的主要缺点是造价高和流阻大。
例如空冷器的翅片管由于工艺复杂，其造价达设备费用的30～60％；在以空冷代替水冷时，由于空气密度远小于水，则相对于水冷却器，空冷器的体积很大；因为表面有翅，流动阻力就大，所以动力消耗也大。
当然，设计时应使它造型合理以尽量减少动力消耗，使之与光管相比，达到传热增强的得益优于动力消耗的增加。
2.4冷凝器的换热分析
冷凝器和其它间壁式换热器一样通过换热表面将冷热流体隔开，使温度不同的流体在换热表面两侧流动，利用换热表面的传热作用实现冷热流体之间的热量交换。
冷凝器的换热计算可以利用间壁式换热器热交换公式
进行计算，其中：
：
为热交换量，单位kw
:
为总传热系数，单位kw/（m2℃）
：
为与冷热流体接触的间壁的面积，单位m2
：
为冷热流体的对数平均温差，单位℃
由上式可以看出，为了提高冷凝器的换热效率，可以从三个方面加以考虑即增加冷凝器的换热面积、增大冷凝器中冷热流体之间的温差以及增大冷凝器的换热系数。
（1）加大传热温差Δt是加强换热效果常用的措施之一。
在冷凝器使用过程中，提高管内冷却介质蒸汽的压力，提高热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差Δt。
但是，对于一定的运行环境来说，冷热流体的温度基本已经确定，这时可以通过改变冷热流体的布置来提高平均温差
，进而达到强化传热的目的。
增加传热温差Δt是有一定限度的，我们不能把它作为增强传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。
依靠增加换热器传热温差Δt只能有限度的提高换热器换热效果；同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。
所以，不能一味追求传热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。
（2）.扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。
在扩展传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大，同时，对传热效果的增强作用也不明显，这种方法已经淘汰。
现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在冷凝器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。
（3）.增强传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。
传热系数（K）的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定，传热过程中的总热阻越大，传热系数（K）值也就越低；传热系数（K）值越低，传热效果也就越差。
冷凝器的传热过程主要包括冷却介质在冷凝器内壁的凝结换热、冷凝器壁上的热传导以及冷凝器与外界之间的换热三个部分。
根据三种方式的影响因素及可操作的范围，热传递过程的强化主要集中在对流换热与辐射换热的领域，其中对流换热尤为活跃。
国内外对强化对流换热的手段开展了广泛的研究，目前已开发出来的强化手段可大致分为无源技术（又称为被动式技术）及有源技术（又称为主动式技术）两大类。
强化传热的无源技术是指除了输送传热介质的功率损耗外不再需要附加动力的技术；有源传热强化则是需要采用外加动力（机械力、电磁力）的技术。
无源技术包括以下一些手段：
涂层表面、粗糙表面、扩展表面、扰流元件、涡流发生器、螺旋管、添加物、冲击射流换热。
有源强化技术包括：
对换热介质做机械搅拌、使换热器表面振动、使换热流体振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合，将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走。
2.5冷凝器中凝结换热过程分析
冷凝器中的蒸气遇冷凝结从其本质上说属于对流换热范围，是伴随有相变的对流换热。
蒸气与低于饱和温度的壁面接触时有两种不同的凝结形式。
如果凝结液体能很好的润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜，这种凝结形式称为膜状凝结。
膜状凝结时，壁面总是被一层液膜覆盖着，凝结放出的相变热（潜热）必须穿过液膜才能传到冷却壁面上去。
这时，液膜层就成为换热的主要热阻。
而这些又取决于壁的高度（液膜流程长度）以及蒸气与壁的温度差。
一般地说，层流膜状凝结表面传热系数是随壁的高度及温度差的增加而降低，而紊流膜状凝结与此相反。
当凝结液体不能很好的润湿壁面时，凝结液体在壁面上形成一个个小液珠，称为珠状凝结。
在珠状凝结时，由于冷凝液不能完全覆盖冷凝壁面，可认为换热是在蒸气与液珠表面和蒸气与裸露的壁之间进行的，由于液珠的表面积比它所占的壁面面积大很多，而且裸露的壁面无液膜形成的热阻，故珠状凝结的换热性能远比膜状凝结为好，具有很高的表面传热系数。
在几乎所有的常用蒸气，包括水蒸气在内，在大多数工业冷凝器，特别是动力冷凝器上，实际得到的都是膜状凝结，因为珠状凝结很不稳定，目前还难于获得实用的持久性珠状凝结过程（除水银等不润湿壁面的介质外）。
1916年努谢尔特（Nusselt）对竖直壁面上纯蒸汽层流膜状凝结进行了理论分析。
他根据连续液膜层流运动及导热机理，建立了液膜运动微分方程式和能量方程式，然后求解液膜内的速度场和温度场，从而得出表面传热系数的理论解。
（2.1-1）
该式计算结果一般较实验结果约低20%，但该理论解是层流膜状凝结换热计算的基础。
在工程计算中通常采用把理论式系数增加20%的实验公式，即:
（2.1-2）
如果凝结壁面是与水平方向成一定的倾斜角度φ时，只要将计算公式中的重力加速度用修正数值
代入即可。
努塞尔公式推广到水平管的层流膜状凝结时，平均表面传热系数计算式为
（2.1-3）
在使用以上膜状凝结换热的计算公式时所涉及的液体和蒸汽物性量，除汽化潜热在蒸汽饱和温度下取值外，均在膜温度
下取值。
一般的讨论都是针对饱和蒸气的凝结而言的。
对于过热蒸气，实验证明只要把计算式中的潜热改用过热蒸气与饱和液的焓差，也可以采用饱和蒸气的实验关联式计算过热蒸气的凝结换热。
在制冷系统中，进入冷凝器的冷却介质蒸气通常都具有一定的过热度［14］，冷凝器中绝大多数情况下发生的实际上是具有过热的蒸气凝结过程。
到目前为止，对具有过热的蒸气凝结换热特性研究的文献报导不多。
Sparrow等相似变换方法研究了过热蒸气在垂直平板的凝结过程。
根据与Chen的管内对流沸腾换热系数计算关系式的比拟方法。
Lee等假定具有过热的蒸气凝结换热系数可以表示为显热传递的对流项与饱和蒸气凝结换热的凝结项的叠加。
在此基础上，Lee等通过引入两个修正系数提出了计算具有过热的蒸气凝结换热系数的半经验关系式。
Lee等并对R-22在蒸气过热度为1.9～65℃和质量流速变化范围为150～350
的管内凝结换热进行了实验研究，R-22在水平管内凝结换热系数的实验结果与所发展关系式的预测值符合很好。
3传热计算
3.1空冷冷凝器的设计条件及基本参数
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3.2空冷冷凝器的设计条件及基本参数
3.2.1迎风面速度的选择
空气在标准状态（1atm，20℃）下通过迎风面的速度，简称标准迎风面速度，通常使用该参数来确定空气的流速。
迎风面速度的选择要求适当，风速太高使得空气侧压力降较大、电机功率消耗大；风速太低使得传热速率低、换热面积增加。
另外风速过高或过低给风机的设计也带来很大困难。
管排数与标准迎风面速度的关系见下表。
管排数与标准迎风面速度的关系
管排数
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
标准迎风面速度/（m/s）
3.15
2.84
2.74
2.54
2.44
2.8
2.5
2.3
3.15
3.00
2.83
2.75
2.58
2.5
2.33
2.25
2.16
2.08
在设计过程中，风速应根据所选翅片管类型及高低翅片管做适当调整。
例如，对于椭圆翅片管，所选风速应比推荐值有所提高。
当采用引风式空气冷却器时，因风机入口处空气温度较高，为节省动力可采用较低的迎风速度，但空气冷却器的传热面积要稍大些。
3.2.2管程数的选择
选择管程数主要取决于允许的管程压力降和流体的温度变化范围。
管程允许压力降和流体温度变化范围较大的可选择多管程。
单相流体冷却时，在满足允许压力降条件下尽量提高流速，一般液体流速在0.5～1.5m/s，气体质量流速
。
管内流体处于湍流状态最有利，因此选择两管程以上的比较合适。
对于冷凝过程，如果对数平均温差的校正系数大于0.8，可采用单管程，否则应考虑采用两管程或多管程。
6设计总结
通过这次空冷器设计，我从中学到了不少的东西。
无论从工作原理，还是从结构组成，让我对换热器这类设备，有了一个深刻的认识和理解。
掌握了换热器，尤其是空冷器各个部件之间的装配关系，也了解到了它们在工厂的加工过程。
理论联系实际，使我对以前的所学的知识也有了新的认识。
其次，也熟练掌握了AUTOCAD与OFFICE软件。
对我以后的学习和工作也有很大的帮组。
最后，在本次设计中，我也认识到了自身的不足，自身的能力还有待提高，还有很多不够合理的地方，
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