【正文】 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于HTRI的冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄第1章 前言 1 課題研究背景及意義 1 換熱器簡(jiǎn)介 2 換熱器分類 2 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn) 3第2章 冷凝器設(shè)計(jì) 8 冷凝器選型 8 飽和蒸汽冷凝 8 含不凝氣的冷凝冷卻過(guò)程 8 安裝注意事項(xiàng) 9 冷凝器設(shè)計(jì)依據(jù) 9 管殼式冷凝器類型的選擇 9 換熱器合理壓降的選擇 10 工藝條件經(jīng)驗(yàn)溫度的選擇 10 管長(zhǎng) 10 管徑與管壁 11 折流板圓缺高度 11 折流板間距 11 密封條 11 HTRI設(shè)計(jì)判據(jù) 12 管殼側(cè)流速(velocity) 12 設(shè)計(jì)余量(overdesign) 12 熱阻(thermal resistance) 12 流型 (flow fraction) 13 Window and crossflow 13 常見(jiàn)warning message及解決方法 13 HTRI設(shè)計(jì)實(shí)例（） 15 飽和蒸汽的冷凝 15 含有不凝氣的氣體冷凝 29 油氣冷凝冷卻 39第3章 結(jié)論 59 飽和蒸汽冷凝冷凝器數(shù)據(jù) 59 飽和蒸汽冷凝器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 59 飽和蒸汽冷凝器工藝數(shù)據(jù) 59 含不凝氣的蒸汽冷凝冷凝器數(shù)據(jù) 60 含不凝氣的蒸汽冷凝器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 60 含不凝氣的蒸汽冷凝器工藝數(shù)據(jù) 60 油氣冷凝冷卻冷凝器數(shù)據(jù) 61 油氣冷凝冷卻冷凝器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 61 油氣冷凝冷卻冷凝器工藝數(shù)據(jù) 61致 謝 62參考文獻(xiàn) 63第1章 前言第1章 前言 課題研究背景及意義 我國(guó)的能源現(xiàn)狀存在著兩個(gè)突出的問(wèn)題。第一，能源結(jié)構(gòu)不合理。相比國(guó)外而言，我國(guó)能源效率利用率低，單位產(chǎn)品能耗高于世界同級(jí)水平。第二，由于我國(guó)人口眾多，雖然國(guó)內(nèi)能源儲(chǔ)量較大，但人均水平處于世界人均水平較低地位。因此,設(shè)計(jì)出一種能夠大幅節(jié)能的設(shè)備具有重大的戰(zhàn)略意義[14]。換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，其性能對(duì)能量利用效率、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)型起著重要的作用，有時(shí)甚至起決定作用。在石油、化工、能源等高能消耗工廠中，換熱器數(shù)量占工廠總設(shè)備數(shù)目的40%左右，設(shè)備投資占全部投資的30%~40%左右，海水淡化工藝裝置基本全有換熱器組成[5]。近年來(lái)，利用換熱器對(duì)高低溫?zé)崮芑厥諑?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。管殼式換熱器由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、操作彈性大、技術(shù)成熟、適用面廣、使用材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是最為常用的熱交換設(shè)備之一。近年來(lái)，一些新型強(qiáng)化換熱器的出現(xiàn)促進(jìn)了管殼式換熱器的發(fā)展。隨著換熱器設(shè)計(jì)方法和傳熱技術(shù)的發(fā)展，管殼式換熱器有了較大的改進(jìn)和發(fā)展。在換熱器結(jié)構(gòu)上，折流擋板由單弓形發(fā)展到雙弓形、圓環(huán)形、螺旋形等來(lái)強(qiáng)化殼側(cè)流體的流動(dòng)以增強(qiáng)傳熱。管程數(shù)有單程變化為雙程、四程甚至六程等，從而增加了管程流速，減少結(jié)垢。[6]在設(shè)計(jì)方法上，國(guó)際上有1962年成立的美國(guó)換熱研究公司HTRI和1968年英國(guó)成立的傳熱與流體流動(dòng)服務(wù)公司（HTFS，現(xiàn)為ASPEN EDR）,其軟件能較為快捷準(zhǔn)確的模擬出換熱器的換熱效果。國(guó)內(nèi)的中國(guó)寰球工程公司和洛陽(yáng)石油化工總公司等制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了我國(guó)換熱技術(shù)的發(fā)展，對(duì)換熱器的研究和設(shè)計(jì)作出了巨大的貢獻(xiàn)[7]。對(duì)設(shè)計(jì)的換熱器通常有一些基本的要求：首先需要滿足石油、化工等生產(chǎn)工藝的換熱要求，保證所設(shè)計(jì)的設(shè)備能在指定的情況下完成換熱任務(wù)，正常工作；其次還需要保證換熱器能夠長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行而不發(fā)生故障；再次，設(shè)計(jì)的換熱器應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)備占用體積小、便于維修等特點(diǎn)。最后，換熱器的熱量泄露少，阻力小，比較經(jīng)濟(jì)等。HTRI軟件作為國(guó)際上最為常用的換熱器計(jì)算軟件之一，在國(guó)內(nèi)也有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。然而，在HTRI相關(guān)教程上十分稀少。為了幫助學(xué)習(xí)者能夠更快的了解相關(guān)計(jì)算，特編寫(xiě)此論文。 換熱器簡(jiǎn)介 換熱器分類換熱器作為傳熱設(shè)備隨處可見(jiàn)，在工業(yè)中得到大量的使用，特別在耗能用量十分大的石油、化工等領(lǐng)域。隨著人類文明的進(jìn)步，節(jié)能技術(shù)發(fā)展，所涉及的換熱器越來(lái)越多。對(duì)處在不同介質(zhì)、工況、溫度、壓力下的換熱器，結(jié)構(gòu)和形式有著很大的不同。其具體分類如下[813]：1. 按傳熱原理分類直接接觸式換熱器兩種介質(zhì)接觸，直接傳遞能量，實(shí)現(xiàn)傳熱。傳熱量直接受接觸面積影響。常用為氣體與液體的傳熱。此類換熱器主要以塔設(shè)備為主體，很難區(qū)分與塔器的關(guān)系，常歸為塔式設(shè)備。a) 蓄能式換熱器用量極少。熱介質(zhì)先加熱熱容較大的物質(zhì)，待所加熱物質(zhì)到達(dá)一定的溫度后，冷介質(zhì)以熱固體為換熱媒介得以升溫，從而達(dá)到換熱的目的。b) 管板式換熱器此類換熱器占總量的99%以上。熱物流通過(guò)某種導(dǎo)熱系數(shù)較大的介質(zhì)將能量傳遞到冷物流的換熱器。此類換熱器通常成為管殼式、板式、板翅式或板殼式換熱器。2. 按傳熱種類分類a) 無(wú)相變傳熱分為加熱器和冷卻器。b) 有相變傳熱一般分為再沸器和冷凝器。再沸器又包括釜式再沸器、虹吸式再沸器、廢熱鍋爐等。3. 管殼式換熱器分類a) 固定管板式換熱器固定管板式換熱器兩端管板通過(guò)焊接的形式固定在殼體上。換熱管則采用脹接、焊接等方法與管板聯(lián)結(jié)。對(duì)于此類換熱器，殼側(cè)一般不清掃。故一般對(duì)含有污垢或者腐蝕性介質(zhì)安排走管程側(cè)。此類換熱器是最為常用的類型，最為經(jīng)濟(jì)。因此在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)首選固定管板式換熱器。b) 浮頭式換熱器當(dāng)殼程側(cè)與管程側(cè)有較大的溫差或較高的壓力時(shí)，常采用此類換熱器。同時(shí)，由于管束可以抽出殼體之外，便于機(jī)械清掃。因此，浮頭式換熱器也適用于管、殼程介質(zhì)污垢系數(shù)較大，即管殼程都需要進(jìn)行機(jī)械清理的場(chǎng)合。c) U型管式換熱器管束膨脹可以通過(guò)U型管的彎曲部分變形來(lái)吸收，不受殼體的約束。還可以進(jìn)行機(jī)械清洗，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。因而造價(jià)比浮頭式換熱器低。但是管程清洗較為困難，一般工藝設(shè)計(jì)讓清潔流體走管程。d) 填料函式換熱器e) 釜式再沸器 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)換熱器作為節(jié)能設(shè)備之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的作用。換熱器的結(jié)構(gòu)決定了換熱器的性能。設(shè)計(jì)者合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠發(fā)揮換熱器的某種性能。不同的換熱環(huán)境有著不同的換熱結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)者想要設(shè)計(jì)一個(gè)高效、節(jié)能的換熱器就必須了解換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。管殼式換熱器雖然種類繁多，但通?？梢詫⑵洳鸱譃榍胺忸^、殼體、后封頭。不同結(jié)構(gòu)的部件用不同的英文字母表示。故換熱器可以用三個(gè)字母來(lái)表示。例如BES等等。相對(duì)GB1511999，TEMA標(biāo)準(zhǔn)相比而言，少了I、Q、O殼體。TEMA分類及代號(hào)如圖11所示：圖11 主要部件及代號(hào)1. 浮頭式換熱器表11 換熱器的主要部件（與圖12到圖15對(duì)應(yīng)）序號(hào)名稱序號(hào)名稱序號(hào)名稱1平蓋21吊耳41封頭管箱（部件）2平蓋管箱（部件）22放氣口42分程隔板3接管法蘭23凸型封頭43耳式支座（部件）4管箱法蘭24浮頭法蘭44膨脹節(jié)（部件）5固定管板25浮頭墊片45中間擋板6殼體法蘭26球冠形封頭46U形換熱管7防沖版27浮動(dòng)管板47內(nèi)導(dǎo)流筒8儀表借接口28浮頭蓋（部件）48縱向隔板9補(bǔ)強(qiáng)圈29外頭蓋（部件）49填料10殼體（部件）30排液口50填料函11折流板31鉤圈51填料壓蓋12旁路擋板32接管52浮動(dòng)管板裙13拉桿33活動(dòng)鞍座（部件）53部分剪切環(huán)14定距管34換熱管54活套法蘭15支持板35擋管55偏心錐殼16雙頭螺柱或螺栓36管束（部件）56堰板17螺母37固定鞍座（部件）57液面計(jì)接口18外頭蓋墊片38滑道58套環(huán)19外頭蓋側(cè)法蘭39管箱墊片59圓筒20外頭蓋法蘭40管箱圓筒（部件）60管箱側(cè)墊片圖12 AES、BES浮頭式換熱器浮頭式換熱器最大的特點(diǎn)是管束可抽出，對(duì)由于溫差造成的應(yīng)力能夠通過(guò)自由伸縮緩解，從根本上避免了溫差應(yīng)力的產(chǎn)生。其優(yōu)點(diǎn)是：1) 管束抽出方便，便于清洗管、殼程2) 適用于殼體與管子金屬溫差超過(guò)30℃時(shí)或者冷熱流體的極限溫差超過(guò)110℃的條件，不會(huì)造成因膨脹造成的泄露。3) 殼側(cè)能夠進(jìn)行機(jī)械清理，能用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場(chǎng)合。但也存在一定的缺點(diǎn)：1) 小浮頭容易發(fā)生泄露。2) 結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，造價(jià)相對(duì)較高。2. U型管式換熱器圖13 BIU U形管式換熱器U形管式換熱器最大的特點(diǎn)是采用U形管式換熱器，管子兩端固定在同一管板上，因管束可以自由伸縮，故對(duì)熱膨脹的適應(yīng)能力較強(qiáng)，多用于高溫高壓和管殼壁之間傳熱溫差較大的工況。其優(yōu)點(diǎn)是：1) 管束可抽出進(jìn)行機(jī)械清洗。2) 殼體與管束不受溫差的限制。3) 管束可抽出進(jìn)行機(jī)械清洗。缺點(diǎn)是：1) 最外排管子U形彎曲段因?yàn)闊o(wú)支撐，可能因跨度大而造成流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)問(wèn)題。2) 不可更換單根管子。3. 填料函式換熱器圖14 AFP填料函式換熱器圖15 AJW填料函式分流式換熱器填料函式換熱器最大的特點(diǎn)是管束可抽出，殼體與管束間可自由滑動(dòng)，從而吸收因溫差而引起的熱膨脹。其優(yōu)點(diǎn)是：1) 可用于高溫差的工藝流體換熱。2) 管束可抽出，能進(jìn)行機(jī)械清洗，能適用于結(jié)垢比較嚴(yán)重和管束腐蝕嚴(yán)重的場(chǎng)合。缺點(diǎn)是：密封處易泄漏，不適于有毒、易揮發(fā)及貴重介質(zhì)的場(chǎng)合。66第2章 冷凝器設(shè)計(jì)第2章 冷凝器設(shè)計(jì) 冷凝器選型因?yàn)楸菊轮饕榻B管殼式冷凝器，所以選型問(wèn)題也僅限于管殼式冷凝器。[10]對(duì)冷凝器的選型，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，針對(duì)膜式冷凝的特點(diǎn)，結(jié)合正確的工藝計(jì)算，選擇出適當(dāng)?shù)睦淠鳌?duì)飽和氣體冷凝和含不凝氣的氣體分別加以說(shuō)明。 飽和蒸汽冷凝因?yàn)樵趥鳠?、壓降、清掃等方面分配比較合理，故一般情況下選擇臥式殼程冷凝器。1. 當(dāng)冷凝工藝流體量和冷凝器的型號(hào)相同時(shí)，（L/D）。2. 殼程冷凝時(shí)，飽和蒸汽的壓力降比管程的小。3. 當(dāng)用水做冷凝介質(zhì)時(shí)，冷卻水走管內(nèi)有利于清洗產(chǎn)生的水垢，并且容易保證較高的流速，從而產(chǎn)生較大的傳熱系數(shù)。對(duì)于飽和蒸汽冷凝，在特殊的情況下才不優(yōu)先考慮臥式殼程冷凝。1. 當(dāng)被冷凝的介質(zhì)壓力較高或嚴(yán)重腐蝕管材時(shí)，在管程冷凝比較合適，這樣殼體可使用普通鋼材，能夠減少設(shè)備投資。一般是指立