畢業(yè)設(shè)計(jì)--U形管式換熱器設(shè)計(jì)

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1、摘要 本文介紹了U形管換熱器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。U形管換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上，管子可以自由伸縮，無熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程采用雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能較好，承壓能力強(qiáng)，管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。U形管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)包括管箱、筒體、封頭、換熱管、接管、折流板、防沖板和導(dǎo)流筒、防短路結(jié)構(gòu)、支座及管殼程的其他附件等。 本次設(shè)計(jì)為二類壓力容器，設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力都較高，因而設(shè)計(jì)要求高。換熱器采用雙管程，不銹鋼換熱管制造。設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行了換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及零部件的選型和工藝設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：U形管換熱器；結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度

2、；設(shè)計(jì)計(jì)算 Abstract This paper introduces the U-tube heat exchanger design and calculation. U-tube heat exchanger has only one tube sheet, tubes are fixed at both ends of boards in the same tube, and tubes could telescopic freely, non-thermal stress, thermal performance and compensation; use of double-

3、tube process, the process is longer, higher speed, better heat transfer performance, pressure capacity, and control can be extracted from the shell with easy maintenance and cleaning, and simple structure cost less. The main structure of U-tube heat exchanger, includes Equipment control, shell, head

4、, exchanger tubes, nozzles, baffled, impingement baffle, guide shell, anti-short-circuit structure, support and other shell-tube accessories. This time I designed a second category pressure vessel, which has high design temperature and high design pressure. Thus the design demands are strict. It ha

5、s dual heat exchanger tube, stainless steel heat exchanger manufacturers. I mainly carried out the design of heat exchanger structural design, strength of design and parts selection and process design. KEYWOEDS: U-tube heat exchanger；frame；intensity；, design and calculation 目錄 摘 要I ABSTRAC

6、TII 第1章 緒論1 管殼式換熱器。1 1.1 概述 1 1.2 管程式換熱器結(jié)構(gòu)3 1.2.1 分類及特點(diǎn)4 1.3 流道選擇7 1.4 材料選擇7 1.5 管殼式換熱器的傳熱強(qiáng)化技術(shù)8 1.6 主要控制參數(shù)8 1.7 選用要點(diǎn)9 1.8 施工、安裝要點(diǎn)9 1.9 管殼式換熱器腐蝕分析10 1.10 管殼式換熱器的防腐保護(hù)11 1.11 新型換熱器簡(jiǎn)介11 第2章 U形管式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)15 2.1 U形管式換熱器結(jié)構(gòu)介紹15 2.2 筒體設(shè)計(jì)16 2.3 封頭設(shè)計(jì)16 2.4 管箱設(shè)計(jì)19 2.5 布管22 2.5.1 換熱管的排列方式22

7、 2.5.2 換熱管中心距23 2.5.3 換熱管與管板的連接24 2.6 管板設(shè)計(jì)25 2.6.1 管板的加工 26 2.7 折流板26 2.7.1 折流板的形式27 2.8 拉桿28 2.8.1 拉桿的直徑、數(shù)量及布置29 2.9 定距管30 2.10 裙座的設(shè)計(jì)30 2.10.1 裙座的結(jié)構(gòu)31 2.10.2 裙座的材料31 2.11 起吊附件31 第3章U形管式換熱器的強(qiáng)度計(jì)算與校核32 3.1 換壓力熱器的計(jì)算32 3.2 筒體計(jì)算33 3.2.1 筒體厚度計(jì)算 33 3.2.2 壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核34 3.2.3 壓力及應(yīng)力計(jì)算34 3.3 前

8、端管箱筒體計(jì)算 35 3.3.1 管箱筒體的厚度計(jì)算36 （1）筒體的計(jì)算厚度 36 3.3.2 壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核36 3.3.3 壓力及應(yīng)力計(jì)算 37 3.4 前端管箱封頭厚度計(jì)算. 38 3.5 開孔補(bǔ)強(qiáng)39 3.5.1 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 39 3.5.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 41 3.5.3 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 42 3.6 筒體法蘭計(jì)算 44 3.6.1 筒體法蘭計(jì)算44 3.6.2 力矩計(jì)算45 3.6.3 螺栓間距校核46 3.6.4 形狀常數(shù)確定47 3.6.5 剪應(yīng)力校核48 3.7 前端管箱法蘭計(jì)算49 3.7.1 螺栓受力計(jì)算49 3.7.2 力矩計(jì)算

9、 50 3.7.3 螺栓間距校核52 3.7.4 形狀常數(shù)確定52 3.7.5 剪應(yīng)力校核53 3.8 U形管換熱器管板計(jì)算54 3.8.1 管板計(jì)算55 3.8.2 換熱管 56 3.8.3 參數(shù)計(jì)算57 3.8.4 管板厚度及管板應(yīng)力計(jì)算 57 3.8.5 管板應(yīng)力校核 58 3.8.6 換熱管軸向應(yīng)力計(jì)算及校核58 3.8.7 換熱管與管板連接拉脫力校核 59 第4章 結(jié)論 60 參 考 文 獻(xiàn) 61 致 謝62 第1章 緒論 管殼式換熱器(shell and tube heat exchanger)又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁

10、面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。 1.1 概述 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器[1]。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門。在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%～45%。它的主要功能是保證工藝過程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器既可是一種單獨(dú)的設(shè)備，如加熱器、冷卻

11、器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長(zhǎng)期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。管殼式換熱器按用途分為無相變傳熱的換熱器和有相變傳熱的冷凝器和重沸器；按結(jié)構(gòu)可分為固定管板、U形管、浮頭式三種形式，而固定管板式換熱器最為常見。 國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)、高等院校對(duì)傳熱理論及高效換熱器的研究一直非常重視，走過了從引進(jìn)、消化、吸收、發(fā)展到自主開發(fā)的歷程。二十世紀(jì)20年代出

12、現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對(duì)新型材料制成的換熱器開始注意。50～60年代的照搬發(fā)展到70年代消化和吸收，進(jìn)入80年代以來國(guó)內(nèi)又出現(xiàn)了自主開發(fā)傳熱技術(shù)的新趨勢(shì)，大量的強(qiáng)化傳熱元件被推向市場(chǎng)，形成第一次開發(fā)浪潮。到90年代中期，大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)裝置中，帶來了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)80

13、年代傳熱技術(shù)高潮時(shí)期的代表杰作有折流桿換熱器、新結(jié)構(gòu)高效換熱器、高效重沸器 、高效冷凝器、雙殼程換熱器、管殼式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等一批優(yōu)良的高效換熱器。當(dāng)前換熱器發(fā)展的基本趨勢(shì)是：繼續(xù)提高設(shè)備的傳熱效率，促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強(qiáng)生產(chǎn)制造的標(biāo)準(zhǔn)系列化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展，模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成一個(gè)高技術(shù)體系。 一般來說，管殼式換熱器制造容易、生產(chǎn)成本低、選材范圍廣、清洗方便、適應(yīng)性強(qiáng)、處理量大、工作可靠、且能適應(yīng)高溫高壓。雖然它在結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱強(qiáng)度和單位金屬消耗量方面無法與板翅式換熱器相比，但它由于前述的一些優(yōu)點(diǎn)，因而在化工

14、、石油、能源等行業(yè)的應(yīng)用中仍處于主導(dǎo)地位。在換熱器向高溫、高壓、大型化發(fā)展的今天，隨著新型高效傳熱管不斷出現(xiàn)，使得管殼式換熱器的應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大，更增添了管殼式換熱器的新的生命力。 國(guó)外換熱器市場(chǎng)管殼式換熱器占64％。雖然各種板式換熱器的競(jìng)爭(zhēng)力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導(dǎo)地位。隨著動(dòng)力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設(shè)備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。 而換熱器在結(jié)構(gòu)方面也有不少新的發(fā)展?，F(xiàn)就幾種新型換熱器的特點(diǎn)簡(jiǎn)介如下： 一、氣動(dòng)噴涂翅片管換熱器俄羅斯提出了一種先進(jìn)方法，即氣動(dòng)噴涂法，來提高翅片表面的性能。其實(shí)質(zhì)是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子。用該方法

15、不僅可噴涂金屬，還能噴涂合金和陶瓷（金屬陶瓷混合物），從而得到各種不同性能的表面。 通常在實(shí)踐中翅片底面接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。 為了評(píng)估翅片底面接觸阻力對(duì)翅片效率的影響，特對(duì)氣動(dòng)噴涂翅片管換熱器元件進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)證明，氣動(dòng)噴涂翅片的底面的接觸阻力對(duì)效率無實(shí)質(zhì)性影響。 因而氣動(dòng)噴涂法不但可用于成型，還可用來將按普通方法制造的翅片固定在換熱器管子的表面上，也可用來對(duì)普通翅片的底面進(jìn)行補(bǔ)充加固。可以預(yù)計(jì)，氣動(dòng)噴涂法在緊湊高效換熱器的生產(chǎn)中，將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。 二、螺旋折流板換熱器 在管殼式換熱器中，殼程通常是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。通常普通的弓形

16、折流板能造成曲折的流道系統(tǒng)（Z字形流道），這樣會(huì)導(dǎo)致較大的死角和相對(duì)高的返混。 為此，美國(guó)提出了一種新方案，即建議采用螺旋狀折流板。這種設(shè)計(jì)的先進(jìn)性已為流體動(dòng)力學(xué)研究和傳熱試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)，此設(shè)計(jì)已獲得專利權(quán)。此種結(jié)構(gòu)克服了普通折流板的主要缺點(diǎn)。 螺旋折流板的設(shè)計(jì)原理很簡(jiǎn)單：將圓截面的特制板安裝在“擬螺旋折流系統(tǒng)”中，每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一，其傾角朝向換熱器的軸線，即與換熱器軸線保持一定傾斜度。相鄰折流板的周邊相接，與外圓處成連續(xù)螺旋狀。折流板的軸向重疊，如欲縮小支持管子的跨度，也可得到雙螺旋設(shè)計(jì)。 螺旋折流板結(jié)構(gòu)可滿足相對(duì)寬的工藝條件。此種設(shè)計(jì)具

17、有很大的靈活性，可針對(duì)不同操作條件，選取最佳的螺旋角；可分別情況選用重疊折流板或是雙螺旋折流板結(jié)構(gòu)。 三、新型麻花管換熱器 瑞典Alares公司開發(fā)了一種扁管換熱器，通常稱為麻花管換熱器。 美國(guó)休斯頓的布朗公司做了改進(jìn)。螺旋扁管的制造過程包括了“壓扁”與“熱扭”兩個(gè)工序。改進(jìn)后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡(jiǎn)單，但有許多激動(dòng)人心的進(jìn)步，它獲得了如下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益：改進(jìn)了傳熱，減少了結(jié)垢，真正的逆流，降低了成本，無振動(dòng)，節(jié)省了空間，無折流元件。 該換熱器嚴(yán)格按照ASME標(biāo)準(zhǔn)制造。凡是用管殼式換熱器和傳統(tǒng)裝置之處均可用此種換熱器取代。 1.2 管程式換熱器結(jié)構(gòu)

18、 由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板[2]。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體。 流體每通過管束一次稱為一個(gè)管程；每通過殼體一次稱為一個(gè)殼程，為最簡(jiǎn)單的單殼程單管程換熱器。為提高管內(nèi)流體

19、速度,可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。 1.2.1 分類及特點(diǎn) 由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過50℃時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力[3]。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型： （1）固定管板式換熱器是將兩端管板

20、直接與殼體焊接在一起[4]。主要由外殼、管板、管束、封頭等主要部件組成。殼體中設(shè)置有管束,管束兩端采用焊接、脹接或脹焊并有的方法將管子固定在管板上,管板外周圍和封頭法蘭用螺栓緊固。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、制造容易、管程清洗檢修方便,但殼程清洗困難,管束制造后有溫差應(yīng)力存在。當(dāng)換熱管與殼體有較大溫差時(shí),殼體上還應(yīng)設(shè)有膨脹節(jié)。 圖1-1 固定管板式換熱器 （2）浮頭式換熱器一端管板固定在殼體與管箱之間,另一端管板可以在殼體內(nèi)自由移動(dòng),也就是殼體和管束熱膨脹可自由。故管束和殼體之間沒有溫差應(yīng)力。一般浮頭可拆卸,管束可以自由地抽出和裝入。浮頭式換熱器的這種結(jié)構(gòu)可以用在管束和殼體

21、有較大溫差的工況。管束和殼體的清洗和檢修較為方便,但它的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜,對(duì)密封的要求也比較高。 圖1-2 浮頭式換熱器 （3）U形管式換熱器是將換熱管煒成U形,兩端固定在同一管板上。由于殼體和換熱管分開,換熱管束可以自由伸縮,不會(huì)由于介質(zhì)的溫差而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U形管換熱器只有一塊管板,沒有浮頭,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。管束可以自由的抽出和裝入,方便清洗,具有浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn),但由于換熱管做成半徑不等的U形彎,最外層換熱管損壞后可以更換外,其它管子損壞只能堵管。同時(shí),它與固定管板式換熱器相比,由于換熱管受彎曲半徑的限制它的管束中心部分存在空隙,流體很容易走短路,影響了傳熱效果 圖1-3 U

22、形管式換熱器 （4) 釜式重沸器 殼程體積大，除保持液體淹沒管束外，在殼體液面上還留有作為汽液分離用的一定空間。液面的高度由所設(shè)的擋板(溢流堰)維持。管束有浮頭式和U形管式。此種重沸器熱源定管程，被加熱介質(zhì)走殼程。 圖1-4 釜式重沸器 （5）填料函式換熱器將密封軟填料(或稱盤根)填入填料函而實(shí)現(xiàn)殼體與浮頭或滑動(dòng)管板密封的管殼式換熱器，也稱外浮頭式換熱器[5]。一般不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)的換熱。 對(duì)于化工生產(chǎn)中強(qiáng)腐蝕性流體的換熱，需采用陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金屬材料制作管殼式換熱器。這類換熱器的換熱性能較差，只用于壓力低、振動(dòng)小、溫度較低的場(chǎng)合。

23、 圖1-5 填料函式換熱器 1.3 流道選擇 進(jìn)行換熱的冷熱兩流體，按以下原則選擇流道： (1)不潔凈和易結(jié)垢流體宜走管程，因管內(nèi)清洗較方便； (2)腐蝕性流體宜走管程，以免管束與殼體同時(shí)受腐蝕； (3)壓力高的流體宜走管程，以免殼體承受壓力； (4)飽和蒸汽宜走殼程，因蒸汽冷凝傳熱分系數(shù)與流速無關(guān),且冷凝液容易排出； (5)若兩流體溫度差較大,選用固定管板式換熱器時(shí)，宜使傳熱分系數(shù)大的流體走殼程，以減小熱應(yīng)力。 管殼式換熱器選型時(shí)，需要考慮的因素有很多，主要是流體的性質(zhì);壓力、溫度以及允許壓力降的范圍、對(duì)清洗、維修的要求；材料價(jià)格；使用壽命等[6]。 1.4 材料選擇 材

24、料選擇 選擇壓力容器用材的時(shí)候必須考慮設(shè)備的操作條件（如設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、介質(zhì)的特性）、材料的焊接性能、冷熱加工性能、熱處理以及容器的結(jié)構(gòu)等。 鋼材的使用溫度上限為本章各許用應(yīng)力表中各鋼號(hào)所對(duì)應(yīng)的上限溫度。碳素鋼和碳錳鋼在高于溫度425℃下長(zhǎng)期使用時(shí)，應(yīng)考慮鋼中碳化物相的石墨化傾向。奧氏體鋼的使用溫度高于525℃時(shí)，鋼中含碳量應(yīng)不小于0.04%。鋼材的使用溫度下限，除奧氏體鋼及本章有關(guān)條文另行規(guī)定者外，均為高于-20℃。鋼材的使用溫度低于或等于-20℃時(shí)，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行選擇。奧氏體鋼的使用溫度高于或等于-196℃時(shí)，可免做沖擊試驗(yàn)。當(dāng)對(duì)鋼材有特殊要求時(shí)如要求特殊冶煉方法較高的沖擊功指標(biāo)附

25、加保證高溫屈服強(qiáng)度提高無損檢測(cè)要求增加力學(xué)性能檢驗(yàn)率等設(shè)計(jì)單位應(yīng)在圖樣或相應(yīng)技術(shù)文件中注明。 選擇壓力容器用材時(shí)必須滿足上述條件，考慮經(jīng)濟(jì)合理性。一般情況下，下列規(guī)定是經(jīng)濟(jì)合理的。 （1）所需鋼板厚度小于8mm時(shí)，在碳素鋼與低合金高強(qiáng)度鋼之間，應(yīng)盡量采用碳素鋼鋼板（多層容器用材除外）； （2）在剛度或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主的場(chǎng)合，應(yīng)盡量選用普通碳素鋼。在強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主的場(chǎng)合，應(yīng)根據(jù)壓力、溫度、介質(zhì)等使用限制，依次選用Q235A、Q235B、20R（20g）、16MnR等鋼板； （3）所需不銹鋼厚度大于12mm時(shí)，應(yīng)盡量采用襯里、復(fù)合、堆焊等結(jié)構(gòu)形式； （4）不銹鋼應(yīng)盡

26、量不用作設(shè)計(jì)溫度小于等于500℃的耐熱用鋼； （5）珠光體耐熱鋼應(yīng)盡量不用作設(shè)計(jì)溫度小于等于350℃的耐熱用鋼。在必須使用珠光體耐熱鋼作耐熱或抗氫用途時(shí)，應(yīng)盡量減少、合并鋼材的品種、規(guī)格。 換熱器用鋼的標(biāo)準(zhǔn)、冶煉方法、熱處理狀態(tài)、許用應(yīng)力、無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)項(xiàng)目均按GB150-1998第4章及其附錄A的規(guī)定。設(shè)計(jì)溫度低于或等于-20℃時(shí)，應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)附錄A（標(biāo)準(zhǔn)的附錄）選擇低溫用 1.5 管殼式換熱器的傳熱強(qiáng)化技術(shù) 當(dāng)管壁兩側(cè)傳熱分系數(shù)相差很大時(shí)（如粘度小的液體與氣體間的換熱），應(yīng)設(shè)法減小傳熱分系數(shù)低的一側(cè)的熱阻。如果管外傳熱分系數(shù)小，可采用外螺紋管（低翅片管），以增大管外一側(cè)的傳熱

27、面積和流體湍動(dòng)，減小熱阻。如果管內(nèi)傳熱分系數(shù)小，可在管內(nèi)設(shè)置麻花鐵，螺旋圈等添加物，以增強(qiáng)管內(nèi)擾動(dòng)，強(qiáng)化換熱，當(dāng)然這時(shí)流體的流動(dòng)阻力也將增大。 1.6 主要控制參數(shù) 管殼式換熱器的主要控制參數(shù)為(1)加熱面積；(2)熱水流量；(3)換熱量；(4)熱媒參數(shù)。 1.7 選用要點(diǎn) （1）根據(jù)已知冷、熱流體的流量，初、終溫度及流體的比熱容決定所需的換熱面積。初步估計(jì)換熱面積，一般先假定傳熱系數(shù)，確定換熱器構(gòu)造，再校核傳熱系數(shù)K值。 （2）選用換熱器時(shí)應(yīng)注意壓力等級(jí)，使用溫度，接口的連接條件。在壓力降，安裝條件允許的前提下，管殼式換熱器以選用直徑小的加長(zhǎng)型，有利于提高

28、換熱量。 （3）換熱器的壓力降不宜過大，一般控制在0.01～0.05MPa之間； （4）流速大小應(yīng)考慮流體黏度，黏度大的流速應(yīng)小于0.5～1.0m/s；一般流體管內(nèi)的流速宜取0.4～1.0m/s；易結(jié)垢的流體宜取0.8～1.2m/s。 （5）高溫水進(jìn)入換熱器前宜設(shè)過濾器。 （6）熱交換站中熱交換器的單臺(tái)處理和配置臺(tái)數(shù)組合結(jié)果應(yīng)滿足熱交換站的總供熱負(fù)荷及調(diào)節(jié)的要求。在滿足用戶熱負(fù)荷調(diào)節(jié)要求的前提下，同一個(gè)供熱系數(shù)中的換熱器臺(tái)數(shù)不宜少于2臺(tái)，不宜多于5臺(tái)。 1.8 施工、安裝要點(diǎn) （1）熱交換器應(yīng)以最大工作壓力的1.5倍做水壓試驗(yàn)，蒸汽部分應(yīng)不低于蒸汽

29、供汽壓力加0.3MPa；熱水部分應(yīng)不低于0.4MPa。在試驗(yàn)壓力下，保持10min壓力不降。 （2）管殼式換熱器前端應(yīng)留有抽卸管束的空間，即其封頭于墻壁或屋頂?shù)木嚯x不得小于換熱器的長(zhǎng)度，設(shè)備運(yùn)行操作通道凈寬不宜小于0.8m。 （3）各類閥門和儀表的安裝高度應(yīng)便于操作和觀察。 （4）加熱器上部附件（一般指安全閥）的最高點(diǎn)至建筑結(jié)構(gòu)最低點(diǎn)的垂直凈距應(yīng)滿足安裝檢測(cè)的要求，并不得小于0.2m。 目前運(yùn)用于強(qiáng)化傳熱的最新技術(shù)有以下幾方法：運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立流體的流動(dòng)翻熱傳遞模型，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和仿真，從而對(duì)流體的流動(dòng)區(qū)域和熱傳遞的分布進(jìn)行更詳細(xì)預(yù)測(cè)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)

30、；致力于管殼式換熱器設(shè)計(jì)程選型，以輔助設(shè)計(jì)者對(duì)流體流徑、殼體及浮頭類型、換熱器結(jié)構(gòu)尺寸、折流板類型和換熱器熬體布置等問題進(jìn)行決策的專家系統(tǒng)；這些需要整體裝置設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。 1.9 管殼式換熱器腐蝕分析 管殼式換熱器的材料一般以碳鋼、不銹鋼和銅為主，其中碳鋼材質(zhì)的管板在作為冷卻器使用時(shí)，其管板與列管的焊縫經(jīng)常出現(xiàn)腐蝕泄漏，泄漏物進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)污染環(huán)境又造成物料浪費(fèi)。 　　管殼式換熱器在制作時(shí)，管板與列管的焊接一般采用手工電弧焊，焊縫形狀存在不同程度的缺陷，如凹陷、氣孔、夾渣等，焊縫應(yīng)力的分布也不均勻。使用時(shí)管板部分一般與工業(yè)冷卻水接觸，而工業(yè)冷卻水中的雜質(zhì)、鹽類、氣體、微生物都會(huì)構(gòu)

31、成對(duì)管板和焊縫的腐蝕，這就是我們常說的電化學(xué)腐蝕。研究表明，工業(yè)水無論是淡水還是海水，都會(huì)有各種離子和溶解的氧氣，其中氯離子和氧的濃度變化，對(duì)金屬的腐蝕形狀起重要作用。另外，金屬結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也會(huì)影響腐蝕形態(tài)。因此，管板與列管焊縫的腐蝕以孔蝕和縫隙腐蝕為主。從外觀看，管板表面會(huì)有許多腐蝕產(chǎn)物和積沉物，分布著大小不等的凹坑。以海水為介質(zhì)時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕就是介質(zhì)的腐蝕，換熱器管板接觸各種各樣的化學(xué)介質(zhì)，就會(huì)受到化學(xué)介質(zhì)的腐蝕。另外，換熱器管板還會(huì)與換熱管之間產(chǎn)生一定的雙金屬腐蝕。 　　綜上所述，影響管殼式換熱器腐蝕的主要因素有： （1）介質(zhì)成分和濃度：濃度的影響不一，例

32、如在鹽酸中，一般濃度越大腐蝕越嚴(yán)重。碳鋼和不銹鋼在濃度為50%左右的硫酸中腐蝕最嚴(yán)重，而當(dāng)濃度增加到60%以上時(shí)，腐蝕反而急劇下降； （2）雜質(zhì)：有害雜質(zhì)包括氯離子、硫離子、氰離子、氨離子等，這些雜質(zhì)在某些情況下會(huì)引起嚴(yán)重腐蝕 （3）溫度：腐蝕是一種化學(xué)反應(yīng)，溫度每提升 10℃，腐蝕速度約增加1~3倍，但也有例外； 　?。?）PH值：一般PH值越小，金屬的腐蝕越大； 　?。?）流速：多數(shù)情況下流速越大，腐蝕也越大。 1.10 管殼式換熱器的防腐保護(hù) 針對(duì)冷卻塔防腐問題，傳統(tǒng)方法以補(bǔ)焊為主，但補(bǔ)焊易使管板內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，難以消除，可能造成冷卻塔管板焊縫再次滲漏。

33、現(xiàn)西方國(guó)家多采用高分子復(fù)合材料的方法進(jìn)行保護(hù)，其中應(yīng)用最多的是美嘉華技術(shù)產(chǎn)品。其具有優(yōu)異的粘著性能及抗溫、抗化學(xué)腐蝕性能，在封閉的環(huán)境里可以安全使用而不會(huì)收縮，特別是良好的隔離雙金屬腐蝕和耐沖刷性能，從根本上杜絕了修復(fù)部位的腐蝕滲漏，為冷卻塔提供一個(gè)長(zhǎng)久的保護(hù)涂層。 1.11 新型換熱器簡(jiǎn)介 (1) 折流桿換熱器 　　折流桿換熱器是以折流桿取代折流板，在管外改善流體的流動(dòng)方式，減少折流板造成的流動(dòng)死區(qū)和停滯區(qū)，并且使流體在折流桿后產(chǎn)生有效的“渦流”效應(yīng)，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的果，同時(shí)起到了降低流體阻力和消除換熱管的震動(dòng)造成的損傷、失效等作用。 (2)波紋管換熱器 　　波紋管換熱器是將換

34、熱管加工成內(nèi)外均呈連續(xù)波紋曲線的波紋管，使管子的縱向截面成波形，由相切的大小圓弧構(gòu)成，由于管內(nèi)流體的流動(dòng)截面不斷變化，使流體的擾動(dòng)增加而使傳熱強(qiáng)化。根據(jù)使用測(cè)試結(jié)果其管內(nèi)放熱系數(shù)可較光管提高3~4倍，同時(shí)殼程的換熱系數(shù)也可得到一定程度的提高，使總放熱系數(shù)提高1~2倍，目前該技術(shù)已在許多熱網(wǎng)換熱器中應(yīng)用。同時(shí)在原油加熱器及壓縮機(jī)冷凝器中均取得了良好的效果。此外波紋管換熱器在解決管內(nèi)結(jié)垢問題上也起到了明顯的作用。 (3)螺旋槽管換熱器 　　螺旋槽管換熱器是將換熱管表面加工成螺旋形的凹槽，在管內(nèi)形成螺旋形凸肋的異型管。流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受螺旋槽的導(dǎo)引，靠近壁面的流體順螺紋旋轉(zhuǎn)，螺旋形的凸肋使流體

35、產(chǎn)生周期性的擾動(dòng)，這樣可以使流體邊界層減薄，并加劇流體的擾動(dòng)，因而使傳熱強(qiáng)化。一般其管內(nèi)放熱系數(shù)為光管的1.5~2.5倍，總的放熱系數(shù)可提高0.5~1倍。目前這項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)鍋爐和其它換熱器設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。 (4)螺旋翅片管和縱向翅片管換熱器 　　螺旋翅片管換熱器是將換熱管上螺旋纏繞高頻焊接扁鋼，縱向翅片管換熱器是將換熱管圓周上沿軸線方向、高頻焊接Ｕ形翅片。兩種熱交換器都是通過增加管外側(cè)受熱面、改變流體流動(dòng)的方式來強(qiáng)化傳熱。實(shí)驗(yàn)證明，小管徑翅片管束的傳熱性能優(yōu)于大管徑管束，適當(dāng)增加翅片高度和翅片間距對(duì)傳熱有利，適當(dāng)密排對(duì)傳熱有利。螺旋翅片管換熱器主要用于流體橫向沖刷的場(chǎng)合，縱向翅片管主要

36、用于流體縱向沖刷的場(chǎng)合，同時(shí)起到大大縮小換熱器體積的作用。我們?cè)诳諝鈸Q熱器、熱管換熱器及鍋爐上，采用了這類換熱器，取得了明顯的強(qiáng)化換熱效果。 (5)螺旋折流板換熱器 　　螺旋折流板換熱器對(duì)傳統(tǒng)折流板換熱器進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新。采用與殼體軸線成某一角度狀排列的螺旋板作為折流板，使介質(zhì)在殼體內(nèi)螺旋推進(jìn)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在較小泵功能消耗條件下較高的傳熱效果。其特點(diǎn)有：具有較高的傳熱系數(shù)；殼側(cè)流阻較小，無滯流區(qū)；不易污垢沉積。延長(zhǎng)維修周期，減少維修費(fèi)用。適用于較粘稠介質(zhì)。 (6)渦流熱膜換熱器 渦流熱膜換熱器采用最新的渦流熱膜傳熱技術(shù)，通過改變流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來增加傳熱效果，當(dāng)介質(zhì)經(jīng)過渦流管表面時(shí)，強(qiáng)力沖

37、刷管子表面，從而提高換熱效率。最高可達(dá)10000W/m2℃。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、防結(jié)垢功能。其它類型的換熱器的流體通道為固定方向流形式，在換熱管表面形成繞流，對(duì)流換熱系數(shù)降低。 (7)陶瓷換熱器 陶瓷換熱器的生產(chǎn)工藝與窯具的生產(chǎn)工藝基本相同，導(dǎo)熱性與抗氧化性能是材料的主要應(yīng)用性能。它的原理是把陶瓷換熱器放置在煙道出口較近，溫度較高的地方，不需要摻冷風(fēng)及高溫保護(hù)，當(dāng)窯爐溫度1250-1450℃時(shí)，煙道出口的溫度應(yīng)是1000-1300℃，陶瓷換熱器回收余熱可達(dá)到450-750℃，將回收到的的熱空氣送進(jìn)窯爐與燃?xì)庑纬苫旌蠚膺M(jìn)行燃燒，可節(jié)約能源25%－45%，這樣直接降低生產(chǎn)

38、成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。 　　陶瓷換熱器在金屬換熱器的使用局限下得到了很好的發(fā)展，因?yàn)樗^好地解決了耐腐蝕，耐高溫等課題，成為了回收高溫余熱的最佳換熱器。經(jīng)過多年生產(chǎn)實(shí)踐，表明陶瓷換熱器效果很好。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：導(dǎo)熱性能好，高溫強(qiáng)度高，抗氧化、抗熱震性能好。壽命長(zhǎng)，維修量小，性能可靠穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便。是目前回收高溫?zé)煔庥酂岬淖罴蜒b置。 　　目前，陶瓷換熱器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行業(yè)主要熱工窯爐，正在為世界的節(jié)能減排事業(yè)作出了巨大的貢獻(xiàn)。 在生產(chǎn)中存在的熱交換條件千變?nèi)f化，所需要的換熱器必須各式各樣，為了符合使用要求，國(guó)內(nèi)、外對(duì)換熱器技術(shù)的開發(fā)從傳熱機(jī)理的研究、設(shè)備的

39、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，設(shè)計(jì)計(jì)算的方法改進(jìn)以及制造工藝水平的提高等方面都進(jìn)行了長(zhǎng)期而大量的工作。直至目前，換熱器的基本狀況是管殼式換熱器，就其數(shù)據(jù)量或使用場(chǎng)所與管式結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)，從空間技術(shù)發(fā)展起來的熱管技術(shù)受到極大重視，各式熱管換熱器已進(jìn)入工業(yè)實(shí)用階段。在換熱器設(shè)計(jì)中采用了電子計(jì)算機(jī)，不僅可以縮短計(jì)算時(shí)間，減少人為的差錯(cuò)，而且有可能進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。換熱器制造工藝上獲得了改進(jìn)，新材料及復(fù)合材料已逐漸使用。隨著工業(yè)的高速發(fā)展，換熱器技術(shù)將迅速發(fā)展。就目前的情況分析，換熱器的基本發(fā)展趨勢(shì)是：提高傳熱效率，提高緊湊性，降低材料消耗，增強(qiáng)承受高溫、高壓、超低溫及耐腐蝕能力。保證互換性及擴(kuò)大容量的靈活性，通過減少堵塞和便于

40、除垢以減少操作事故，從選用材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)行操作等各方面增長(zhǎng)使用壽命并在廣泛的范圍內(nèi)向大型化發(fā)展。在換熱器制造中，專業(yè)化生產(chǎn)的趨勢(shì)仍將繼續(xù)。加工中向“多軸化”及“數(shù)值控制化”發(fā)展。采用新技術(shù)、新工藝、新材料，提高機(jī)械化、自動(dòng)化水平。提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低制造成本仍是基本發(fā)展目標(biāo)。 對(duì)國(guó)外換熱器市場(chǎng)的調(diào)查表明，管殼式換熱器占64%。雖然各種板式換熱器的競(jìng)爭(zhēng)力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導(dǎo)地位。隨著動(dòng)力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設(shè)備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。 目前，從世界石油、化工行業(yè)看，先進(jìn)國(guó)家早以開發(fā)和采用了高效節(jié)能換熱器。世界先進(jìn)國(guó)家的油化工企業(yè)的換熱設(shè)備正處在更新?lián)Q代時(shí)期

41、,朝著新型降耗高效換熱器方向發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。通過余熱可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供熱、供氣、發(fā)電和動(dòng)力的主要輔助能源，從而能提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。如果能夠得到效率的大幅度提高，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將是十分的可觀，為我國(guó)的“低碳生活”和“節(jié)能減排”事業(yè)做出巨大的貢獻(xiàn)。 第二章 U形管式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)U形管式換熱器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖2-1 本次設(shè)計(jì)設(shè)備簡(jiǎn)圖 2.1 U形管式換熱器結(jié)構(gòu)介紹 U形管式換熱器由管箱、殼體及管束等主要部件組成，因其換熱管成U形而得名。U形管式換熱器僅有一個(gè)管板，

42、管子兩端均固定于同一管板上。U形管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管束可以自由伸縮，不會(huì)因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強(qiáng)；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，U形管式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄，直管部分需用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場(chǎng)合，僅宜用于管殼壁溫相差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合 。 2.2 筒體設(shè)計(jì) 選材：按GB1

43、51-1999《管殼式換熱器》中4.2.2用作換熱器圓筒的碳素鋼低碳合金鋼鋼管應(yīng)采用無縫鋼管。按GB151-1999《管殼式換熱器》中5.3.1中規(guī)定當(dāng)圓筒的公稱直徑DN≤400mm時(shí)，可用無縫鋼管做圓筒。 厚度：由GB151-1999《管殼式換熱器》中5.3.2表8之規(guī)定，即碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應(yīng)不小于下表2-1中的規(guī)定[7]。 表2-1 圓筒最小厚度mm 公稱直徑 400≤700 >700≤1000 >1000≤1500 >1500≤2000 >2000～2600 U型管式 8 10

44、 12 14 16 固定管板 6 8 10 12 14 注:表中數(shù)據(jù)包括厚度附加量C2（按1mm考慮） 因此按GB151-1999《管殼式換熱器》規(guī)定，本次設(shè)計(jì)選用273×8L，20號(hào)鋼無縫鋼管。 2.3 封頭設(shè)計(jì) 封頭是容器的一個(gè)部件（如下圖）根據(jù)幾何形狀的不同，可分為球形、橢圓形、碟形、球冠形、錐殼和平蓋等幾種，其中球形 、橢圓形、碟形、球冠型封頭又統(tǒng)稱為凸形封頭。在焊接上分為對(duì)焊封頭，承插焊封頭。用于各種容器設(shè)備，如

45、儲(chǔ)罐、換熱器、塔、反應(yīng)釜、鍋爐和分離設(shè)備等。材質(zhì)有碳鋼（A3、20#、Q235、Q345B、16Mn等）、不銹鋼（304、321、304L、316、316L等）、合金鋼（15Mo3 15CrMoV 35CrMoV 45CrMo ）、鋁、鈦、銅、鎳及鎳合金等。 （1）球形封頭是由半個(gè)球殼構(gòu)成的。雖然球形封頭壁厚可較相同直徑與壓力的圓筒殼減薄一半。但在實(shí)際工作中，為了焊接方便以及降低邊界處的邊緣壓力，半球形封頭常和筒體取相同的厚度。 圖2-2半圓型封頭 圖2-3球冠封頭 （2）橢圓封頭又名為橢圓形封頭、橢圓封頭即為由旋轉(zhuǎn)橢圓球

46、面和圓筒形直段兩部分組成的封頭。旋轉(zhuǎn)橢圓球面母線的長(zhǎng)、短軸之比為2.0的橢圓形封頭，習(xí)慣上稱為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。　橢圓封頭的力學(xué)性能僅次于半球封頭，但優(yōu)于碟形封頭。由于橢圓封頭的深度介于半球形和碟形封頭之間，對(duì)沖壓設(shè)備及模具的要求、制造難度亦介于兩者之間，即比半球封頭容易，比碟形封頭困難。近年來由于采用旋壓制造工藝，為制造大直徑橢圓形封頭帶來了方便?！E圓封頭因綜合性能較好，被廣泛用于中低壓容器。如圖2-3. 圖2-3 橢圓形封頭 （3）碟形封頭，又稱帶折邊球形封頭，又名蝶形封頭。由一個(gè)球面、一個(gè)某一高度的圓筒直邊和連接以上兩個(gè)部分的曲率半徑大小小于球面半徑的過渡部分組成。碟形封頭為一

47、個(gè)連續(xù)曲面，在三部分連接處，經(jīng)線曲率半徑有突變，由于曲率變化， 因而存在著彎曲應(yīng)力。彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力疊加的結(jié)果，使這部分的應(yīng)力突出于其他部分。與橢圓形封頭相比，應(yīng)力分布不如其均勻，但加工較之容易，因而在工程使用中并不理想。但當(dāng)橢圓形封頭的模具加工有困難時(shí)，則用碟形封頭代替。如圖2-4。 圖2-4 碟形封頭 （4）錐形封頭廣泛應(yīng)用于許多化工設(shè)備(如蒸發(fā)器、噴霧干燥器、結(jié)晶器及沉降器等)的底蓋，它的優(yōu)點(diǎn)是便于收集與卸除這些設(shè)備中的固體物料。此外，有一些塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體將直徑不等的兩段塔體連接起來，這時(shí)的圓錐形殼體稱為變徑段。如圖2-5。 圖2-5

48、 錐形封頭 對(duì)受均勻內(nèi)壓封頭的強(qiáng)度計(jì)算，由于封頭和圓筒相連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力，還要考慮與圓筒連接處的不連續(xù)應(yīng)力。連接處總應(yīng)力的大小與封頭的幾何形狀和尺寸封頭與圓筒厚度的比值大小有關(guān)。 按GB151-1999《管殼式換熱器》中4.2.1之規(guī)定選取封頭材料為Q235-B[8]。參照《壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯編》選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。如圖2-6所示。 圖2-6 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭示意圖 2.4 管箱設(shè)計(jì) 管箱的作用是把由管道來的管程流體均勻分布到各傳熱管和把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還起到改變流體流向的作用。無論哪種管箱，其管箱的最小內(nèi)側(cè)深度

49、應(yīng)當(dāng)滿足這樣的要求：使連接雙程間流體流動(dòng)的橫截面至少大于或等于單管程通過的截面。下面介紹幾種典型管箱結(jié)構(gòu)形式及管箱尺寸確定的原則[9]。 （一）管箱結(jié)構(gòu)形式 (1)A型（平蓋管箱） 這種管箱如圖3-1中前端管箱形式中A，裝有管箱平蓋（或稱盲板），清洗管程時(shí)只要拆開盲板即可，而不必拆卸整個(gè)管箱和與管箱相連的管路，缺點(diǎn)是盲板結(jié)構(gòu)用材多，且尺寸較大時(shí)得用鍛件，耗費(fèi)大量機(jī)加工工時(shí)，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。一般多用于DN<900mm的浮頭式換熱器中。 (2)B型（封頭管箱） 見圖3 1中B的形式，用于單程或多程管箱，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，適于高壓、清潔介質(zhì)，可省掉一塊造

50、價(jià)高的盲板、法蘭和幾十對(duì)螺栓，且橢圓封頭受力情況要比平端蓋好得多。缺點(diǎn)是檢查管子和清洗管程時(shí)必須拆下連接管道和管箱。但這種形式用得最多。 (3)C型、N型管箱 見圖3—1中C、N兩種形式，這種形式是管箱一端與殼體及管板連成一體，或是用于可拆管束與管板制成一體的管箱，另一端可采用A型結(jié)構(gòu)，減少了泄漏的可能性。一般用得較少，只在高壓情況下采用。其使用可結(jié)合管板的結(jié)構(gòu)考慮。 (4)多管程換熱器的介質(zhì)返回管箱見圖2-7中后端結(jié)構(gòu)形式所列的形式或圖 (c)。 (5)單管程換熱器管箱見圖 (d)。 圖2-7 本次設(shè)計(jì)采用B型 （二）分程隔板 在換熱器中，不論是管外還是管內(nèi)的流體，要

51、提高它們的給熱系數(shù)，通常是采用設(shè)置隔板的方法來增加程數(shù)以提高流體流速實(shí)現(xiàn)其目的。這種分程隔板對(duì)管程而言習(xí)慣稱為分程隔板，對(duì)殼程習(xí)慣稱為縱向隔板，常見的是管程分程隔板。 管程分程隔板是用來將管內(nèi)流體分程，“一個(gè)管程”意味著流體在管內(nèi)走一次，分程隔板裝置在管箱內(nèi)，根據(jù)所需分的程數(shù)的不同而有不同的組合，但無論怎樣分，都應(yīng)盡量使各程管子數(shù)目大致相等，隔板形式要簡(jiǎn)單，焊縫盡量少，密封長(zhǎng)度要短，程與程之間面積差不宜過大，溫差以不超過28℃左右為宜。為使制造、維修和操作方便、一般采用偶數(shù)管程。前后管箱中隔板形式和介質(zhì)的流通順序如圖2-8。 圖2-8 管箱中隔板形式和介質(zhì)的流通順序 封頭管箱為組合件。由一

52、個(gè)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭、短節(jié)、中間隔板、接管法蘭以及管箱法蘭組成。按GB150-1998《鋼制壓力容器》第五章選擇標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，其材料為組合件，短節(jié)材料為Q235-B。選取橢球形封頭可節(jié)省材料且其強(qiáng)度好。 管箱圓筒的最小厚度按GB151-1999《管殼式換熱器》中5.3.2之規(guī)定。本設(shè)計(jì)中的短節(jié)厚度應(yīng)增加,以使開孔補(bǔ)強(qiáng)達(dá)到強(qiáng)度要求。 分程隔板的最小厚度不小于GB151-1999《管殼式換熱器》中第五章表6之規(guī)定。即如下表2-2： 表2-2 GB151-1999《管殼式換熱器》 公稱直徑 隔板最小厚度

53、 碳素鋼及低合金鋼 高合金鋼 ≤600 8 6 >600～≤1200 10 8 >1200～≤2000 14 10 >2000～≤2600 14 10

54、 本設(shè)計(jì)分程隔板厚度為10mm。 封頭和管箱的厚度一般不小于殼體的厚度。分程隔板兩側(cè)全長(zhǎng)均應(yīng)焊接，并應(yīng)具有全焊透的焊縫。由于焊接應(yīng)力較大，故管箱和封頭法蘭等焊接后，須進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理，最后進(jìn)行機(jī)械加工[10]。 2.5 布管 2.5.1 換熱管的排列方式 換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正三角形、轉(zhuǎn)角正方形。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用得最為普遍，但管外不易清洗。為便于管外清洗，可以采用正方形或轉(zhuǎn)角正方形排列的管束。 換熱管排列形式如圖2-9。 圖2—9換熱管的排列形式 在此，換熱管排列方式要用正三角形排列。 2.5.

55、2 換熱管中心距 換熱管中心距可按GB151-1999《管殼式換熱器》第五章規(guī)定，宜不小于1.25倍的換熱管外徑。 表2-3 GB151-1999《管殼式換熱器》 換熱管外徑d 10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57 換熱管中心距離13-14 16 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 57 64 70 72

56、 分程隔板槽兩 28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80 本設(shè)計(jì)換熱管的中心距是19mm。 換熱管簡(jiǎn)圖如圖2-10所示。 圖2-10 換熱管簡(jiǎn)圖 直管一律采用整根管子而不允許有接縫。管子應(yīng)該進(jìn)行校直，管子兩端須用磨管機(jī)清除氧化皮、鐵銹、及污垢等雜質(zhì)直至露出金屬光澤。除銹長(zhǎng)度不

57、小于兩倍管板厚度。當(dāng)管子與管板的連接采用脹接工藝時(shí)，管端硬度應(yīng)低于管板硬度。同一根換熱管的對(duì)接焊縫，直管不得超過一條；U形管不得超過二條；最短管長(zhǎng)不應(yīng)小于300mm；包括至少50mm直管段范圍內(nèi)不得有拼接焊縫。管端破口應(yīng)采用機(jī)械方法加工，焊前應(yīng)清洗干凈[11]。 U形管彎管段的圓度偏差，應(yīng)不大于換熱管名義外徑的10%；但彎曲半徑小于2.5倍換熱管名義外徑的U型管彎管段可按15%驗(yàn)收。為了保證順利穿管，必須使折流板的管孔和管板的管孔中心保持在同一水平線上。 換熱管組裝要求兩管板相互平行，允許誤差不得大于1mm，兩管板間長(zhǎng)度誤差為±2mm；管子與管板應(yīng)垂直；拉感應(yīng)牢靠固定；定距管兩端面

58、要整齊；穿管時(shí)管子頭不能用鐵器直接敲打。 2.5.3 換熱管與管板的連接 管子與管板的連接，在管殼式換熱器換熱的設(shè)計(jì)中，是一個(gè)比較重要的結(jié)構(gòu)部分，它不僅加工工作量大，而且必須使每個(gè)連接處在設(shè)備的運(yùn)行中，保證介質(zhì)無泄漏且具有承受介質(zhì)壓力的能力[12]。換熱管與管板的連接方式有強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹以及脹焊并用。 對(duì)于管子與管板的連接結(jié)構(gòu)型式，主要有以下幾種： （1） 脹接； （2）焊接； （3）脹焊結(jié)合。 這幾種型式除本身結(jié)構(gòu)固有的特點(diǎn)外，在加工中，與生產(chǎn)條件，操作技術(shù)都有一定的關(guān)系。但無論采用何種連接型式，都必須保證連接處能滿足設(shè)計(jì)所需的密封性和具有足夠的抗拉

59、脫強(qiáng)度。 強(qiáng)度脹接主要適用于設(shè)計(jì)壓力≤4.0Mpa；設(shè)計(jì)溫度≤300℃；操作中無劇烈振動(dòng)、無過大的溫度波動(dòng)及無明顯應(yīng)力腐蝕等場(chǎng)合。除了有較大振動(dòng)及有縫隙腐蝕的場(chǎng)合，強(qiáng)度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何場(chǎng)合。脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動(dòng)和疲勞載荷；有縫隙腐蝕；需采用復(fù)合管板等的場(chǎng)合。 本設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度焊加貼賬的形式。 圖2-11管板脹接形式 2.6 管板設(shè)計(jì) 管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷、熱流體混合，并同時(shí)受管程、殼程壓力和溫度的作用。由于流體只具有輕微的腐蝕性，故采用工程上常用的Q345

60、R整體管板。 管板與殼體的連接﹕由于U形管式換熱器要求管束能夠方便地從殼體中抽出進(jìn)行清洗和維修，因而換熱器固定端的管板采用可拆式連接方式，即把管板利用墊片夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間。 本設(shè)備利用墊片夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間。 2.6.1 管板的加工 管板：管板為碳鋼鍛件，應(yīng)檢查表面含碳量，使任意點(diǎn)的C<0.19%，或在管板上加兩層低碳堆焊層來避免偏析的影響[13]。 管孔加工：管孔加工必須滿足下列要求： （1）保證孔的位置及尺寸精度，如管孔不圓度、同心度及孔壁的光潔度。 （2）對(duì)大厚度的管板須保證孔與管板平面垂直。 （3）組裝狀態(tài)下管板和折流板的同一

61、位置的管孔和拉桿用孔的中心應(yīng)在同 一直線上。 2.7 折流板 折流板顧名思義是用來改變流體流向的板，常用于管殼式換熱器設(shè)計(jì)殼程介質(zhì)流道，根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)和流量以及換熱器大小確定折流板的多少。折流板被設(shè)置在殼程，它既可以提高傳熱效果，還起到支撐管束的作用。折流板有弓形和圓盤-圓環(huán)形兩種，弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形三種。 本次設(shè)計(jì)選用弓形折流板。 折流板形式如圖2-12所示。 圖2-12 折流板形式 2.7.1 折流板的形式 選用單弓形折流板，上下方向排列，這樣可造成液體的劇烈擾動(dòng)，增大傳熱膜系數(shù)。為方便選材，選擇折流板的材料為Q235A，弓形缺口高度為49.1mm，折流板間距為

62、56mm，查GB151-1999《管殼式換熱器》可知折流板厚度為6mm。 該臺(tái)換熱器折流板排列如下圖2-13所示。 圖2-13折流板排布簡(jiǎn)圖 由于折流板很薄，鉆孔時(shí)鉆頭的推力使管板中心變形，故可將下料或圓整的折流板去掉毛刺并校平，重疊、壓緊后沿周邊點(diǎn)焊、然后一起鉆孔。 為了保證順利穿管，必須是折流板的管孔與管板中心在同一直線上，可以將管板當(dāng)作鉆模放在折流板上，壓緊后進(jìn)行引孔，即以管板危機(jī)出現(xiàn)在折流板上鉆出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，將折流板壓緊，并換上合適的鉆頭[14]。 2.8 拉桿 拉桿的作用是與定距管配合將換熱器的管束上的折流板連接固定起來，防止竄動(dòng)。拉桿

63、的一端靠螺扣旋入管板中固定，它從數(shù)塊折流板中間的拉桿孔中穿過，另一端用螺母固定在支持板上。拉桿結(jié)構(gòu)見圖。為了使各塊折流板間距符合設(shè)計(jì)要求，均勻受力，保證折流板與換熱管垂直，就需要在一個(gè)管束中布置一定數(shù)量的拉桿。但拉桿又位于布管區(qū)內(nèi)，一根拉桿就要占一跟換熱管的位置。因此拉桿的布置既要合理，數(shù)量又不能太多。拉桿直徑的選擇與換熱管外徑有關(guān)，拉桿數(shù)量則視換熱器的直徑而定[15]。拉桿形式如圖2-13。 常用拉桿的形式有兩種： (1)拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束，（按《GB151-1999》表45規(guī)定）； (2)拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑小于或等于14mm的

64、管束，； (3)當(dāng)管板比較薄時(shí)，也可采用其他的連接結(jié)構(gòu)。 本次設(shè)計(jì)換熱管的外徑為14mm，拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，材料為Q235A。 圖2-14拉桿結(jié)構(gòu)示意圖 2.8.1 拉桿的直徑、數(shù)量及布置 其具體尺寸如下圖2-15所示。 圖2-15拉桿結(jié)構(gòu)尺寸 按GB151-1999《管殼式換熱器》中規(guī)定拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。若對(duì)于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿，任何折流板應(yīng)不少于3個(gè)支承點(diǎn)。還應(yīng)滿足GB151-1999《管殼式換熱器》中規(guī)

65、定。拉桿參數(shù)見表2-4，表2-5所示。 表2-4 拉桿參數(shù) 換熱管外徑d 10≤d≤14 14≤d≤ 25 25≤d≤57 拉桿直徑dn 10 12 16 表2-5 拉桿參數(shù) 公稱直徑DN，mm ＜400 ≥400 ≥700 ≥900 ≥1300 ≥1500 ≥1800 ≥2000 ≥2300 拉桿直徑dn，mm ≤700 ≤900 ≤1300 ≤1500 ≤1800 ≤2000 ≤2300 ≤2600 10

66、 4 6 10 12 16 18 24 28 32 12 4 4 8 10 12 14 18 20 24 16 4 4 6 6 8 10 12 14 16 拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。拉桿位置占據(jù)換熱管的位置，對(duì)于大直徑換熱器，在布管區(qū)的中心部位或靠近折流板缺口處也應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿。 2.9 定距管 定距管的作用是將折流板之間的距離固定下來，定距管的規(guī)格同換熱管，其長(zhǎng)度同實(shí)際需要確定。本臺(tái)換熱器定距管的布置可以參照部件圖，材料確定為20號(hào)鋼，規(guī)格為φ16×2 =50mm，φ16×2 =340mm。 2.10 裙座的設(shè)計(jì) 立式化工裝備常采用裙座支承。裙座形式根據(jù)承受載荷情況不同，可分為圓筒形和圓錐形兩類。本U形管換熱器采用圓筒形，圓筒形裙座經(jīng)濟(jì)上合理，故應(yīng)用廣泛。