折流桿換熱器的設(shè)計制作[權(quán)威資料]

折流桿換熱器的設(shè)計制作 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘要：折流桿換熱器是一種高效能換熱器，與傳統(tǒng)的折流板換熱器相比，傳熱效率高、殼程壓降低和防振效果好，清洗維護周期長，使用壽命長，具有良好經(jīng)濟效益，正在被逐步推廣應(yīng)用，市場應(yīng)用前景廣闊。但它的強化傳熱作用有一定的限制范圍，最佳強化效果是氣與水之間的換熱。本文就折流桿換熱器的設(shè)計、制作工藝進行簡述，旨在能更好開發(fā)和應(yīng)用折流桿換熱器。 關(guān)鍵詞：折流桿換熱器，設(shè)計 ， 基本結(jié)構(gòu)，強化 傳熱 ， 制造工藝 Abstract: the baffle stem heat exchanger is a kind of high efficient can heat exchanger, and traditional baffle plate heat exchanger, compared to heat transfer efficiency, process pressure reduction and shell anti-vibration effect is good, cleaning maintenance cycle is long, long service life, has the good economic benefit, is being gradually the promoted application, the market broad prospect of application. But its heat transfer enhancement effect to have certain restriction limits, best the strengthening effect is gas and water of heat transfer between. This paper baffle stem heat exchanger design, production process this, to better development and application baffle stem heat exchanger. Keywords: baffle stem heat exchanger, design, basic structure, strengthen the heat transfer, manufacturing process TM925.61 A 1 前言 我廠承接河池化工股份公司脫硫系統(tǒng)技術(shù)改造工程中的折流桿堿洗氣水冷器設(shè)計、制作，該設(shè)備殼程設(shè)計壓力2.1Mpa，設(shè)計溫度 100 ，介質(zhì)為堿洗氣；管程設(shè)計壓力0.41Mpa，設(shè)計溫度 50 ，介質(zhì)為水。折流桿換熱器在國內(nèi)的應(yīng)用較少，由于其換熱過程極其復(fù)雜多變，目前設(shè)計無任何標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范可遵循，也沒有可供設(shè)計使用的計算 公式和圖表。我廠的設(shè)計是遵循對于不能用標(biāo)準(zhǔn)來確定結(jié)構(gòu)尺寸的受壓元件，按 GB150鋼制壓力容器規(guī)定中的 “ 用可比的已投入使用的結(jié)構(gòu)進行對比經(jīng)驗設(shè)計 ” 。 參照用戶原使用的舊設(shè)備，在設(shè)備使用成熟的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過查閱國內(nèi)外有關(guān)設(shè)計制作資料，弄清了其強化傳熱原理，參照設(shè)計制作的，并進行了改進，換熱管采用不銹鋼螺旋槽管，換熱效果更好。該設(shè)備已經(jīng)在實際應(yīng)用中得到了證實，性能指標(biāo)達到使用要求，傳熱效果明顯，運行狀況良好，安全可靠?，F(xiàn)就該設(shè)備設(shè)計、制作進行總結(jié)。設(shè)備結(jié)構(gòu)如下圖： 折流桿換熱器結(jié)構(gòu)簡圖 2 折流桿換熱器的設(shè)計 2.1 折流桿換熱器的基本結(jié)構(gòu) 折流桿換熱器實際上也是一種管殼式換熱器，它的結(jié)構(gòu)與普通管殼式換熱器類同，只不過將折流板改為折流桿，因而取名折流桿換熱器。折流桿換熱器中的折流組合元件稱作 “ 折流柵 ” ，折流柵由折流桿和圓環(huán)組成。一般折流桿都采用圓鋼制作，折流圓環(huán)采用板式，環(huán)上開定位桿預(yù)留孔，其結(jié)構(gòu)如右下圖。折流桿換熱器管束的固定是采用交錯折流桿來實現(xiàn)的，靠相鄰兩個折流柵的折流桿相互垂直，保持一定的間距來保證換熱管的牢固穩(wěn)定，并起到主要的 “ 管外 ”強化傳熱作用。普通管殼式換 熱器則采用折流板來固定管束和改善流體運動狀態(tài)，從而達到強化傳熱的目的。 2.2 折流桿換熱器的強化傳熱及防振原理 折流桿換熱器與普通的管殼式換熱器相比，有較好的傳熱性能。通過殼程中相鄰折流柵上的折流桿彼此交錯的方式來固定管束和改善介質(zhì)的流動狀態(tài)，當(dāng)流體介質(zhì)通過折流桿和折流柵上圓環(huán)處，將會分別發(fā)生渦流流動和文丘里效應(yīng)，使殼程流體介質(zhì)獲得良好的紊流狀態(tài)，并能沿列管束延伸方向流動 (即沿著管束平行流動 )，殼程壓降明顯降低，實驗數(shù)據(jù)表明，在同樣換熱負(fù)荷下，殼程降壓可達到折流板式換熱器的 40 60 。而且換熱管內(nèi)外介質(zhì)分別沿管的軸向互相逆流，因而獲得良好的傳熱性能。普通管殼式換熱器采用折流板固定管束，其介質(zhì)流動情況分主流區(qū)、順流區(qū)及渦流區(qū)，流體在渦流區(qū)原地旋轉(zhuǎn)或靜止不動，稱 “ 傳熱死區(qū) ” ，在該區(qū)設(shè)備換熱能力的 25 30%沒有得到充分發(fā)揮。折流桿換熱器基本消除了普通管殼式換熱器通常存在的 “ 傳熱死區(qū) ” ，因而設(shè)備換熱面積可提高 25 30%，總傳熱效率約為折流板式換熱器的 2 倍。 折流桿換熱器由于交錯折流桿對管束的牢固穩(wěn)定作用，殼程允許有較高流速的介質(zhì)流動，流速提高，就可改善殼程中經(jīng)常出現(xiàn)的油污附著列管 外表面和雜質(zhì)沉積等對傳熱不利的現(xiàn)象，結(jié)垢率低，清洗維護周期可延長。殼程介質(zhì)的流速是一個關(guān)鍵參數(shù)，流速過低，強化傳熱效果明顯下降。本設(shè)備的使用工況，殼程介質(zhì)為氣體，流速為 5 20（ m/s），管程介質(zhì)為水，流速為 0.5 3（ m/s），其殼程、管程的流速控制在一定范圍內(nèi)，傳熱效果較好。 普通管殼式換熱器采用折流板固定管束，這種結(jié)構(gòu)的管束，易發(fā)生振動破壞。據(jù)試驗，這種破壞主要是折流板跨距過大和流體流速過高引起的，其振幅是折流桿換熱器的十倍。折流板換熱器為了減輕振動破壞，若采取減小折流板跨距，就會增加折流板 塊數(shù)，從而增加殼程阻力，增加能耗，增大傳熱死區(qū)，有效傳熱面積即減少。折流桿換熱器管束固定是采用折流桿的橫豎交錯布置使每根換熱管都被 4 根折流桿圓鋼在上下左右 4 個方向夾持著，這樣的方式能較好地減輕誘導(dǎo)振動，保證管束的牢固穩(wěn)定；減少管束、管壁磨損和管子與管板聯(lián)接處的應(yīng)力及疲勞損壞，延長設(shè)備的正常使用壽命。 2.3 換熱面積的確定 通過上述強化傳熱原理及設(shè)備在實際應(yīng)用中的實踐檢驗，折流桿換熱器強化傳熱的綜合性能是普通管殼式換熱器的 2 倍，即在同樣換熱負(fù)荷下，換熱面積減少 50% 60%；經(jīng)有關(guān)專業(yè)資 料總結(jié)，如果采用不銹鋼螺旋槽管，換熱面積可比采用不銹鋼光滑管的換熱面積減少 30% 40%。本設(shè)備設(shè)計改進后換熱管采用不銹鋼螺旋槽管。 因折流桿換熱器換熱過程極其復(fù)雜多變，折流桿換熱器換熱面積目前還沒有完全適用的計算方法，原則上以實驗結(jié)果和實際應(yīng)用經(jīng)驗相結(jié)合的方法。通常采用完全套用法（即采用工況條件完全一致時所用的換熱面積）、經(jīng)驗換算法（即按普通管殼式換熱器的換熱面的 50% 60%計算）、套用實驗數(shù)據(jù)法（即對某些特定的介質(zhì)，采用經(jīng)測定的總傳熱系數(shù) K，通過熱負(fù)荷 Q 和平均溫差 tm 計算換熱面積 F）。本設(shè) 備因工況條件與原舊設(shè)備完全一致，因此采用完全套用法，即根據(jù)原使用設(shè)備的實際應(yīng)用，按原設(shè)備的換熱面積F=698 m2；由于設(shè)計經(jīng)改進后換熱管采用 251.5 不銹鋼螺旋槽管，換熱面積可減少 30%，因此又結(jié)合經(jīng)驗換算法，確定本設(shè)備換熱面積取原設(shè)備的換熱面積的 70%，即 F=798 m270%=558 m2 ，換熱面積減少 240 m2，換熱管根數(shù)比采用光滑管減少 446 根，材料成本降低，傳熱效果卻更好。 2.4 主要受壓元件管板厚度的確定 由于折流桿的固定作用好，管束的振動大為降低，因而管板厚 度可采用較薄板。又根據(jù) GB150鋼制壓力容器1.4 條規(guī)定，對于不能用本標(biāo)準(zhǔn)來確定結(jié)構(gòu)尺寸的受壓元件，允許采用 “ 用可比的已投入使用的結(jié)構(gòu)進行對比經(jīng)驗設(shè)計 ” ，因此本設(shè)備管板厚度參照原設(shè)備的管板厚度定為 60 mm。其余管程封頭及管箱、殼程殼體厚度按設(shè)計壓力、設(shè)計溫度及選用材質(zhì)進行強度計算；法蘭按相應(yīng)法蘭的溫度壓力等級標(biāo)準(zhǔn)選取。 2.5 幾何尺寸。 （ 1）、折流桿換熱器的幾何尺寸對其綜合性能影響極大，換熱管長度與管束直徑比控制在 8 12范圍內(nèi)，折流柵彼此間距控制在 150 mm，獲得的綜合性 能最佳。折流柵的圓環(huán)采用板式，厚度為 12 mm ，折流桿的直徑一般為 5 12 mm ，折流桿長度根據(jù)折流柵圓環(huán)尺寸裁定。同一折流柵上的折流桿應(yīng)互相平行焊接固定在折流柵上，要注意的是每相鄰兩折流柵上的折流桿應(yīng)該是互相垂直的，才能起到固定管束和改善介質(zhì)的流動狀態(tài)，取得明顯傳熱效果。 （ 2）、由于折流桿換熱器的特殊結(jié)構(gòu)，列管在管板上的布置均為正方形排列，本設(shè)備根據(jù)換熱管外徑為 25 mm ，管中心距為 32 mm，選直徑為 6 mm 的折流桿，即能穩(wěn)定管束，且滿足管中心距大于等于列管外徑和折流桿直徑之和。 （ 3）、如果換熱器殼體與折流柵的環(huán)縫間隙過大，將影響換熱管束的穩(wěn)定，誘發(fā)振動而導(dǎo)致設(shè)備損壞；間隙過小則殼體不能順利通過管束影響組裝。折流柵圓環(huán)外徑取小于殼程殼體內(nèi)徑 10mm，與殼體間隙較合適，符合 GB151-1999管殼式換熱器的規(guī)定。 3 制造工藝 由于折流桿換熱器結(jié)構(gòu)的特殊性，制作過程中的組裝好壞關(guān)系到換熱器的正常使用壽命，其組裝特點是折流桿與折流環(huán)的組焊在穿換熱管過程中進行，組裝后所形成的管束結(jié)構(gòu)以 4 個折流柵為一組來看，折流桿的橫豎交錯布置使每根換熱管都被 4 根折流桿圓鋼 在上下左右 4 個方向夾持著，以這樣的方式來起到防振的作用。組裝包括 3 個關(guān)鍵步驟： 折流環(huán)和管板的定位； 折流柵的組裝； 管束的組裝。 3.1 折流環(huán)和管板的定位 為了穿換熱管時管板和折流環(huán)能固定不滾動，不影響組裝，在組裝前先用槽鋼做一個簡單定位架，將管板和折流環(huán)按設(shè)計距離垂直擺立在定位架上。定位架的長度和間距根據(jù)換熱器的規(guī)格大小來定，定位架要平整，以便管板和折流環(huán)在定位架上放置后穩(wěn)定且平整，有利于穿管和后面調(diào)兩管板的不平度。 3.2 折流柵和管束的組裝折流柵的折流環(huán)和折流桿不能先組裝 好，否則就同折流板式換熱器一樣了，甚至比折流板更難穿管，稍有一點偏差就會穿到旁邊的孔上。折流柵的折流環(huán)和折流桿應(yīng)在穿管過程中組裝，而且同一折流柵上的折流桿應(yīng)互相平行，相鄰折流柵的折流桿橫豎交錯布置，符合這一組裝要求，才能使這種換熱器在使用過程中充分體現(xiàn)它的優(yōu)點，而且既能使折流桿與管子的間距接近最小，起到夾持換熱管達到防振作用，又能在穿管過程中省時省力。 3.3 管束組裝將有拉桿孔的管板放在定位架上，將拉桿裝進該管板上，再將定距管套在拉桿上，按圖紙距離要求套一組定距管然后穿一塊折流環(huán)，如此反復(fù)將定距管和折流環(huán)都安 裝好，用螺母擰緊拉桿和折流環(huán)。在定位架上將管板、拉桿、定距管和折流環(huán)都安裝完畢后，開始穿最外圈換熱管，在已穿好的外圈換熱管間焊折流柵上的折流桿。從已經(jīng)固定的管板這端起，在第 1、 2 塊折流環(huán)上焊接豎直垂直地面的折流桿，在折流柵同一橫排上每隔兩根換熱管焊一根豎直折流桿，即第1、 2 塊折流環(huán)的折流桿要錯開一根換熱管焊接固定，第 3、 4塊折流環(huán)先不焊折流桿 (留后面焊 )，第 5、 6 塊折流柵與第1、 2 塊組焊相同，第 7、 8 塊與第 3、 4 塊一樣，暫時也不焊，依此類推，將全部折流柵組裝好。垂直方向的折流桿焊接完畢后，在最底部的橫排換熱 管上表面水平放一根折流桿，并且分別焊在第 3、 7、 11、 15、 19、 23、 27、 31折流環(huán)上。這些折流桿焊好后，開始穿其余的換熱管。換熱管在管板上的布置是正方形排列的，穿管時要按一定的順序，這樣既不會使一些孔漏掉不穿，也不會漏焊折流桿。按豎起的管板，從下向上以一橫排為一組穿換熱管，穿完第 1 排后，在這些換熱管上表面水平放一根折流桿分別焊在第 4、 8、 12、16、 20、 24、 28、 32折流環(huán)上；再穿第 2 排換熱管，而后在第 2 排換熱管上表面水平放一根折流桿分別焊在第 3、 7、11、 15、 19、 23、 27、 31折流環(huán)上；再 穿第 3 排換熱管，并在第 3 排換熱管上表面水平放一根折流桿分別焊在第 4、 8、12、 16、 20、 24、 28、 32折流環(huán)上；再穿第 4 排換熱管，并在第 4 排換熱管上表面水平放一根折流桿分別焊在第 3、 7、11、 15、 19、 23、 27、 31折流環(huán)上。如此反復(fù)進行，直到最后一排管穿好和最后一根折流桿焊好。在組裝過程中，換熱管和折流柵都很直觀，穿管自如。組裝效果如右圖示。將組裝好后的管束裝入準(zhǔn)備好的殼體內(nèi)，再將換熱管與另一端管板組對。換熱管在兩管板外伸出長度按 GB151-1999 或施工圖中相應(yīng)規(guī)定。調(diào)整兩管板不平度，直到符合相 應(yīng)要求為止，將換熱管與管板點固，殼體與管板找正后點固。將管束豎起，管板與換熱管焊接采用強度焊加貼脹，焊接時注意不能在相鄰列管連續(xù)施焊，應(yīng)相隔 5 6 根列管按要求均勻施焊，以減少熱應(yīng)力，防止管板變形。 3.4 制作要點 （ 1）、組裝時應(yīng)注意避免管板變形，控制兩管板的間距尺寸誤差小于 5 mm；兩管板不平度 2 mm 。 （ 2）、為保證管束能順利套進殼體，折流柵圓環(huán)應(yīng)平整、光潔，外圓應(yīng)經(jīng)機加工，并保證外徑誤差小于 1 mm。 （ 3）、換熱器殼體卷制時應(yīng)嚴(yán)格控制圓筒不圓度小于10 mm，以便管束順利穿過。 4 實際效果 折流桿換熱器制造完畢后，焊縫經(jīng)超聲波及射線探傷檢查，質(zhì)量均達到設(shè)計要求；殼程、管程分別進行壓力試驗一次性通過，各項技術(shù)指標(biāo)均達到技術(shù)要求，并通過特種設(shè)備監(jiān)督檢驗部門的檢驗。該設(shè)備竣工投入使用至今運行狀況良好，經(jīng)回訪用戶反饋，各項性能滿足使用要求，傳熱效果明顯，安全穩(wěn)定，無任何故障，因此該設(shè)備的設(shè)計制作是成功可取的。 5 結(jié)語 通過對折流桿換熱器設(shè)計、制作過程中結(jié)構(gòu)、傳熱原理、制作工藝的分析研究得出如下結(jié)論：折流桿式換熱器較折流板式 換熱器的優(yōu)點有總傳熱效率高、管束振動小、殼程壓降低、結(jié)垢速率低、使用壽命長等眾多優(yōu)點。但由于折流桿換熱器換熱過程極其復(fù)雜多變，既涉及到動力學(xué)、還牽涉到熱力學(xué)，目前設(shè)計無任何標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范可遵循，也沒有可供設(shè)計使用的計算公式和圖表。我廠的設(shè)計是以