一種浮頭式管板換熱器的設(shè)計(jì)

1、科技信息1. 引言過(guò)程設(shè)備在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，是在化工、煉油、輕工、交通、食品、制藥、冶金、紡織、城建、海洋工程等傳統(tǒng)部門所必需的關(guān)鍵設(shè)備，而換熱設(shè)備則是廣泛使用的一種通用的過(guò)程設(shè)備。在化工廠中，換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%20%；在煉油廠，約占總投資的35%40%1。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是將能量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，是流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指針，以滿足工藝流程上的需要。此外，換熱器也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如，高爐爐氣（約1500）的余熱，通過(guò)余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供汽、供熱等的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料

2、消耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。目前常用的換熱器種類有浮頭式、固定板式和U 形管式，其中以浮頭式換熱器最多。浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱極力的研究十分活躍，一些新型高效浮頭式換熱器相繼面世2-4。2. 浮頭式管板換熱器的技術(shù)特點(diǎn)管殼式換熱器是把換熱器與管板連接，再用殼體固定。固定管板式換熱器和浮頭式換熱器都屬于管殼式換熱器。固定管板式換熱器的兩端管板，采用焊接方式與殼體連接固定。浮頭式換熱器的管子一端固定在一塊固定管板上，管板夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間，用螺栓連接；管子另一端固定在浮頭管板上，

3、浮頭管板夾持在用螺柱連接的浮頭蓋與鉤圈之間，形成可在殼體內(nèi)自由移動(dòng)的浮頭，故稱為浮頭式換熱器。因此當(dāng)管束與殼體受熱伸長(zhǎng)時(shí)，兩者互不牽制，因而不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭部分是由浮頭管板，鉤圈與浮頭端蓋組成的可拆聯(lián)接，因此可以容易抽出管束，故管內(nèi)管外都能進(jìn)行清洗，也便于檢修。由上述特點(diǎn)可知，浮頭式換熱器多用于溫度波動(dòng)和溫差大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合，盡管與固定管板式換熱器相比其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、造價(jià)更高5。3. 浮頭式管板換熱器的設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)本文設(shè)計(jì)的浮頭式換熱器所的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。表1浮頭式換熱器主要技術(shù)參數(shù) 3.2主要結(jié)構(gòu) 圖1浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)換熱器是一種浮頭式管板換熱器，其

4、主要由封頭、管箱接管、管箱法蘭、墊片、管板、筒體法蘭、補(bǔ)償圈、筒體、折流板、換熱管、拉桿、鞍座、分程隔板等零部件組成。本文設(shè)計(jì)的浮頭式管板換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。3.3工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需要的傳熱面積。工藝設(shè)計(jì)中包括了熱力設(shè)計(jì)以及流動(dòng)設(shè)計(jì)。選擇被冷卻的干空氣走殼程，被加熱的循環(huán)水走管程。這是因?yàn)椋罕焕鋮s的流體走殼程可便于散熱，而傳熱系數(shù)大的流體應(yīng)走管程，這樣可降低管壁的溫差，減少熱應(yīng)力，同時(shí)對(duì)于浮頭式換熱器，一般是將易結(jié)垢流體流經(jīng)管程。依據(jù)換熱器的設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)浮頭式管板換熱器的換熱器傳熱面積、壓力降與換熱器壁溫等進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算2,4。設(shè)

5、計(jì)計(jì)算獲得的換熱器規(guī)格參數(shù)詳見表2。表2浮頭式換熱器規(guī)格參數(shù)3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在確定換熱器的換熱面積等規(guī)格參數(shù)后，應(yīng)進(jìn)行換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，主要包括殼體和封頭的厚度計(jì)算、材料的選擇、管板設(shè)計(jì)、浮頭蓋和浮頭法蘭的設(shè)計(jì)，還有主要零部件（如管箱、殼體、折流板、拉桿等）和主要連接（包括管板與管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接等）的設(shè)計(jì)。3.4.1殼體與管箱由于所設(shè)計(jì)的換熱器屬于常規(guī)容器，并且在工廠中多采用合金鋼制造，故在此綜合成本、使用條件等的考慮，選擇Q345R 為殼體與管箱的材料。在此基礎(chǔ)上，依依據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)殼體與管箱的厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。得到殼體設(shè)計(jì)厚度為14.6mm

6、 ，名義厚度為16mm ；由于前端管箱與后端管箱的形式和其內(nèi)介質(zhì)環(huán)境不同，故此時(shí)將前端管箱和后端管箱的設(shè)計(jì)厚度也有所不同。前端管箱設(shè)計(jì)厚度為2.71mm ，名義厚度為5mm ；后端管箱設(shè)計(jì)厚度為2.71mm ，名義厚度為5mm 。3.4.2換熱管圖2管板及排管圖換熱管的規(guī)格為25×2.5，材料選為20號(hào)鋼。由于正三角形排列排列緊湊，管外流體湍流程度高，故本文設(shè)計(jì)的換熱器換熱管的排列方式采用正三角形排列。查GB151-1999可知，換熱管的中心距S=32mm；分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的中心距為80mm ；同時(shí)，由于換熱管管間需要進(jìn)行機(jī)械清洗，故相鄰兩管間的凈空距離（S-d）不宜小于6mm

7、。排管時(shí)一種浮頭式管板換熱器的設(shè)計(jì)南通中集大型儲(chǔ)罐有限公司張海峰南通醋酸纖維有限公司唐平摘要浮頭式換熱器由于浮頭可以自由移動(dòng)，無(wú)溫差應(yīng)力，易于拆接、抽管，是目前最為廣泛使用的換熱器之一。本文依據(jù)給定的技術(shù)條件設(shè)計(jì)出了一種浮頭式管板換熱器，對(duì)浮頭式換熱器的技術(shù)特點(diǎn)和基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并對(duì)其工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算；在此基礎(chǔ)上，較為詳細(xì)地闡述了換熱器主要零部件的選型及設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞浮頭換熱器設(shè)計(jì)干空氣循環(huán)水氣體介質(zhì)進(jìn)口溫度（）180循環(huán)水入口溫度（）15氣體介質(zhì)出口溫度（）50循環(huán)水出口溫度（）40氣體介質(zhì)壓力（MPa ）7循環(huán)水壓力（M Pa ）0.4流量（kg/s）6.944流量（kg/s）8.7

8、18DN （mm ）管長(zhǎng)（m ）管程數(shù)換熱管規(guī)格計(jì)算傳熱面積（m 2）管程出入口公稱直徑（mm ）殼程出入口公稱直徑（mm ）6006225×2.560116116專題論述科技信息須注意：拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，在靠近折流板缺邊位置處布置拉桿。拉桿中心至折流板缺邊的距離應(yīng)盡量控制在換熱管中心距的（0.51.5）姨范圍內(nèi)。排管圖如圖2所示。管箱作用是把從管道輸送來(lái)的流體均勻地分布到換熱管和把管內(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改變流體流向的作用。由于所設(shè)計(jì)的換熱器是雙管程，故管箱選擇為有隔板的安置形式。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。3.

9、4.3管板管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來(lái)排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來(lái)，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。 由于浮頭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。固定管板厚度設(shè)計(jì)采用BS 法進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲得固定管板厚度為88mm 。浮頭管板的厚度不是由強(qiáng)度決定的，這里按結(jié)構(gòu)取60mm 。管板結(jié)構(gòu)如圖2所示。3.4.4折流板設(shè)置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動(dòng)程度，并使管程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時(shí)減少結(jié)構(gòu)，而且在臥

10、式換熱器中還起支撐管束的作用。常見的折流板形式為弓形和圓盤圓環(huán)形兩種，本文采用的是單弓形折流板，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，可選折流板的材料選為Q345R ，由前可知，弓形缺口高度為120mm ，折流板間距為300mm ，數(shù)量為13塊。查GB151-1999可知折流板的最小厚度為5mm ，故此時(shí)可選其厚度為6mm 。同時(shí)查GB151-1999可知折流板名義外直徑為DN-4.5=600-4.5=595.5mm。由于浮頭式換熱器經(jīng)常拆裝管束，間隙可允許比固定管板式換熱器的間隙大1mm ，所以取594mm 。一般應(yīng)使管束兩端的折流板盡可能靠近

11、殼程進(jìn)、出口管，其余折流板等間距布置。本臺(tái)換熱器折流板排列示意圖如圖3所示。折流板上的管孔大小按照GB151規(guī)定，管孔直徑取25.8mm 。 圖3折流板排列示意圖3.4.5拉桿與定距管由于此時(shí)換熱管的外徑為25mm ，因此選用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。拉桿一端用螺紋擰入管板，每?jī)蓧K折流板之間的間距用定距管確定，最后一塊折流板用兩個(gè)螺母鎖緊固定。拉桿具體尺寸如圖4和表3所示： 圖4拉桿尺寸圖表3拉桿的參數(shù)其中拉桿的長(zhǎng)度L 按需要確定，這里取L=3880mm。桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。對(duì)于本臺(tái)換熱器拉桿的布置可參照零件圖。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)換熱器定距管的尺寸為25

12、5;2.5，L=292mm，共有52根。3.4.6防沖板本文設(shè)計(jì)的防沖板外表面到圓筒內(nèi)壁的距離，應(yīng)不小于接管外徑的1/40；防沖板的直徑或邊長(zhǎng)，應(yīng)大于接管外徑50mm ；防沖板的最小厚度：碳鋼為4.5mm ，不銹鋼為3mm 。采用U 形螺栓將防沖板固定在換熱管上。3.4.7鉤圈式浮頭本臺(tái)浮頭式換熱器浮頭端采用B 型鉤圈式浮頭，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖5所示，B 型鉤圈而結(jié)構(gòu)如圖6所示。浮頭蓋采用了無(wú)折邊球形封頭。浮頭蓋上無(wú)折邊球形封頭的計(jì)算按外壓球殼計(jì)算。依據(jù)GB151方法計(jì)算，選用Q345R 為材料，封頭R i =490mm，封頭外側(cè)為115的熱空氣，內(nèi)側(cè)為27.5的循環(huán)水，取壁溫50，設(shè)計(jì)的無(wú)折邊球

13、形封頭名義厚度S n =20mm。圖5浮頭結(jié)構(gòu)3.4.8分程隔板由于是雙管程換熱器，故此處需要用到分程隔板。分程隔板采用與封頭、管箱短節(jié)同等材料，除密封面外，應(yīng)該滿焊于管箱上。查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深4mm ，槽寬（對(duì)于碳鋼）為12mm ，對(duì)于DN 600的換熱器分程隔板的最小厚度為8mm 。圖6鉤圈和浮頭管板3.4.9鞍座依據(jù)JB/T4712-92，選擇鞍座的型號(hào)為：DN600、120°包角重型帶墊板鞍式支座。4. 結(jié)語(yǔ)浮頭式換熱器由于浮頭可以自由移動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，易于拆聯(lián)接、抽管束，適用于溫差大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合，是目前最為廣泛使用的換熱器之一。本文設(shè)計(jì)換熱器是一種浮頭式管板換熱器，其主要由封頭、管箱接管、管箱法蘭、墊片、管板、筒體法蘭、補(bǔ)償圈、筒體、折流板、換熱管、拉桿、鞍座、分程隔板等零部件組成。本文對(duì)浮頭式換熱器的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹；對(duì)換熱器的工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算，得到了的換熱器規(guī)格參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)換熱器的殼體、管箱、換熱管、管板、折流板、拉桿、定距管、防沖板、鉤圈式浮頭、分程隔板、鞍座等主要零部件結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。參考文獻(xiàn)1董其伍. 換熱器M . 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008. 2錢頌文編. 換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)M . 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002. 3Spe