【正文】 成，使塑性和韌性降低。提高碳含量可能使強度增加，但是可焊性變差，焊接時易在熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋。因此，合理選材是壓力容器設(shè)計的關(guān)鍵之一。載流體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收熱量，在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫流體，如熱管式換熱器等。若兩種流體不允許有混合，則不采用蓄熱式換熱器。為增加兩流體的接觸面積，已達到充分換熱，在設(shè)備中常放置填料和柵板。2 換熱器的分類及其工作原理 換熱器的分類及工作原理 在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備。其中，東北地區(qū)是我國規(guī)模最大的換熱器產(chǎn)業(yè)基地，特別是吉林四平地區(qū)在集中供熱、鋼鐵和電力行業(yè)板式換熱器市場領(lǐng)域具有較為明顯的優(yōu)勢；西北地區(qū)則以某肅蘭州為中心，依托蘭州石油機械研究所和蘭石集團的研發(fā)和生產(chǎn)力量，形成了較強的換熱器產(chǎn)業(yè)，尤其是在石油化工和食品領(lǐng)域；《2011中國換熱器市場趨勢觀察研究預(yù)測報告》中數(shù)據(jù)表明：華北地區(qū)在原北京京海、天津換熱裝備總廠等原機械部換熱設(shè)備定點生產(chǎn)企業(yè)的基上，通過引入大量外資企業(yè)，獲得了較快的發(fā)展；華東地區(qū)依托其巨大的市場，在輕工食品領(lǐng)域的換熱器市場和面向石油化工的特殊材質(zhì)換熱器領(lǐng)域占據(jù)了重要地位?！?011中國換熱器市場趨勢觀察研究預(yù)測報告》分析：目前，我國換熱器產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模大概為420億人民幣。它是化工，煉油，動力，食品，輕工，原子能，制藥，機械，及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備。在化工廠中，換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%20%；在煉油廠中，約占總投資的35%40%?；谑?、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在未來一段時期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長。其它地區(qū)換熱器企業(yè)較少，比較知名的還有以佛山市潤石傳熱設(shè)備廠為龍頭企業(yè)的廣東佛山地區(qū)，該地區(qū)主要以板式換熱器為主。 按作用原理或傳熱方式分類 （1） 直接接觸式換熱器它又稱混合式換熱器，是利用冷，熱流體直接接觸，彼此混合進行換熱的換熱器。 （2） 蓄熱式換熱器這類換熱器又稱回熱式換熱器，是借助于固體構(gòu)成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。 （3） 間壁式換熱器這類換熱器又稱表面式換熱器，是利用間壁將進行熱交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。 [2]壓力容器材料的選取，材料費用占總成本的比例很大，一般超過30%。壓力容器用料多種多樣，有鋼，有金屬，非金屬，復(fù)合材料等，壓力容器用鋼的基本要求是有較高的強度，良好的塑性、韌性，良好的制造性能和與介質(zhì)兼容性。因此，%。磷能使高鋼的強度，使會增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。隨著冶煉水平的提高，%以內(nèi)。鋼材的力學性能主要的表征強度，韌性，塑性變形能力的判據(jù)，是近些設(shè)計時選材和強度計算的主要依據(jù)。如果鋼的韌性高，壓力容器所允許的臨界裂紋尺寸就越大，安全性也越高。為檢驗鋼板承受彎曲變形能力，一般應(yīng)根據(jù)鋼板的厚度，選用合適的彎心直徑，在常溫下做彎曲角度為180176。 換熱管 換熱管形式 ：除光管外，換熱管還可采用各種各樣的強化換熱管，如翅片管，螺旋槽管，螺紋管等。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬耗量減少，傳熱系數(shù)提高。此外還有一些非金屬材料，如石墨，陶瓷，聚四氟乙烯等。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。當流體腐蝕性較強時，管板應(yīng)采用不銹鋼，銅，鋁，鈦等耐腐蝕材料。當迅速停車或進氣溫度突然變化時，熱應(yīng)力往往會導(dǎo)致管板和換熱管在連接處發(fā)生破壞。管箱的結(jié)構(gòu)形式主要以換熱器是否需要清洗或管束是否需要分程等原因來決定。導(dǎo)流筒除可以減小流體停滯區(qū)，改善兩端流體的分布，增加換熱管的有效換熱長度，提高傳熱效率外，還起防沖擋板的作用，保護管束免受沖擊。圖3折流板的實體圖 弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時與橫向流過管束時的流速相近。若氣體中含有少量液體時，則在缺口朝上的折流板最低處開設(shè)通液口；若液體中含有少量氣體，則應(yīng)在缺口朝下的折流板最高處開通氣口。折流板上管孔與換熱管之間的間隙以及折流板與殼體內(nèi)壁之間的間隙應(yīng)合乎要求，間隙過大，泄漏嚴重，對傳熱不利，還易引起振動；間隙過小，安裝困難。為了消除這個弊病，宜采用多弓形折流板。為了解決傳統(tǒng)折流板換熱器中換熱管與折流板的切割破壞和流體誘導(dǎo)振動，并且強化傳熱提高傳熱效率，近年來開發(fā)了一種新型的管束支撐結(jié)構(gòu)—折流桿支撐結(jié)構(gòu)。支承桿的直徑等于或小于管子之間的間隙。① 旁路擋板 為了防止殼程邊緣介質(zhì)短路而降低傳熱效率，需增設(shè)旁路擋板，以迫使殼程流體通過管束與管程流體進行換熱。為此，在換熱器分程隔板槽背面兩管板之間設(shè)置兩端堵死的管子，即擋管。③ 中間擋板 在U形管式換熱器中，U形管束中心部分存在較大間隙，流體宜走短路而影響傳熱效率。（5）殼程分程根據(jù)工藝設(shè)計要求，或為增大殼程流體傳熱系數(shù)，也可將換熱器殼程分為多程結(jié)構(gòu)。圖4開孔補強形式① 補強圈補強 這是中低壓容器應(yīng)用最多的補強結(jié)構(gòu)，補強圈補強貼焊在殼體與接管連接處。由于接管的加厚部分正處于最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，故比補強圈更能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。缺點是鍛件供應(yīng)困難，制造成本較高，所以只在重要壓力容器中應(yīng)用，如核容器，材料屈服點在500MPa,以上的開孔及受低溫，高溫，疲勞載荷容器的大直徑開孔等。設(shè)計時，對于不同的使用場合和載荷性質(zhì)可采用不同的設(shè)計方法。 等面積補強準則的優(yōu)點是有長期的實踐經(jīng)驗，簡單易行，當開孔較大時，只要對開孔尺寸和形狀等予以一定的配套限制，在一般壓力容器使用條件下能夠保證安全，因此不少國家的容器設(shè)計規(guī)范主要采用該方法，如ASMEⅧ1和GB150等。這些因素相當于對殼體進行了局部加強，降低了薄膜應(yīng)力從而也降低了開孔出的最大應(yīng)力。 螺栓法蘭連接主要由法蘭，螺栓和墊片組成，螺栓作用有兩個：一是提供預(yù)緊力實現(xiàn)初始密封，并承擔內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力；二是使螺栓法蘭連接變成可拆連接。螺栓法蘭連接設(shè)計的一般目的是：對于已知的墊片特性，確定安全，經(jīng)濟的法蘭和螺栓尺寸，使接頭的泄漏率在工藝和環(huán)境允許范圍內(nèi)，使接頭內(nèi)的應(yīng)力在材料允許范圍內(nèi)，即確保密封性和結(jié)構(gòu)完整性。界面泄漏時密封失效的主要途徑。(1)焊接接頭形式焊縫系指焊件經(jīng)焊接所形成的結(jié)合部分，而焊接接頭時焊縫，熔合線和熱影響區(qū)的總稱。② 角接接頭和T型接頭 系兩個相互連接零件在接頭處的中間相互垂直或相交成某一角度進行焊接的接頭。但是在容器的某些特殊部位，由于結(jié)構(gòu)的限制，不得不采用這種焊接結(jié)構(gòu)，如接管，法蘭，夾套，管板和凸緣的焊接，多為角接接頭或T型接頭。(2)坡口形式為了保證全熔透和焊接質(zhì)量，減少焊接變形，施焊前，一般需將焊件連接處預(yù)先加工成各種形式，稱為焊接坡口。(3) 壓力容器焊接接頭分類為了對不同類別的焊接接頭對口錯邊量，熱處理，無損檢測，焊縫尺寸等方面有針對性的提出不同的要求，GB150根據(jù)焊接接頭在容器上的位置，即根據(jù)該焊接接頭所連接兩元件的結(jié)構(gòu)類型以及由此而確定的應(yīng)力水平，把壓力容器中受壓部位的焊接接頭分成A，B，C，D四類圖6 焊接接頭分類示意圖圓筒部分的縱向接頭，球形封頭與圓筒連接的環(huán)向接頭，各類凸形封頭中的所有焊接接頭以及嵌入式接管與殼體對接連接的接頭，均屬Ａ類接頭。接管，人孔，凸緣，補強圈等于殼體連接的接頭，均屬Ｄ類焊接接頭，但已規(guī)定為A，B類的焊接接頭除外。 （2）依據(jù)毛坯的厚度與毛坯直徑D。 管箱的筒體，殼體的筒體以及浮頭箱的筒體都是在卷板機上彎卷而成的。常用的卷板機有三輥卷板機、四輥卷板機和立式卷板機。在浮頭端上鉤圈法蘭和蝶形蓋，（鉤圈法蘭由兩個半圓形構(gòu)成，使其安裝方便）用雙頭螺柱連接。 換熱設(shè)備中換熱管與管板連接換熱管與管板連接時管殼式換熱器設(shè)計，制造最關(guān)鍵的技術(shù)之一，是換熱器事故率最多的部位。常用的脹接有非均勻脹接和均勻脹接兩大類。 液壓脹接與液袋脹接的基本原理相同，都是利用液體壓力使換熱管產(chǎn)生塑性變形。由于管孔不需要退火和磨光，因此結(jié)構(gòu)簡單。 當換熱管與管板連接處的焊接之后，管板與管子中存在的殘余熱應(yīng)力與應(yīng)力集中，在運行時可能引起應(yīng)力腐蝕與疲勞。 (c) 脹焊并用 脹接與焊接方法都有各自的優(yōu)點和缺點，在有些情況下，例如高溫，高壓換熱器管子與管板的連接處，在操作中受到反復(fù)熱變形，熱沖擊，腐蝕及介質(zhì)壓力的作用，工作環(huán)境極其苛刻，很容易發(fā)生破壞。 脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動或疲勞載荷；有間隙腐蝕；需采用復(fù)合管板等的場合。換熱器一般進行水壓試驗，但由于結(jié)構(gòu)或支撐原因，不能充灌液體或運行條件不允許殘留試驗液體時，可采用氣壓試驗。﹙2170﹚ = mm 設(shè)計厚度 =＋3 = mm 名義厚度 =7 mm 有鋼材標準規(guī)格，可取δn=8 mm 有效厚度 =803 =5 mm .管箱短節(jié)的計算 計算條件計算壓力 Pc= MPa 設(shè)計溫度 t=60℃ 內(nèi)徑 Di=500 mm 選用的材料 16MnR 鋼板負偏差 C1=0 鋼板的腐蝕裕量 C2=3 mm 操作溫度下的許用應(yīng)力 []=170 MPa 設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力 []t=170 MPa 試驗溫度下的屈服點 =345 MPa 焊接系數(shù) φ= 厚度計算 計算厚度 = =500247。﹙2170﹚ = 設(shè)計厚度 =＋3 = mm 名義厚度 =7 mm有鋼材標準規(guī)格，可取δn=8 mm 有效厚度 =803 =5 mm 管板的設(shè)計 計算條件設(shè)計溫度 t=60℃殼程設(shè)計壓力Ps= MPa 管程設(shè)計壓力 Pt= MPa選用的材料 16MnR 鋼板負偏差 C1=0 鋼板的腐蝕裕量 C2=3 mm 操作溫度下的許用應(yīng)力 []=170 MPa 設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力 []t=170 MPa 試驗溫度下的屈服點 =345 MPa 焊接系數(shù) φ=1 符號說明 Ad未能被換熱管支承的面積，mm2 A1管板布管區(qū)內(nèi)開孔后的面積，mm2 At管板布管區(qū)面積，mm2 a一根換熱管管壁金屬的橫截面積，mm2 DG固定端管板墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm d換熱管直徑，mm Ep設(shè)計溫度時管板材料彈性模量，MPa Et設(shè)計溫度下時換熱管材料的彈性模量，MPa Kt管束模數(shù)，MPa K1t管束無量綱剛度 L換熱管有效長度 l換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，mm n換熱管根數(shù) Pa1無量綱壓力 Pc當量壓力組合，MPa Pd管板設(shè)計壓力，MPa Ps殼程設(shè)計壓力，MPa Pt管程設(shè)計壓力，MPa q換熱管與管板連接拉脫力，MPa [q]需用拉脫力，MPa S換熱管中心距，mm δ管板計算厚度，mm δt換熱管管壁厚度，mm η管板剛度削弱系數(shù) μ管板強度削弱系數(shù) σt換熱管軸向應(yīng)力，MPa [σ]cr換熱管穩(wěn)定需用應(yīng)力，MPa [σ]rt設(shè)計溫度時，管板材料的許用應(yīng)力，MPa [σ]tt設(shè)計溫度時，換熱管材料的許用應(yīng)力，MPa 管板厚度的計算 n＇=17, S =32, Sn=44 =1732﹙4432﹚ =65