【正文】 00% 單面焊 對接接頭 100% 局部 局部 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 10 本設(shè)計(jì)換熱器的焊接接頭形式為相當(dāng)于雙面焊的全熔透對接接頭，局部無損檢測，故 Ф 值為 。 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 8 設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)性廣、易于制造、處理能力大、生產(chǎn)成本較低、選用的材料范圍廣、換熱表面的清洗比較方便；設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量少；機(jī)械加工和制造安裝合理方便；檢修容易；設(shè)備的使用壽命長；有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；操作費(fèi)用低。用作蒸汽發(fā)生器時(shí)，對蒸汽品質(zhì)要求不高。 殼程內(nèi)一般可按工藝要求設(shè)置折流板和縱向隔板等。但換熱管內(nèi)清洗困難，所以換熱管內(nèi)的介質(zhì)必須是清潔且不易結(jié)垢的物料。在熱膨脹之差較大時(shí)，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。維修時(shí)可只更換管束，適用于管、殼程溫差大但工作壓力不超過 10MPa的工況。在工程設(shè)計(jì)中，按工藝特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足工藝上的需要。換熱器的結(jié)構(gòu)決定了換熱器的性能，一種性能能否發(fā)揮作用取決于設(shè)計(jì)者如何選擇合理結(jié)構(gòu)，任何一個(gè)場第一章 緒論 3 合都有適應(yīng)于這個(gè)場合特點(diǎn)的換熱結(jié)構(gòu)。 按強(qiáng)化傳熱元件分 類 分為螺紋管換熱器、波紋管換熱器、異型管換熱器、表面多孔管換熱器、螺旋扁管換熱器、螺旋槽管換熱器、環(huán)槽管換熱器、縱槽管換熱器、翅管換熱螺旋繞管式換熱器、T形翅片管換熱器、新結(jié)構(gòu)器、內(nèi)插物換熱器、鋸齒管換熱器。與各種換熱器相比，主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積較大以及傳熱效果較好；此外，結(jié)構(gòu)簡單，操作彈性也較大等，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用管殼式換熱器。換熱器的分類比較廣泛：反應(yīng)釜 壓力容器 冷凝器 反應(yīng)鍋 螺旋板式換熱器 波紋管換熱器 列管換熱器 板式換熱器 螺旋板換熱器 管殼式換熱器 容積式換熱器 浮頭式換熱器 管式換熱器 熱管換熱器 汽水換熱器 換熱機(jī)組 石墨換熱器 空氣換熱器 鈦換熱器 換熱設(shè)備，要求制造換熱器的材料具有抗強(qiáng)腐蝕 性能。 換熱器的應(yīng)用 換熱器在工、農(nóng)業(yè)的各領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，在日常生活中傳熱設(shè)備也隨處可見，是不可缺少的工藝設(shè)備之一。金屬又可分為低合金鋼、高合金鋼、低溫鋼、稀有金屬等。 2） 蓄能式換熱器（簡稱蓄能器）這類換熱器用量極少，原理是通過一種固體物質(zhì)，熱介質(zhì)先通過加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過固體物質(zhì)被加熱，使之達(dá)到傳遞熱量的目的。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須考慮諸多因素 ，如：材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等。根據(jù)介質(zhì)的種類、壓力、溫度、污垢和其它條件，管板與殼體的連接方式，換熱管的形式與傳熱條件，造價(jià)，維修檢查方便等情況，根據(jù)各種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)來選擇設(shè)計(jì)制造各種管殼式換熱器。 缺點(diǎn)： 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 4 ① 小浮頭易發(fā)生內(nèi)漏； ② 金屬材料耗量大，成本高 20%； ③ 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 第一章 緒論 5 防沖板 拉桿 弓形折流板 分流割板 旁路擋板 帶法蘭管板 換熱管 殼體 圖 固定管板式換熱器 形管換熱器 U 形管換熱器（見圖 ）是由管箱、殼體、管束等零部件組成。而且管板上排列的換熱管較少，結(jié)構(gòu)不緊湊。 其優(yōu)點(diǎn)是： ① 管束可抽出來機(jī)械清洗； ② 殼體與管壁不受溫差限制； ③ 可在高溫、 高壓下工作，一般適用于溫度，壓力 （ 10MPa） ； ④ 可用于殼程結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合； ⑤ 可用于管程易腐蝕場合。另外，設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆，確保檢修和更換零件的便利。 根據(jù)設(shè) 計(jì)任務(wù)書可知，該設(shè)計(jì) 是浮頭式換熱器，用于 軟化水 和 汽油 之間的換熱，其中管程和殼程的設(shè)計(jì)壓力 分別 為 和 MPa。 （ 1）腐蝕裕度 腐蝕裕度主要是防止容器受壓元件由于均勻腐蝕、機(jī)械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄。因此，合理選材是壓力容器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。即使同一構(gòu)件，不同的零件要求的性能也不同，有時(shí)同一個(gè)部件的不同部位所要求的性能也不同。選材的經(jīng)濟(jì)性不只是選用材料的價(jià)格，還要考慮構(gòu)件生產(chǎn)的總成本，把材料費(fèi)用同構(gòu)件加工制造、安裝、操作、檢驗(yàn)、維修、更換以及裝備壽命結(jié)合起來綜合考慮，進(jìn)行 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 12 總費(fèi)用的成本核算，提高性能價(jià)比。 故 殼 體、封頭和管箱的材料選 16MnR。 其中， 10 號鋼的強(qiáng)度和硬度較低，有良好的塑性和韌性，易模壓或擠壓成形，而20 號鋼的強(qiáng)度較 10 號鋼高，其塑性、韌性和焊接等工藝性能都很好，在 化工設(shè)備和壓第三章 主要構(gòu)件材質(zhì)的選擇 13 力容器中應(yīng)用很廣泛。 鞍座 鞍座是換熱器受載元件之一，要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性能。 （ 2） B 型封頭管箱型。為使制造、維修和操作方便，一般采用偶數(shù)管程。 規(guī)格及尺寸偏差 本設(shè)計(jì)換熱管采用 20 號碳鋼，根據(jù)《鋼制管殼式換熱器》 ??2 GB1511999 規(guī)定，可選取其 規(guī)格為 25 ?? ，外徑偏差為 177。 本 設(shè)計(jì)是兩管程換熱器， 基于多方面的考慮， 故 采用 正 三角 形排列 換熱管中心距 管板上兩傳熱管中心距離稱為管心距。脹接結(jié)構(gòu)制造簡單，管子的更換和修補(bǔ)容易，所以應(yīng)用較廣。 管板與殼體的連接 管板與殼體的連接形式，分為兩類：一是不可拆式的，如固定式管板換熱器，管板與殼體是用焊接連接；一是可拆式的，如 U形管式、浮頭式及填料函式和滑動管板式的換熱器，一般采用管板本身不直接與殼體焊接，而通過殼體上法蘭和管箱法蘭夾持固定，如下 圖示： 圖 管板與殼體的連接形式 考慮到本設(shè)計(jì)為浮頭式換熱器，管束要拆卸進(jìn)行清洗，使用可拆式管板，如上圖示， 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 20 選用 a 形連接方式。 拉桿、定距管、 防沖板、 擋板的選擇 拉桿的選擇 因換熱管外徑為 25mm，殼體公稱直徑為 800mm， 查 《鋼制管殼式換熱器》??2 GB1511999 中的表 43 和表 44 可知，拉桿直徑為 16mm，使用 6根拉桿。 管箱法蘭的選擇 就法蘭的承載能力而言，法蘭有 3種類型，即甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭和長頸對焊法蘭。通常由數(shù)塊鋼板焊接制成，如下圖示。 根據(jù) JB/T 4712 鞍式支座，其直徑范圍為 DN159～ 4000。 則實(shí)際傳熱面積： 20p 7 24 9 2 ????????? ）（）（ ?? (51) 而任務(wù)書給出的傳熱面積 S=160 m2 則傳熱面積裕度 ： %%100160 %100S SSH p ??????? (52) 傳熱面積裕度合適。包角重型帶墊板的 BI 型鞍式支座，其公稱直徑為800mm。 根據(jù)底板上螺栓孔形狀的不同，鞍座分成兩種型式，一種為固定鞍座，鞍座底板上開長圓形螺孔。排氣口和排液口的大小一般不小于 15f mm。防沖板最小厚度，碳鋼為 ，不銹鋼為 3mm。 常用的折流板和支持板的形式有弓形和圓盤 圓環(huán)形兩種，弓形折流板有單弓形、雙弓形和三 弓 形三種。強(qiáng)度焊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)，在高溫高壓下能保證連接處的緊密性和抗拉脫能力。 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 18 管子與管板的連接 換熱管與管板連接 是管殼式換熱器設(shè)計(jì)、制造最關(guān)鍵的技術(shù)之一，是換熱器事故率最多的部位。其用于殼程介質(zhì)較清潔，換熱管外不需清洗。 分程隔板的布置 在換熱器中，不論是管外還是管內(nèi)的流體，要提高它們的傳熱系數(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。 第四章 換熱器各部分零件結(jié)構(gòu)型式的選擇 15 圖 管箱形式 殼體 一般換熱器 上使用單程殼體 ，因此可以選取單程殼體，代號為 E 。 在換熱器選型時(shí)，考慮的因素是很多的，如材料、壓力、溫度差、壓力降、結(jié)垢的情況、流體的狀態(tài)、應(yīng)用方式、檢修和清理等。 接管 20 號鋼的焊接性能好，強(qiáng)度高，選用 20 號鋼就可滿足要求。 換熱管 換熱管屬于壓力管道，壓力管道對材料性能有以下要求： ① 足夠的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性。 碳鋼有一定的強(qiáng)度、良好的塑性、韌性和加工工藝性，特別是焊接性能良好，但強(qiáng)度較低，不如低合金鋼。 （ 3）從構(gòu)件使用性能要求提出對材料使用性能的要求。如在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。故鋼板厚度負(fù)偏差取 C1=0。 焊 接接頭 系數(shù) 通過焊接制成的容器，其焊縫中由于可能存在夾渣、未熔透、裂紋、氣孔等焊接缺陷，且在焊縫的熱影響區(qū)很容易形成粗大晶粒而使用材強(qiáng)度或塑性有所降低，因此焊縫往往成為容器強(qiáng)度比較薄弱的環(huán)節(jié)。 要想設(shè)計(jì)一臺既 滿足要求又經(jīng)濟(jì)合理的換熱器，不僅僅是必須嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和制造條件進(jìn)行簡單的常規(guī)設(shè)計(jì)，同時(shí)還必須要綜合考慮生產(chǎn)條件、安全要求和技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的合理等因素，這樣才能選擇一個(gè)最佳設(shè)計(jì)。 圖 填料函式換熱器 釜式重沸器 釜式重沸器（見圖 ）的殼體上部作為蒸汽空間，相當(dāng)于 1 塊理論塔盤，熱源由浮頭或 Ｕ 形管束提供，適用場合為管殼程溫差大，壓力不受限制，塔底空間較小，汽化率 30%~80%，重沸器工藝介質(zhì)的液相作為產(chǎn)品或用于分離，但要求高，安裝空間受限制。殼程里需要清洗的管束，則要求采用正方形排列，管程為偶數(shù)程。管束可以從殼體內(nèi)抽出，換熱管外壁便于清洗。它適用于管、殼程溫差不大或管、殼程溫差大，但壓力不高，殼程介質(zhì)干凈或雖結(jié)垢但通過化學(xué)清洗能清除的場合。它的最大的特點(diǎn)是管板一端的管束可以自由浮動，在使用過程中由溫差膨脹而不受殼體約束，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力，即其不受溫差應(yīng)力的困擾，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)浮頭密封困難，鍛件多，造價(jià)高。 對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。 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，在國民經(jīng)濟(jì)中起到非常重要的作用。 按結(jié)構(gòu)分類 分為浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、填料函換熱器、 U 形管式換熱器、蛇管式換熱器、雙殼程換熱器、單套管換熱器、多套管換熱器、外導(dǎo)流筒換熱器、折流桿式換熱器、熱管式換熱器、插管式換熱器、滑動管板式換熱器。這種換熱器的特點(diǎn)是易于制造，生產(chǎn)成本較低，選用的材料范圍廣 ，換熱表面的清洗比較方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理能力大，高溫和高壓下亦能應(yīng)用。在熱量交換中常有一些腐蝕性、氧化性很強(qiáng)的物料，因此，要求制造換熱器的材料具有抗強(qiáng)腐蝕性能。 因此換熱設(shè)備的研究備受世界各國政府及研究機(jī)構(gòu)的高度重視，在全世界第一次能源危機(jī)爆發(fā)以來 ,各國都在下大力量尋找新的能源及在節(jié)約能源上研究新途徑。 按傳熱種類分類 (1)無相變傳熱 一般分為加熱器和冷卻器。 3） 板、管式換熱器 這類換熱器用量非常大，占總量的 99%以上，原理是熱介質(zhì)通過金屬或非金屬將熱量傳遞給冷介質(zhì)的傳熱設(shè)備，這類換熱器是我們通常稱為管殼式、板式、板翅式或板殼式換熱器。 管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其它新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、操作彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在各工程中仍得到普遍使用。為了要使傳熱效率提高、能耗 下降，就必須了解管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 防沖板 擋板 浮頭管板 鉤圈 支耳 圖 浮頭式換熱器 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器（見 圖 ）是由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成。它是將換熱管彎成 U形，并將換熱管兩端固定在同一塊管板上，因此密封面較少。 U形管的彎管部分曲率不同，換熱管長度不一致，因而物料分布不如固定管板式換熱器均勻。 缺點(diǎn)： ① 在管子的 U形處易沖蝕，應(yīng)控制管內(nèi)流速； ② 管程不適用結(jié)垢較重的場合； 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 6 ③ 單管程換熱器不適用； ④ 不適用于內(nèi)導(dǎo)流筒，故死區(qū)較大。 設(shè)計(jì)必須安全可靠 一般來講 ,換熱器的失事 ,不僅僅使容器和設(shè)備本身遭到破壞 ,而往往會破壞周圍的其他設(shè)備及 建筑 ,甚至造成人身傷亡事故 ,而由于內(nèi)部介質(zhì)向外擴(kuò)散帶來的化學(xué)爆炸、著火燃燒或惡性中毒等連鎖反應(yīng)更會造成不可估量的災(zāi)難性破壞。 設(shè)計(jì)溫度 設(shè)計(jì)溫度指容器在正常工作情況下，設(shè)定元件可能達(dá)到的最高或最低溫度 ，它是指容器在正常情況下，設(shè)定元件的金屬溫度