【文章內(nèi)容簡介】 熱溫差是強(qiáng)化傳熱的三種途徑，其中提高傳熱系數(shù)是當(dāng)今強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn)。 20 世紀(jì)到 80 年代以來，換熱器技術(shù)飛速發(fā)展，帶來了能源利用率的提高。各種新型、高效換熱器的相繼開發(fā)與應(yīng)用帶來了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益，市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、私有化比例加大，降低成本已成為企業(yè)追求的最終目標(biāo)。因此節(jié)能設(shè)備的研究與開發(fā)備受矚目。能源的日趨緊張、全球 環(huán)境氣溫的不斷升高、環(huán)境保護(hù)要求的提高給換熱器及空冷式換熱器及高溫、高壓換熱器帶來了日益廣闊的應(yīng)用前景。 換熱設(shè)備的應(yīng)用 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。換熱器是化工、石油、鋼鐵、汽車、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。尤其在化工生產(chǎn)中，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用甚為廣泛。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、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要 功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 9 是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。 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，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 二十世紀(jì) 20 年代出現(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)動機(jī)的散熱。 30 年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，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，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。 60 年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自 60 年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。 70 年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 10 2 U 形管換熱器各部分的設(shè)計說明 U 形 管換熱器的介紹 圖 .U 形管式換熱器 U 形管式換熱器的換熱管呈“ U”形。 U 形 管式換熱器一束管子被彎制成不同曲率半徑的 U 形 管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束管板夾持在管箱法蘭與殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱即可直接將管束抽出，便于清洗管間。管束的U 形端不加固定，可自由伸縮，故它適用于兩流體溫差較大的場合；又因其構(gòu)造較浮頭式換熱器簡單，只有一塊管板，單位傳熱面積的金屬消耗 量少，造價較低，也適用于高壓流體的換熱。相同直徑的殼體內(nèi)， U 形管的排列數(shù)目較直管少，相應(yīng)的傳熱面積也較校雙重管式換熱器將一組管子插入另一組相應(yīng)的管子中而構(gòu)成的換熱器。管程流體從管箱進(jìn)口管流入，通過內(nèi)插管到達(dá)外套管的底部，然后返向，通過內(nèi)插管和外套管之間的環(huán)形空間，最后從管箱出口管流出。其特點(diǎn)是內(nèi)插管與外套管之間沒有約束，可自由伸縮。當(dāng)殼體與 U 形管有溫差時，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，它適用于溫差很大的兩流體換熱。但管程流體的阻力較大，設(shè)備造價較高。 由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大 ，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當(dāng)管子泄露損壞時，只有管束外圍處的 U 形管便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根管相當(dāng)于壞兩根，報廢率較高。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 11 U 形管換熱器結(jié)構(gòu)比較簡單、價格便宜，承壓能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內(nèi)清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。 因為 U 形管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡單，造價也比其他換熱器便宜承壓能力強(qiáng)。管束可以從殼體中抽出，管外便于清洗，但管內(nèi)清洗困難，所 以管內(nèi)的介質(zhì)必須是清潔且不易結(jié)垢的物料。由于換熱管的結(jié)構(gòu)形式關(guān)系，管子的更換除外側(cè)一層外，內(nèi)部管子大部分不能更換管束中心部分存在空隙，所以流體易走短路，影響傳熱效果。而且管板上排列的管子較少，結(jié)構(gòu)不緊湊， U 形管的彎管部分曲率不同，管子長度不一，因而物料分布不如固定管板式換熱器均勻。但也正因為 U 形管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，管束的兩端固定在同一塊管板上，管束可自由伸縮與殼體之間不存在溫差應(yīng)力。因此， U 形管換熱器常在高溫高壓的場合大量使用。 結(jié)構(gòu)的選擇與論證 由于各種工藝和結(jié)構(gòu)要求，不可避免地要在容器上開孔并 安裝接管，開孔后，除減小器壁的強(qiáng)度外，還會在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器的安全操作帶來隱患。因此，壓力容器的設(shè)計必須充分考慮開孔的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計。 開孔應(yīng)力集中的程度與孔的形狀有關(guān)，圓孔應(yīng)力集中程度最低。為了降低峰值應(yīng)力需要在開孔邊緣補(bǔ)強(qiáng)，即用在開孔邊緣附近增加截面的方法，來提高抗應(yīng)力程度。 等面積補(bǔ)強(qiáng)法規(guī)定，在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，補(bǔ)強(qiáng)的金屬截面積等于大于開孔的所削弱的殼體面積。它是以補(bǔ)強(qiáng)后殼體的平均抗應(yīng)力程度不至于變小為出發(fā)點(diǎn)的。這種方法沿用已久，對于塑性比較好的材料也比較安 全可靠。為減小計算長度 L，而大大提高容器的臨界壓力，用增設(shè)加強(qiáng)圈往往比用大容器壁厚的方法增大剛度更為經(jīng)濟(jì)。扁鋼截面慣性距較大，力學(xué)性能較好。因此，選用扁鋼加強(qiáng)圈。由于補(bǔ)強(qiáng)圈遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 12 的焊接結(jié)構(gòu)會引起較大局部應(yīng)力，同時高強(qiáng)度鋼容易產(chǎn)生焊接裂紋，故超越標(biāo)準(zhǔn)范圍時采用補(bǔ)強(qiáng)管結(jié)構(gòu)，即在開孔處焊一厚壁短管，在采用全焊透結(jié)構(gòu) 筒體的設(shè)計 筒體的作用是提供工藝所需的承壓空間，是壓力容器最主要的受壓元件之一，器內(nèi)直徑和容積往往需由工藝計算確定。 筒體直徑較?。ㄒ话阈∮?500mm）時，圓筒可用無縫鋼管制作，此時筒體上沒有 縱焊縫；直徑較大時，可用鋼板在卷板機(jī)上卷成圓筒或用鋼板在水壓機(jī)上壓制成兩個半圓筒，再用焊縫將兩者連接在一起，形成整圓筒。 換熱器的筒體可以用鋼板卷制，也可以用無縫鋼管制作，通常以 400mm 為界。筒體直徑小于等于 400mm，常用鋼管作為筒體，公稱直徑以內(nèi)徑為基準(zhǔn)。碳鋼和低合金鋼作為筒體必須是無縫鋼管，奧氏體不銹鋼管作為筒體可以使用無縫鋼管，也可以是符合要求的有縫鋼管。 表 公稱直徑（ mm） 400~700 700~1000 1000~1500 1500~2020 2020~2600 浮頭式 8 10 12 14 16 U形管式 固定管板式 6 8 10 12 14 注：表中數(shù)據(jù)包括厚度附加量 C2（按 3mm考慮） 因此：選材：按 GB1501998 選定圓筒的材料為 RMn16 。 長度：由換熱管長度而定。 厚度：由 中 規(guī)定碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應(yīng)不小于 上 表的規(guī)定。 封頭的設(shè)計 1) 為了避免應(yīng)力集中，封頭各種不相交的拼接焊縫中心線 間距離 至少應(yīng)為鋼遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 13 板名義厚度的 3 倍，且不小于 100mm。封頭有成形的瓣片和頂圓板拼接 制成時，焊縫方向只允許是徑向和環(huán)向的，徑向焊縫接頭之間的最小距離也應(yīng)小于 100mm。 2) 先拼板成形后的封頭拼接焊縫，在成形前應(yīng)打磨至母材齊平， 100%壓制成形后進(jìn)行射線檢測。 3) 沖壓成形后的封頭，其最小厚度不應(yīng)小于鋼板名義厚度減去鋼板的負(fù)偏差。 4) 封頭直邊部分的縱向皺褶深度應(yīng)小于 。 由 GB150 選取封頭材料為 RMn16 參照《壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯編》選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓 封頭。 圖 封頭結(jié)構(gòu)示意圖 封頭管箱的設(shè)計 本設(shè)計中 封頭管箱為組合件，選取一個橢圓封 頭、短節(jié)、中間隔板以及接管法蘭組成。 由 GB1501998 第五章選擇：橢圓封頭材料： RMn16 。短節(jié)材料： RMn16 。 接管的設(shè)計 接管的一般要求： 1) 接管宜與殼體內(nèi)表面平齊； 2) 接管應(yīng)盡量沿?fù)Q熱器的徑向或軸向設(shè)置； 3) 設(shè)計溫度高于或等于 300℃，應(yīng)采用對焊法蘭； 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 14 4) 必要時應(yīng)設(shè)置溫度計接口，壓力表接口及液面計接口； 5) 對于不能利用接管進(jìn)行放氣、排液的換熱器應(yīng)在管程和殼程的最高點(diǎn)設(shè)置放氣口，最低點(diǎn)設(shè)置排液口，其最小公稱直徑為 20mm； 6) 立式換熱器可設(shè)置溢流口。 圖 U形管簡圖 U 形管的結(jié)構(gòu)設(shè)計 對換熱管的尺寸精度要求與一般的液體輸送管線用管不同，因為在組裝管束時，換熱管必須穿過管板及折流板，所以對其外徑有一定尺寸精度要求，否則會給裝備工作帶來困難。 GB151 規(guī)定，對于碳鋼和低合金鋼的換熱管，按其尺寸要求精度要求分成Ⅰ級管束和Ⅱ級管束。Ⅰ級管束采用較高級或高級精度冷拔鋼，Ⅱ級管束采用普通級冷拔鋼。在換熱管材料訂貨時，應(yīng)注意精度等級問題。奧氏體不銹鋼材質(zhì)的換熱器均采用高精度管，管束均為Ⅰ級。 U 形管彎管管段的彎曲半徑 U 形管彎管管段的彎曲半徑 R 應(yīng)不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑 Rmin可按 GB151 中 表 11 選取。 表 換熱管外徑 mm 10 12 14 16 19 20 22 25 32 35 45 50 55 Rmin mm 20 24 30 32 40 45 50 60 66 70 76 90 100 布管 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 15 換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形。正三角形和轉(zhuǎn)角三角形、轉(zhuǎn)角正方形。正三角形排列形式可以再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。為了便于管外清洗方便，本換熱器設(shè)計采用了轉(zhuǎn)角正方形排管的管束，其圖如下。 （ a）正三角形 （ b）轉(zhuǎn)角正三角形 （ c）正方形 （ d）轉(zhuǎn)角正方形 圖 管束的排列 本設(shè)計中選用換熱管的排布方式為按