【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體速度，可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分為若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管 束中往返多次，這稱為多管程；同樣。為提高管外流速，也可以在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可以配合使用。 由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩流體溫度相差較大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過 50℃時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可以分為以下幾種主要類型： 1） 固定管板式 固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大 時(shí)，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，（或膨脹節(jié)）。 其結(jié)構(gòu)如圖 當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。 2） U 形管式 U 形管式換熱器每根管子均彎成 U 形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。 3） 浮頭式 換熱器兩端的管板，一端不與殼 體相連，該端稱浮頭。管子受熱時(shí)，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。 4）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，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。管程流體（ B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，然后返回，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)第二章 換熱器介紹 5 是內(nèi)插管與外套管之間沒有約束，可自由伸縮。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(jià)較高。 1盤環(huán)形折流板環(huán)板； 2盤環(huán)形折流板盤板； 3縱向隔板； 4換熱管； 5管箱； 6分程隔板； 7定距管； 8拉桿 圖 雙殼程 U型管殼式換熱器 ５）填料函式換熱器：圖 為填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)。管束一端與殼體之間用填料密封，管束的另一端管板與浮頭式換熱器同樣夾持在管箱法蘭和殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱、填料壓蓋等有關(guān)零件后，可將管束抽出殼體外，便于清洗管間。管束可自由伸縮，具有與浮頭式換熱器相同的優(yōu)點(diǎn)。由于減少了殼體大蓋，它的結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，造價(jià)也較低，但填料處容易泄漏，工作 壓力與溫度受一定限制，直徑也不宜過大。 圖 填料函式換熱器廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：蒸餾塔冷凝器的機(jī)械設(shè)計(jì) 6 第 三 章 換熱器 設(shè)計(jì)主要參數(shù)與材料選擇 設(shè)計(jì)條件 表 換熱器初始條件 殼程 管程 程數(shù) 1 2 介質(zhì) MTBE 循環(huán)水 工作壓力 MPa 設(shè)計(jì)壓力 MPa 設(shè)計(jì)溫度 C0 83 60 入口溫度 C0 63 33 出口溫度 C0 54 40 焊縫系數(shù) ? = 換熱面積 2m 0F =217 換熱器 材料選擇 壓力容器用鋼的基本要求是有較高的強(qiáng)度，良好的塑性、韌性、制造性能和與介質(zhì)相容性。改善鋼材性能的途徑主要有 化學(xué)成分的設(shè)計(jì)、組織結(jié)構(gòu)的改變和零件表面改性。 鋼板 Q345R 是普通低合金鋼 ,是鍋爐壓力容器常用鋼材， 使用狀態(tài)為 ：熱軋 、控軋 或正火。磷、硫含量略低于低合金高強(qiáng)度鋼板 Q345 鋼，除抗拉強(qiáng)度、延伸率要求比 Q345R鋼有所提高外，還要求保證沖擊韌性 ，對(duì)鋼材的表面缺陷和內(nèi)部缺陷要求比較較高 。它是目前我國用途最廣、用量最大的壓力容器專用鋼板。 可用于容器殼體材料中。本設(shè)計(jì)中選用 Q345R 作為殼體、管箱、管板的材料。 Q235B 有一定的伸長率、強(qiáng)度，良好的韌性和鑄造性，易于沖壓和焊接，廣泛用于一般機(jī)械零件的 制造。主要用于建筑、橋梁工程上質(zhì)量要求較高的焊接結(jié)構(gòu)件 。本設(shè)計(jì)選用 Q235B 作為分程隔板、擋板、折流板的材料。 鋼管 10 號(hào)鋼塑性、韌性很好，易冷熱加工成形，正火或冷加工后切削加工性能好， 此鋼第三章 換熱器設(shè)計(jì)主要參數(shù)與材料選擇 7 的可焊性非常好，可以用任何方法進(jìn)行焊接，焊前和焊后不必進(jìn)行熱處理， 無回火脆性，淬透性和淬硬性均差。 但此鋼用不宜用于要求高強(qiáng)度的環(huán)境，只適用于 要求受力不大、韌性高的零件 中， 可用作冷軋、冷沖、冷鐓、冷彎、熱軋等工藝成形，也可用作心部強(qiáng)度不高的滲碳件、碳氮共滲件等。 本設(shè)計(jì)選用 10 號(hào)鋼作為換熱管的材料。 螺柱和螺母 30CrMoA 鋼是一種 CrMo 系列合金結(jié)構(gòu)鋼，在淬火及低溫回火后或淬火及高溫回火后都具有很好的綜合力學(xué)性能，只有回火溫度高于 530℃時(shí)強(qiáng)度才明顯降低。 30CrMoA鋼調(diào)質(zhì)后，在高溫（低于 550℃）條件下也有較高的強(qiáng)度，鋼的低溫韌性良好。 35CrMoA 也是中淬透性鋼的一種，常用于代替 40CrNi 制大截面齒輪與軸，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子， 480℃以下工件的緊固件。 本次設(shè)計(jì)螺柱與螺母選擇的材料是： 30CrMoA， 35CrMoA 法蘭 高壓容器的平蓋、端部法蘭、中（低）壓設(shè) 備的法蘭及接管法蘭等常用鍛件制成。根據(jù)鍛件檢測(cè)項(xiàng)目和數(shù)量的不同，中國壓力容器鍛件標(biāo)準(zhǔn)將鍛件分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)級(jí)別。鍛件通常所用的鋼材有 Q235R、 Q235F、 16Mn、 20 等。 法蘭材料的選取通常與換熱器殼體材料一致。通常所用的鋼材有 Q23 Q235F、16Mn、 15MnV、 20 等。 因法蘭是在主要的受力元件之一，故需有較高的強(qiáng)度，故選擇低合金鋼 16Mn 鍛件，它的特點(diǎn)是：高的強(qiáng)度和屈服比，高韌度，良好的焊接性能和冷、熱加工性能，一定的腐蝕性能。 容器法蘭墊片 墊片可用材料有橡膠墊片、石棉橡 膠板墊片、聚四氟乙烯墊片、柔性石墨復(fù)合墊、纏繞墊、金屬包裹墊、金屬環(huán)墊等。本設(shè)計(jì)中殼程介質(zhì)原料油粘度大、具有易燃的特性，要求法蘭與墊片之間具有較好的密封性能。根據(jù) HG2061497鋼制管法蘭、墊片、緊固件選配規(guī)定，選用纏繞墊片，墊片材料選用柔性石墨作為填充帶材料，根據(jù) GB /T 47052021 選用 06Cr19Ni10 作為加強(qiáng)環(huán)材料。 拉桿、定距管 拉桿要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性，距管要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性，考慮到設(shè)計(jì)要求，拉桿選材為 Q235B，定距管選材為 10鋼。 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。故選用低合金鋼 Q235B。廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：蒸餾塔冷凝器的機(jī)械設(shè)計(jì) 8 第 四 章 換熱器結(jié)構(gòu) 型式 選擇 換熱器結(jié)構(gòu)型式的選擇 本設(shè)計(jì)的換熱器結(jié)構(gòu)形式選擇浮頭式換熱器。浮頭式換熱器的特點(diǎn)：換熱器中的一塊管板通過螺栓夾緊在殼體法蘭和管箱法蘭之間，另一塊管板能沿軸向自由移動(dòng)，當(dāng)管束與殼體受熱伸長不等時(shí)，兩者互不牽制，因而不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，管束可以抽出便于清洗管子內(nèi)外表面的污垢。浮頭部分由浮頭管板、溝圈和浮頭端蓋組成，為可拆結(jié)構(gòu)，便于制造、安裝和檢修，但浮頭端蓋部件在操作中無法檢查，所以在制 造和安裝時(shí)要特別注意它的密封性能，以免發(fā)生內(nèi)漏。浮頭式換熱器整個(gè)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，金屬耗費(fèi)量大，造價(jià)比固定管板式高 20%左右。但由于具備上述特點(diǎn)，適用于管、殼壁溫差較大和介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗的場(chǎng)合，因此石油化工系統(tǒng)裝置中有大量的應(yīng)用。 前端管箱 1） A 型（平蓋管箱） 前端管箱形式中 A，裝有管箱平蓋（或稱盲板），清洗管程時(shí)只要拆開盲板即可，而不必拆卸整個(gè)管箱和與管箱相連的管路，缺點(diǎn)是盲板結(jié)構(gòu)用材多，且尺寸較大時(shí)得用鍛件，耗費(fèi)大量機(jī)加工工時(shí)，提高制造成本，增加一道密封的泄漏可能。一般多用于 DN900mm 的浮頭式換熱器中。 2） B 型封頭管箱型。用于單程或多程管箱，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，適于高壓，清潔介質(zhì)，可省掉一塊造價(jià)高的盲板、法蘭和幾十對(duì)螺栓，且橢圓封頭受力情況要比平端蓋好得多，缺點(diǎn)是檢查管子和清洗管程時(shí)必須拆下連接管道和管箱，但這種形式用的最多。 本設(shè)計(jì)在考慮了操作的方便，且考慮 B 型管箱的優(yōu)點(diǎn)以及公稱直徑大小后選取 B,型封頭管箱型為前端管箱。 第四章 換熱器結(jié)構(gòu)型式選擇 9 圖 前端管箱 管束分程和分程隔板的布置 管束分程 在設(shè)計(jì)中，若采用多管程，則需要在管箱中安裝分程隔板 。分程時(shí)，應(yīng)使各程管子數(shù)目大致相等，隔板形式要簡(jiǎn)單，密封長度要短。為使制造、維修和操作方便，一般采用偶數(shù)管程。程數(shù)不宜過多，隨著程數(shù)的增加，換熱器的傳熱效率下降且與錯(cuò)流傳熱接近。本設(shè)計(jì)按照題目要求設(shè)計(jì)管程為 2，其中管束分程方法常采用平行方式。 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。在設(shè)計(jì)時(shí)要求管箱隔板的密封面與管箱法蘭密封面，管板密封面與分程槽面必須處于同一基面，本設(shè)計(jì)管程隔板形式采用上圖中 最常用的結(jié)構(gòu)形式（ a），如圖 。 圖 分程隔板 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：蒸餾塔冷凝器的機(jī)械設(shè)計(jì) 10 換熱管 換熱管的長度 根據(jù) 《熱交換器》 GB/T1512021 規(guī)定，換熱管的長度推薦采用： 、 、 、 、 、 、 、 、 。本設(shè)計(jì)中選取換熱管長度為 。 規(guī)格及尺寸偏差 本設(shè)計(jì)中換熱管采用 10號(hào)鋼材料，根據(jù)《鋼制管殼式換熱器》 GB1512021 規(guī)定，換熱管外徑的規(guī)格有 14mm、 16mm、 19mm、 25mm、 32mm、 38mm、 45mm、 57mm。由于走管程的介質(zhì)是輕柴油，黏度較小，選用較小的管徑，故本換熱器中選擇 ? 25? 規(guī)格的換熱管，由表 查得， 換熱管中心距為 32，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 44。 表 換熱管常用中心距 換熱管外徑 d 19 20 22 25 30 32 35 38 換熱管中心距 S 25 26 28 32 38 40 44 48 分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 Sn 38 40 42 44 50 52 56 60 Ⅰ級(jí)管束管束管板管孔直徑及允許偏差符合表 的規(guī)定： 表 Ⅰ級(jí)管束管束管板管孔直徑及允許偏差 換熱管外徑 14 16 19 25 32 38 45 57 管孔直徑 允許偏差 ? ? ? 因換熱器中選擇換熱管外徑為 25mm，則管孔直徑為 ，允許偏差為 +、 0。 布管 換熱管中心距一般不小于 倍的換熱管外徑，這是保證管間小橋在脹管時(shí)有足夠的強(qiáng)度。當(dāng)采用焊接方式時(shí)，管間距可以小一些。傳熱管在管板上的排列有四種基本形式，即正三角形，正四邊形，轉(zhuǎn)角正三角形、轉(zhuǎn)正四邊形。如下圖 所示： 第四章 換熱器結(jié)構(gòu)型式選擇 11 圖 布管排 列方式 三角形排列最為普遍，其在同一直徑管板面積上可排最多的換熱管數(shù)。其用于殼程介質(zhì)較清潔，換熱管外不需清洗。當(dāng)需對(duì)換熱管外清洗時(shí)，則需采用正方形排列，其最小清洗通道應(yīng)不小于 6 毫米。 對(duì)于正方形排列，在一定的管板面積上可排列的管數(shù)最少，但它易于清掃，故在易于生成污垢，需將管束抽出清洗的場(chǎng)合得到一定的應(yīng)用，浮頭式和填料函換熱器中采用這種排列較多。 本次設(shè)計(jì)的類型為浮頭式換熱器，綜合殼程介質(zhì)為原料油，需要定期對(duì)換熱管外清洗，故選用的布管方式為正方形排列。 根據(jù)任務(wù)書給的面積初算換熱管根數(shù)：0217 4700 . 0 2 5 6Sn dL??? ? ??? 因?yàn)閾Q熱器管程為 2，故取 472n? 布管限定圓 符號(hào)： b —— 其值按表 ， mm； b1 —— 見圖 ，其值按表 ， mm； b2 —— 見圖 ， 2 ??， mm； bn —— 墊片寬度，其值按表 ， mm； DL —— 布管限定圓直徑， mm； Di —— 圓筒內(nèi)直徑， mm； d —— 換熱管外 徑， mm； 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：蒸餾塔冷凝器的機(jī)械設(shè)計(jì) 12 圖 圖 表 表