【正文】 62 6 參考文獻 ...................................................... 63 謝 辭 ........................................................ 64 2 1 前言 換熱器 的概述 換熱設備的應用 許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設備。除此之外，還參閱相關的設計 手冊及大量的文獻，完成了一張總裝配圖和四張零件圖的繪制，還對一 篇外文進行了翻譯等工作。說明部分主要講述 了對各部分零件的制造工藝過程、零部件材料的選擇、及換熱器設備的發(fā)展趨勢，最后對換熱器的制造進行了檢驗和檢測。 在固定管板式換熱器設計過程中，嚴格按照 GB1501998《鋼制壓力容器》和GB1511999《 管殼式換熱器》等標準進行設計和計算。在目前大型化工及石油化工裝置中，采用各種換熱的組合，就能充分合理地利用各種等級的能 量，使產(chǎn)品的單位能耗降低，從而降低產(chǎn)品的成本已獲得好的經(jīng)濟效益 。 1 固定管板式換熱器 摘 要 換熱器是在工廠生產(chǎn)中最常見的過程設備之一， 是用于物料之間進行熱量傳遞的過程設備 ，使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備 。通過這種設備使物料能達到指定的溫度以滿足工藝的要求。在化工廠中，換熱器所占比例也有了明顯提高，成為最重要的單元設備之一。 本設計過程中，包 括了三個部分：說明計算部分、繪圖部分、翻譯部分。計算部分主要是對筒體、封頭、管板和管板與換熱管連接進行了校核，并且對筒體和封頭進行了水壓試驗和強度校核。 關鍵詞 ： 固定管板式換熱器， 校核。在化工廠中，換熱設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%。此外，換熱設備也是回收余熱，廢熱特別是低位熱能的有效裝置。 換熱器設備的分類 按作用原理或傳熱方式分類 (1) 直接接觸式換熱器 這類換熱器又稱混合式換熱器，它是利用冷，熱流體直接接觸，彼此混合進行換熱的換熱器。為增加兩流體的接觸面積，以達到充分換熱，在設備中常 放置填料和柵板，通常采用塔狀結構 (2) 蓄熱式換熱器 這類換熱器又稱回熱式換熱器，它是借助于固體構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。由于兩種流體交替與蓄熱體接觸，因此不可避免地會使兩種流體少量混合。 (3) 間壁式換熱器 這類換熱器又稱表面式換熱器。間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣，如常見的管殼式換熱器和板式換熱器都屬于間壁式換熱器。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。蛇管式換熱器一般由金屬或非金屬管子，按需要彎曲成所需的形狀，如圓盤形，螺旋形和長的蛇行等。按使用狀態(tài)不同，蛇管式換熱器又可分為沉浸式蛇管和噴淋式蛇管兩種。兩 4 種流體都可以在較高的溫度，壓力，流速下進行換熱 。管殼式換熱器是目前應用最為廣泛的換熱設備。為了增加流體在管外空間的流速并支撐管子，改善傳熱性能，在筒體內間隔安裝多塊折流板，用拉桿和頂距管將其與管子組裝在一起。纏繞管式換熱器是芯筒與外筒之間的空間內將傳熱管按螺旋閑形狀交替纏繞而成，相鄰兩成螺旋狀傳熱管的螺旋方向相反，采用一定形狀的定距管使之保持一定的距離。管內可以通過一種介質，稱通道型纏繞管式換熱器；也可分別通過幾種不同的介質，而每種介質所通過的傳熱管均匯集在各自的管板上，構成多通道型纏繞管式換熱器。 (2) 板面式換熱器 這類換熱器都 是通過板面進行傳熱的換熱器。板面式換熱器的傳熱性能要比管式換熱器優(yōu)越，由于結構上的特點，使流體能在較低的速度下就達到湍流狀態(tài)，從而強化了傳熱。 (3) 其他形式換熱器 這類換熱器是指一些具有特殊結構的換熱器一般是為滿足工藝特殊要求而設計的，如石墨換熱器，聚四氟乙烯換熱器和熱管式換熱器等。 設計壓力 為壓力容器的設計載荷之一，其值不低于最高工作壓力。設計壓力應視內壓和外壓容器分別取值。裝設安全閥的容器，考慮到安全閥開啟動作的滯后，容器不能及時泄壓，設計壓力不應低于安全閥的開啟壓力，通?？扇∽罡吖ぷ鲏毫Φ?倍 ；裝設爆破片時，設計壓力不得低于爆破片的爆破壓力。此外還要考慮容器外壁有否保冷設施，可靠的保冷設施能有效地保證容器內溫度不受大氣環(huán)境溫度的影響，即設計壓力應根據(jù)工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。通常情況下，計算壓力等于設計壓力加上液柱靜壓力。 設計溫度 設計溫度也為壓力容器的設計載荷條件之一，它是指容器在正常情況下，設定元件的金屬溫度。 GB150 規(guī)定設計溫度等于或低于 20℃的容器屬于低溫容器。 設計溫度與設計壓力存在對應關系。 厚度及厚度附加量 設計時要考慮厚度附加量 C由鋼材的厚度負偏差 C1和腐蝕裕量 C2組成， C=C1+C2 ,不包括加工減薄量 C3。 設計厚度（ dδ ）系計算厚度與腐蝕裕量之和。 7 有效厚度（ eδ ）為名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材負偏差。與腐蝕介質直接接觸的筒體，封頭，接管，等受壓元件，均應考慮材料的腐蝕裕量。在無特殊腐蝕情況下，對于碳素鋼和低合金鋼， C2 不小于 1mm；對于不銹鋼，當介質的腐蝕性極微時，可取 C2=0。為彌補焊縫對容器整體的強度削弱，在強度計算中需引入焊接接頭系數(shù)。 許用應力 許用應力是容器殼體，封頭等受壓元件的材料許用強度，取材料強度失效判據(jù)的極限值與相應的材料設計系數(shù)之比，設計時必須合理的選擇材料的許用應力，采用過小的許用應力，會 使設計的部分過分笨重而浪費的材料，反之則使部件過于單薄而容易破損。應根據(jù)失效類型來確定極限值。因為對韌性材料制作的容器，按彈性失效設計準則，容器總體部位的最大應力強度應低于材料的屈服點，故許用應力應以屈服點為基準。 當碳素鋼和低合金鋼的設計溫度超過 420℃，鉻鉬合金鋼的設計溫度高于450℃，奧氏體不銹鋼設計溫度高于 550℃時，有可能產(chǎn)生蠕變，因而必須同時考慮基于高溫蠕變極限 tn? 或持久強度 tD? 的許用應力。材料設計系數(shù)數(shù)值的確定，不僅需要 一定的理論分析更需要長期實踐經(jīng)驗積累。例如， 20實際 50年代中國取 bn ≥ ， sn 9 ≥ 3， 0，而現(xiàn)在則為 bn ≥ ， sn ≥ . GB150 給出了鋼板，鋼管，鍛件以及螺栓材料在設計溫度下的許用應力同時也列出了確定鋼材許用應 力的依據(jù)。為保證螺栓法蘭連接結構的密封性，必須嚴格控制螺栓的彈性變形。 材料的選取 壓力容器材料的選取，壓力容器材料費用占總成本的比例很大，一般超過 30%。選材不當，不僅會增加總成本，而且有可能導致壓力容器破壞事故。壓力容器用料多種多樣，有鋼， 有金屬，非金屬，復合材料等， 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，制造性能和與介質形容性。 化學成分 鋼材的化學成分對其性能和熱處理有較大的影響。因此，壓力容器用鋼的含碳量一般不大于 %。 硫和磷是鋼中最主要的有害元素。磷能使高鋼的強度 ，使會增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。因此，與一般結構鋼相比，壓力容器用鋼對磷，硫，氫等有害雜質元素含量的控制更加嚴格。隨著冶煉水平的提高，目前已可將硫的含量控制在 %以內。 力學與性能 由于載荷和應力狀態(tài)的不同，以及鋼材在受力狀態(tài)下所處的工作環(huán)境的不同，鋼材受力后所表現(xiàn)出的不同行為，稱為材料的力學行為。的剪切唇。 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)，是近些設計時選材和強度計算的主要依據(jù)。 韌性對壓力容器安全 運行具有重要意義。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。 制造工藝性能 材料制造工藝性能的要求與容器結構形式和使用條件緊密相關。為檢驗鋼板承受彎曲變形能力，一般應根據(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。試樣外表面無裂紋的鋼材方可用于壓力容器制造?？珊感允侵冈谝欢ê附庸に嚄l件下，獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度。含碳量越低，越不容易產(chǎn)生裂紋，可焊性越好。 換熱管 （ 1） 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。 換熱管尺寸換熱管尺寸主要為 φ 19mm 2mm, φ 25mm , φ 38mm,無縫鋼管以及 φ 25mm 2mm, φ 38mm 的不銹鋼管。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大，結構緊 12 湊，金屬耗量減少，傳熱系數(shù)提高。但小管徑流體大，不便清洗，易結垢堵塞。 （ 2） 換熱管材料 常用材料有碳素鋼，低合金鋼，不銹鋼，銅銅鎳合金，鋁合金，鈦等。設計時應根據(jù)工作壓力，溫度和介質腐蝕性等選用合適材料。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用的最為普遍，但管外不一清洗。 管板 管板是管殼式換熱器最重要的零件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷熱流體混合，并同時受管程，殼程壓力和溫度的作用。當流體物腐蝕性或有輕微腐蝕時，管板一般采用壓力容器用碳素鋼或低合金鋼板或鍛件制造。但對 13 于較厚的管板，若整體采用價格昂貴的耐腐蝕性，造價很高。為節(jié)約耐腐蝕材料，工程上常采用不銹鋼 +鋼，鈦 +鋼，銅 +鋼等符合板，或堆焊襯里。增大管板厚度，可以提高承受能力，但當管板兩側流體溫差很大時，管板內部沿厚度方向的熱應力。因 此，在滿足強度的前提下，應盡量減少管板厚度。 當要求嚴格禁止管程和殼程中的介質互相混合時，可采用雙管板結構。 管箱 殼體 直徑較大的換熱器大多采用管箱結構。在多管程換熱器中，管箱還起改變流體流向的作用。 14 管束分程 在管內流動的流體從管子的一端流到另一端，稱為一個管程。如果根據(jù)換熱器工藝設計要求，需要加大換熱器面積時，可以采用增加管長或者管數(shù)的方法。增加管數(shù)可以增加換熱面積，但介質在管束中的流速隨著換熱管數(shù)的增多而下降，結果反而使流體的傳熱系數(shù)降低，故不能僅采用增加換熱管數(shù)的方法來達到提高傳熱系數(shù)的目的。管束分程可采用多種不同的組合方式，對于每一程中的管數(shù)應大致相等，且程與程之間溫度差不易過大，溫差以不超過 20℃左右為宜，否則在管束與管板中將產(chǎn)生很大的熱應力。有平行和工字形兩種，一般 為了接管方便，選用平行分法較合適，同時平行分法亦可使管箱內殘液放盡。 換熱管與管板連接 換熱管與管板連接時管殼式換熱器設計，制造最關鍵的技術之一，是換熱器事故率最多的部位。 換熱管與管板的鏈接方法主要有強度脹接，強度焊和脹焊并用。常用的脹接有非均勻脹接和均勻脹接兩大類。圖中 l1為換熱 15 管 伸出管板的長度， K為槽深，它們隨換熱管外徑的大小而改變； l 為最小脹接長度，其值與管板名義厚度有關。他利用滾脹管深入插在管板孔中的管子的端部，旋轉脹管器使管子直徑增大并產(chǎn)生塑性變形，而管板只產(chǎn)生彈性變形。 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。 強度脹接主要適用于設計壓力小于等于 ；設計溫度小于等于 300℃；操作中無劇烈震動，無過大溫度波動及無明顯應力腐蝕等場合。由于管孔不需要退火和磨光，因此結構簡單。在高溫高壓下也能保證連接處的密封性能和抗拉脫能力。 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力與應力集中，在運行時 可能引起應力腐蝕與疲勞。 除有較大振動及有間隙腐蝕的場合，只要材料可焊性好，強度焊可用其他任 16 何場合。 （ 3） 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，在操作中受到反復熱變形，熱沖擊，腐蝕及介質壓力的作用，工作環(huán)境極其苛刻，很容易發(fā)生破壞。如果采用脹焊并用的方法，不僅能改善連接處的 抗疲勞性能，而且還可消除應力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。 脹焊并用的方法，從加工工藝過程來看，主要有強度焊 +密封焊，強度焊 +貼脹，強度焊 +強度脹等幾種形式。如強度脹和密封焊相結合，則脹接承受拉脫力，焊接保證緊密性。至于脹焊的先后順序，雖無統(tǒng)一規(guī)定，但一般認為以先焊后脹為宜。 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；需采用復合管板等的場合。為防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和振動，在殼程進口接管 處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。導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。在臥式換熱器中，折流板還起 支撐管束的作用。 常用的折流板形式有弓形和圓盤 圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形，雙弓形和三弓形三種，根據(jù)需要也可采用其他形式的折流板與支持板，如堰形折流板。缺口大小用切去的弓形弦高占殼體內直徑的百分比來確定。 對于臥式換熱器，殼程為單相清潔液體時，折流板缺口應水平上下布置。臥式換熱器的殼程介質為氣液相共存或液體中含有固體顆粒，折流板缺口應垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口。折流板最小間距宜不下于內直徑的 1/5，且不小于 50mm；最大間距應不大于恰提內直徑。 從傳熱角度考慮，有些換熱器使不需要設置折