【正文】 ........ 37 折流板 ............................................................................................................ 37 管束的組裝 .................................................................................................... 38 換熱器的組裝 ................................................................................................ 38 浮頭式換熱器的檢驗(yàn)與驗(yàn)收 ................................................................................... 38 總結(jié) .......................................................................................................................................... 40 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 41 第一章 緒論 1 第一章 緒論 工程背景 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的10%20%，在煉油廠約占總費(fèi)用的 35%40%。弓形折流 板換熱器固然有其優(yōu)點(diǎn)，并在產(chǎn)業(yè)節(jié)能方面做出了巨大貢獻(xiàn)，但在新的節(jié)能減排形勢下，其缺點(diǎn) (壓降大、存在大量流動死區(qū)、振動大、傳熱效率低等 )嚴(yán)重限制了自身的生存和發(fā)展空間，同時(shí)也推進(jìn)了強(qiáng)化傳熱理論和換熱器的發(fā)展 。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。目前在發(fā)達(dá)的 工業(yè)國家熱回收率已達(dá) 96% 。其余 30% 為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管熱泵和蓄熱器等設(shè)備，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。 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) 2 第二章 換熱器介紹 換熱器的應(yīng)用及發(fā)展 換熱器是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機(jī)械及其它許多工業(yè)部門廣 泛使用的一種通用設(shè)備。例如，如煙道氣（約 200～ 300℃）、高爐爐氣（約 1500℃）、需要冷卻的化學(xué)反應(yīng)工藝氣（ 300～ 1000℃）等的余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供熱、供氣、發(fā)電和動力的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。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。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。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。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。 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。能源緊缺已成為世界性重大問題之一，各工業(yè)部分都在大力發(fā)展大容量、高性能設(shè)備，以減少設(shè)備的投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。特別是 20 世紀(jì) 70 年代的世界能源危機(jī)，加速了當(dāng)代先進(jìn)換熱技術(shù)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。到目前為止，已研究和開發(fā)出多種新的強(qiáng)化傳熱技術(shù)和高效傳熱元件。 第二章 換熱器介紹 3 換熱器的主要分類 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。這類換熱器的結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜，常做成塔狀，但僅適用于工藝允許兩種流體混合的場合。它是借助于由固體 (如固體調(diào)料或多孔性格子磚等 )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 這種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(yīng)用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣可分為： a)管式換熱器 這類換熱器都是通過管子壁面進(jìn)行傳熱的換熱器。 b)板面式換熱器 此類換熱器都是以板面作為傳熱面，按傳熱板面的結(jié)構(gòu)形式可分分為以下五種：螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換 熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器。板面式換熱器采用板材制造，在大規(guī)模組織成產(chǎn)時(shí)，可降低設(shè)備成本，但其耐壓性能比管式換熱器差。 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) 4 管殼式換熱器的分類及特點(diǎn) 管殼式換熱器是目前用得最為廣泛的一種換熱器，主要是由殼體、傳熱管束、管板、折流 板和管箱等部件組成。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。折流板可以提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流程度。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。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。 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。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。 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。 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。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。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。 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。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。 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)。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。由于減少了殼體大蓋，它的結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，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。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。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 ，對鋼材的表面缺陷和內(nèi)部缺陷要求比較較高 。 可用于容器殼體材料中。 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。本設(shè)計(jì)選用 Q235B 作為分程隔板、擋板、折流板的材料。 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。 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。 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。根據(jù)鍛件檢測項(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)級別。 法蘭材料的選取通常與換熱器殼體材料一致。 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。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。 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。故選用低合金鋼 Q235B。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，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。 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。 2） B 型封頭管箱型。 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。分程時(shí)，應(yīng)使各程管子數(shù)目大致相等，隔板形式要簡單，密封長度要短。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。 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。 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： 、 、 、 、 、 、 、 、 。 規(guī)格及尺寸偏差 本設(shè)計(jì)中換熱管采用 10號鋼材料，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。 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。當(dāng)采用焊接方式時(shí)，管間距可以小一些。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)。當(dāng)需對換熱管外清洗時(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。 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，需要定期對換熱管外清洗，故選用的布管方式為正方形排列。 表 布管限定圓直徑 換熱器型式 固定管板式、 U形管式 浮頭式 布管限定圓直徑 LD 32iDb? ? ?122iD b b b? ? ? 布管限定圓為管束最外層換熱 管中心圓直徑，由表 計(jì)算得： ? ? ? ?122 9 0 0 2 5 1 5 4 8 5 7LiD D b b b m m? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。所以換熱管與管板連接質(zhì)量的好壞，直接影響換熱器的使用壽命。而其連接結(jié)構(gòu)如圖 ： Di b 1000 1000～ 2600 3 4 Di bn b1 ≤ 700 700 ≥ 10 ≥ 13 3 5 第四章 換熱器結(jié)構(gòu)型式選擇 13 圖 管子與管板的連接方式 強(qiáng)度脹接是為了保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度的脹接。一般使用的管板為碳素鋼，低合金鋼，管子為碳鋼，設(shè)計(jì)壓力不超過 。 隨著高溫、高壓換熱器的出現(xiàn)，使接頭在操作過程中，受到反復(fù)變形，熱沖擊，熱腐蝕及介質(zhì)壓力作用，工作環(huán)境極其苛刻，發(fā)生破壞的可能性很大，盡管內(nèi)孔焊較理想的解決了這些問題，但因焊接工具復(fù)雜，管板加工困難，因此工程上多數(shù)情況下還是采用脹焊結(jié)合的形式來解決上述問題。 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： 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) 1