U型管式换热器设计Word文档格式.docx
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绪论
能源是当前人类面临的重要问题之一,能源开发及转换利用已成为各国的重要课题,而换热器是能源利用过程中必不可少的设备,几乎一切工业领域都要使用,化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。
近几年由于新技术发展和新能源开发利用,各种类型的换热器越来越受到工业界的重视,而换热器又是节能措施中较为关键的设备,因此,无论是从工业的发展,还是从能源的有效利用,换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。
近年来随着节能技术的发展,应用领域不断扩大,利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。
换热器分类方式多样,按照其工作原理可分为:
直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类,间壁式换热器又可分为列管式和板壳式换热器两类,其中列管式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全,随着经济的发展,各种不同型式和种类的换热器发展很快,新结构、新材料的换热器不断涌现。
近年来尽管列管式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于它具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,列管式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。
列管式换热器适用于化工、石油、医药、食品、轻工、冶金、焦化等行业的液和液,汽和汽,汽和液的对流传热,蒸汽冷凝和液体蒸发传热等换热冷凝流程。
列管式换热器是由一个圆筒形壳体及其内部的管束组成。
管子两端固定在管板上,并将壳程和管程的流体分开。
壳体内设有折流板,以引导流体的流动并支承管子。
用拉杆和定距管将折流板与管子组装在一起。
列管式换热器共有三种结构型式:
固定管板式、浮头式和U形管式。
固定管板式换热器结构简单、紧凑、造价低,每根换热管可以单独清洗和更换,在结构尺寸相同的条件下,与浮头式和U形管式换热器相比,换热面积最大。
固定管板式换热器的壳程清洗困难,适应热膨胀能力差,决定了固定管板式换热器适用于换热介质清洁,壳程压力不高,换热介质温差不大的场合。
浮头式换热器由于管束的热膨胀不受壳体的约束,而且可拆卸抽出管束,检修更换换热管、清理管束和壳程污垢方便,因此,浮头式换热器应用最广泛,在油田储运集输系统中,60%~70%的换热器为浮头式换热器。
U形管式换热器是管壳式换热器的一种,它由管板、壳体、管束等零部件组成。
在同样直径情况下,U形管换热器的换热面积最大;
它结构简单、紧凑、密封性能高,检修、清洗方便、在高温、高压下金属耗量最小、造价最低;
U形管换热器只有一块管板,热补偿性能好、承压能力较强,适用于高温、高压工况下操作。
1管壳式换热器的类型、结构与型号
1.1换热器的零部件名称
表1.1
序号
名称
1
接管法兰
11
活动鞍座(部件)
21
纵向隔板
2
管箱法兰
12
U形换热管
22
接管
3
壳体法兰
13
挡管
23
内导流筒
4
防冲板
14
固定鞍座(部件)
24
圆筒
5
补强圈
15
滑到
25
管箱侧垫片
6
壳体(部件)
16
管箱垫片
26
凸形封头
7
折流板
17
管箱圆筒(短节)
27
双头螺柱或螺栓
8
拉杆
18
封头管箱(部件)
28
放气口
9
定距管
19
分层隔板
29
螺母
10
支持板
20
中间挡板
图1.1U型管式换热器
1.2换热器的主要组合部件
换热器的主要组合部件有前段管箱、壳体和后端结构(包括管束)三部分。
详细分类见图1.2。
图1.2[2]主要部件的分类及代号
2换热器材料选择
在进行换热器设计时,对换热器各种零部件的材料,应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。
当然,最后还要考虑材料的经济合理性。
一般为了满足设备的操作压力和操作温度,即从设备的强度或刚度的角度来考虑,是比较容易达到的,但对于材料的耐腐蚀性能,有时往往成为一个复杂的问题。
如在这方面考虑不周,选材不妥,不仅会影响换热器的使用寿命,而且也大大提高设备的成本。
至于材料的制造工艺性能,是与换热器的具体结构有着密切的关系。
2.1选材原则
换热器用钢的标准、冶炼方法、热处理状态、许用应力、无损检测标准及检测项目均按GB150-1998第四章及其附录A的规定。
换热器的目的是为了传热,经常与腐蚀性介质接触的换热表面积很大,为了保护金属部受腐蚀,最根本的方法是选择耐腐蚀的金属或非金属材料。
换热器主要部件材料选择见表2.1
表2.1材料
零部件
材料
设计压力
设计温度
许用应力t
标准
管箱封头
15CrMoR
8.0
323
128.24
GB6654
后封头
8.5
273
136.4
筒体
管箱圆筒短节
管板
0Cr18Ni10Ti
4.5
112.62
GB4728
换热管
100.4
GB/T13296-2007
壳程接管
15CrMo
PN16
105.86
GB6479
管程接管
筒体法兰
PN6.4
GB470O-4703-2000
管程接管法兰
HG20592-97
壳程接管法兰
3换热器结构设计
管壳式换热器的结构设计,必须考虑许多因素,如材料、压力、温度、比温差、结垢情况、流体的性质以及检修与清理等等来选择一些适合的结构型式。
对同一种型式的换热器,由于各种条件不同,往往采用的结构亦不相同。
在工程设计中,除尽量选用定型系列产品外,也常按其特定的条件进行设计,以满足工艺上的需要。
U形管式换热器仅有一块管板,且无浮头,所以结构简单,造价比其它换热器便宜,管束可以从壳体内抽出,管外便于清洗,但管内清洗困难,所以管内介质必须清洁及不易结垢的物料。
U形管的弯管部分曲率不通,管子长度不一。
管子因渗漏而堵死后,将造成传热面积的损失。
U型管式换热器,使用在压力较高的情况下,在弯管段的壁厚要加厚,以弥补弯管后管壁的减薄。
壳程内可按工艺要求装置折流板、纵向隔板等,折流板由拉杆固定,以提高换热设备的传热效果。
纵向隔板是一矩形平板,安装在平行于传热管方向(纵向隔板按工艺要求决定)以增加壳侧介质流速。
符号:
----钢材厚度负偏差mm,应按相应钢材标准的规定选取;
----钢材的腐蚀裕量,mm;
----厚度附加量(按[1]第三章取),mm;
对多层包扎圆筒只考虑内筒的C值,对热套圆筒只考虑内侧第一层套盒圆筒的C值;
----圆筒或球壳的内直径,mm;
----圆筒或球壳的外直径(),mm;
----计算压力(按[1]第3章),MPa;
----设计压力,Mpa;
----管程设计压力,Mpa;
----壳程设计压力,Mpa;
----圆筒或球壳的最大允许工作压力,MPa;
----圆筒或球壳的计算厚度,mm;
----圆筒或球壳的有效厚度,mm;
----圆筒或球壳的名义厚度,mm;
----设计温度下圆筒或球壳的计算应力,MPa;
----设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力(按[1]第4章),MPa;
----试验温度下材料的许用应力(按[1]第4章),MPa;
----焊接接头系数(按[1]第3章);
对热套圆筒取=1.0;
3.1壁厚的确定
壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。
管壳式换热
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