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2管壳式换热器的机械设计
2.1概述
换热器是进行热交换操作的通用工艺设备,被广泛应用于各个工业部门。
由于使用条件不同,它们可以有各种各样的型式和结构,但设计或选型时应满足的基本要求是相同的,即传热效率高,流体阻力小,强度刚度足够,结构性能可靠,材料及制造费用低,安装和检修方便等。
在诸多形式的换热器中,工业中最常用的是管壳式换热器。
管壳式换热器虽然在传热效率、紧凑性及金属消耗量等方面不及其他新型高效换热器,但它具有处理量大,适应性强,操作弹性大,易于制造,结构可靠,材料范围广,生产成本低等特点,特别是它能在高温高压条件下应用。
2.1.1管壳式换热器的结构型式及特点
管壳式热换器(又称列管式换热器)可卧置也可立置,按管板和壳体及其配合部分的形式主要有以下几种形式。
固定管板式换热器,其结构比较简单,紧凑,排管最多,造价较低;
每根管都能单独清洗和更换;
管程可以分成任何程数;
两管板由管子互相支撑,因而在各种管壳式换热器中其管板最薄。
其缺点是管外清洗困难,管壳间有温差应力存在;
当两种介质温差较大时,必须设置膨胀节。
固定管板式换热器适用于壳程介质清洁,不易结垢,管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不高的场合。
浮头式换热器,其一端管板是固定的,另一端管板可在壳体内移动,因而管与壳间不产生温差应力;
管束可以抽出,便于清洗。
但这类换热器结构较复杂,金属消耗量较大,造价高;
浮头处如发生内漏时不便检查;
管束与壳体间隙较大,影响传热。
浮头式换热器适用于管与壳间温差较大,以及介质易结垢的场合。
釜式重沸器:
其特点是作为废热锅炉是最简单的结构;
管束能够做成固定管板型,U型管型和浮头型。
釜式重沸器对于不洁净的介质和压力高的情况均能适用。
U型管式换热器,它只有一个管板,管程至少为两程,管束可以抽出清洗,管子可以自由膨胀。
其缺点是管内不便清洗,管板上布管少,结构不紧凑,管外介质易短路,影响传热效果,内层管子损坏后不易更换。
U型管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合,尤其是管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。
填料函式换热器,其管束一端可以自由膨胀,造价也比浮头式低,检修、清洗容易,填料函处泄漏能及时发现。
但壳程介质有外漏的可能,壳程中不易处理易挥发、易燃、易爆,有毒的介质。
2.1.2管壳式换热器机械设计的内容和步骤
管壳式换热器的机械设计是在工艺计算的基础上进行的。
根据化工生产工艺条件的要求,通过化工工艺计算,确定换热器的传热面积,同时选择管径、管长、决定管数、管程数和壳程数,然后进行机械设计。
管壳式换热器机械设计犬体按以下内容和步骤进行。
(1)根据使用、制造、安装和维修的要求,进行总体结构型式和各部分零部件结构设计和选用。
(2)根据制造和使用的要求,经济合理地选用零部件的材料。
(3)根据强度、刚度和稳定性的要求,计算确定各零部件的尺寸。
换热器强度计算除按受压容器对壳体、封头、法兰等进行计算选择外,尚有其特有的强度计算,包括管板强度计算,简体轴向应力校核,温差应力计算和管子拉脱力校核等,当采用膨胀节时,还需进行膨胀节的强度计算。
(4)绘出总装配图与零部件图。
标准零部件有标准图纸的要查出标准施工图号,不必另绘。
(5)提出制造、装配、检验等方面的要求。
应用标准技术条件的可标注文件号。
(6)提供设计计算说明书。
2.2管壳式换热器结构设计及材料选用
2.2.1管子选用及其与管板的连接
(1)换热管
首先应根据流体的腐蚀性、操作温度和压力选择合适的材料。
常用的材料有10号钢无缝管、18—8不锈钢、铝、铜及非金属管等。
换热管的长度推荐采用:
1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0,12.0m。
换热器的换热管长度与公称直径之比,常用的范围是3—10,立式换热器,其比值多为4—6。
换热管的规格和尺寸偏差按GB8163—87《输送流体用无缝钢管》和GB2270—80《不锈钢无缝钢管》的规定,常用规格见表2-1。
表2-1常用换热器的规格和尺寸偏差
材
料
钢管
标准
外径×
厚度(mm)
I级换热器
Ⅱ级换热器
外径偏差(mm)
壁厚偏差
碳
钢
GB8163
-87
10×
1.5
±
0.15
+12%
-10%
0.20
+15%
14×
2
19×
25×
2.5
0.40
32×
3
38×
45×
0.30
0.45
57×
3.5
0.8%
10%
1%
+12%,-10%
不
锈
GB2270
—80
15%
(2)管子的排列
常用的排列有三角形、正方形、组合排列法等。
其中以等边三角形排列法用得最普遍,在相同的管板面积上可以排列的管数最多,且划线、钻孔方便,但管外清洗较困难。
而正方形排列的优点是管外机械清洗方便。
在多程换热器各程内采用三角形排列,而在各层间采用正方形排列,这就是所谓的组合排列。
管间距过小,将给制造带来麻烦。
对应于不同管径的最小管间距可由表2-2查得。
表2-2管板孔、折流板孔及最小管间距(mm)
管子外径do
14
19
25
32
38
57
管板孔
14.4+0.15
19.4+0.2
25.4+0.2
32.5+0.3
38.5+0.3
57.7+0.4
折流板孔
14.6+0.4
19.6+0.4
25.8+0.4
32.8+0.45
38.80.45
58+0.5
最小管间距
40
48
70
对于多程管壳式换热器,管程分程隔板两侧第一排管子中心距可根据表2-3查取。
表2-3分程隔板槽两侧管子之间的距离(mm)
管子间距c
44
52
60
80
无论何种排列,最外圈管子的管外壁与壳体内壁的间距不得小于10mm。
当管子总数超过127根(相当于层数大于6)时,等边三角形排列的最外层管子和壳体之间的弓形部分应配置附加换热管,从而增大传热面积,消除管外空间这部分不利于传热的地方。
表2-4按正三角形排列
六角形
的层数
对角线上的管数b
不计弓形部分时管子的根数
弓形部分管数
换热器内管子的总根数
在弓形的第一排
在弓形的第二排
在弓形部分内总管数
1
7
—
5
37
4
9
61
11
91
6
13
127
15
169
18
187
8
17
217
24
241
271
30
301
10
21
331
36
367
23
397
42
439
12
469
517
27
547
65
613
29
631
90
721
31
102
823
16
33
817
114
931
35
919
126
1045
1027
138
1165
39
1141
162
1303
20
41
1261
198
1459
43
1387
228
1615
22
45
1519
246
1765
47
1657
264
1921
(3)管子与管板的连接
换热管与管板的连接方法有三种:
胀接,焊接,胀焊结合。
连接处必须保证充分的密封性能和足够的紧固强度。
各种连接方法的结构和使用范围见GB151—1999。
(4)管板与壳体的连接
管壳式换热器管板与壳体的连接结构与其形式有关,可分为可拆式和不可拆式两大类,固定管板式的管板和壳体间采用不可拆的焊接连接,而浮头式、U形管式和填函式换热器的管板与壳体间需采用可拆连接。
(5)法兰
管壳式换热器的容器法兰密封面型式有平面、凹凸面、榫槽面。
管法兰的密封面形式则根据工艺要求来确定。
2.2.2管壳式换热器其它零部件的结构
以常用的固定管板式换热器为例,除筒体、封头、支座、管板、管束以外,还有管箱、壳程接管、折流板、旁路挡板、隔板等零部件,现分别简述如下:
(1)管箱分程隔板与壳程接管
管箱位于管壳式换热器的两端,它的作用是把从管道送来的流体均匀分布到各传热管或把管内流体汇集一起送出去。
其结构主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。
当换热器所需的换热面较大,而管子又不能做得太长,又希望保证管内流体有一定的流速,以提高传热效果时,可以将管束分程,在管箱内布置分程隔板就可以达到这个目的。
分程隔板的布置方法常用的有平行布置法和T字形布置法,各程的管数应基本相同。
平行布置法可避免具有最大温差的两程管子紧邻,改善管板的受力情况,同时便于排尽残液,T字布置法则可在管板上排列较多的管子,提供较大的传热面。
表2-5分程隔板最小厚度(mm)
壳体直径
隔板最小厚度
碳素钢及低合金
高合金钢
≤600
>
600—≤1200
1200
壳程接管的结构设计直接影响换热器的传热效率与使用寿命。
当蒸汽或高速流体进入壳程时,入口处的管子将受到很大的冲击。
为了保护管束,常在入口处设立挡板,通常采用方形挡板和圆形挡板或采用导流筒。
导流筒除起防冲刷作用外,还可使流体从靠近管板处进入接触管束以充分利用传热面积。
(2)折流板、支承板、旁路挡板的作用与结构
折流板的作用是增大壳程流体的流速以提高传热效率,还起到支承管束的作用。
折流板主要有弓形和环盘形两种形式,常用的是弓形折流板。
卧式换热器中,弓形折流板可以将缺口按上下排列,也可以将缺口按左右排列。
若缺口按上下排列,能使壳体流体剧烈搅动,改善传热,壳程为气相或液相均能采用;
若缺口按左右排列,多半用于冷凝器、再沸器及气、液相混合的场合。
为了使壳程流体在停工检修时便于排尽,卧式换热器折流板的最下端应考虑三角形缺口。
立式换热器就不需要开缺口了。
折流板的间距应从减少壳程阻力和提高传热效率的角度来确定,除靠近管板的第一块折流板应尽量靠近壳程接管外,其余一般是按管子的有效长度作等距离布置,尽量使弓形缺口的有效流通断面与相邻两折流板间流通断面相近,折流板间距最小不应小于0.2Di(Di为壳体内径),且不小于50mm,最大不超过内径Di。
我国管壳式换热器系列标准中采用的板间距有100、150、200、300、450、600、800、1000mm等几种。
折流板外径与壳体之间的间隙越小,壳程流体介质由此泄漏的情况就越少,即减少流体短路,使传热效率提高。
但间隙又不能太小,太小给制造带来一定的困难,故间隙要适当。
折流板一般由定距管(不锈钢管点焊)固定在换热器拉杆上,其拉杆又固定在管板上。
对于不同直径的壳体,拉杆的直径及数量选择根据表2-6,在保证拉杆总截面积的前提下,拉杆的直径和数量可以变动,但不能少于4根。
拉杆一般应尽量均匀布置在管束的外边缘,但对大直径的折流板,在靠近缺边处也应布置适当数量的拉杆。
表2-6不同直径的壳体,其拉杆直径大小及数量
壳体直径,(mm)
拉杆直径,(mm)
拉杆数量
159—325
400—600
700—800
900—1200
1300—1500
1600—1700
≥1800
在工艺上不要求设折流板(如冷凝)的情况下,若管束较长也需要设置一定数量的支承板。
支承板的结构与折流板大体相同,只是支承板只起支承作用,可放宽制造要求,使安装方便。
对于浮头式换热器,壳体与管束之间存在着较大的环隙,为了避免流体短路,迫使大部分壳程流体通过管束进行热交换,可在管束上增设旁路挡板以阻止流体短路。
挡板可用6mm厚的钢板或扁钢制成,材质与折流板相同。
挡板加工成规则的长条状,长度等于折流板或支承板的板间距,两端焊在折流板或支承板上。
旁路挡板成对对称布置,推荐用两对(不得多于四对)。
2.2.3换热器零部件材料的选用
由于换热器各零部件所处的工作条件及加工方法不同,选用材料要有所不同。
壳体和封头的材料和一般容器相同,材料要有一定的可塑性和可焊性。
小直径的换热器壳体,可选用无缝钢管,dO=159,273,325(dO—无缝钢管外径),这样可避免因直径小而造成卷板困难。
管板常用热轧厚钢板,材料有Q235-A、16MnR、15MnVR等。
当管板必须采用锻件时(厚度超过钢板最大厚度时)可选择20、25以及16Mn、15MnV等钢材,这些锻件的使用范围与容器钢板基本一样。
从焊接角度看,管板材料必须可焊性好,当管子采用胀接时,要求管板的硬度比管子高一些;
另一方面又要保证管板和壳体的焊缝质量。
如选用20号钢管,则可选用25号钢板作管板,但对低合金钢或不锈钢,不一定非如此不可。
法兰材料的选取通常与换热器壳体材料一致,有时法兰对强度的要求比较高,可以选用与壳体不一样的钢材。
通常所用的钢材有Q235-A、16Mn、15MnV、2O、0Crl8Ni9Ti等。
换热管除要求具有足够的强度外,如果采用胀管法固定,还要求管子有良好的塑性,避免因胀接而产生裂缝;
焊接固定时,要求管子可焊性好。
一般对于无腐蚀性或腐蚀性不大的流体可采用10号钢或20号钢无缝钢管;
对于有腐蚀性的流体可采用不锈钢、铜、铝等无缝钢管;
对强腐蚀性流体,可用石墨管、聚四氟乙烯管等。
对多程换热器,其隔板材料和封头材料相同
换热器各零部件的材料可参考表2-7选取。
表2-7换热器构件材料选用表
构件名称
碳钢、低合金钢
不锈钢
壳体、封头、
管箱壳体
Q235-A、20g、16MnR
0G18N19Ti、0Cr17Ni13Mo2Ti、0Cr17Ni1Mo3Ti
设备法兰
Q235-A、16MnR、
15MnVR、16Mn(锻件)
0Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni13Mo2Ti、
0Cr17Ni13Mo3Ti
16Mn+1Cr18Ni9Ti(衬层)
16Mn+0Cr17Ni13Mo2Ti(衬层)
16Mn+0Cr17Ni13Mo3Ti(衬层)
折流板、防冲
板、分程隔板
Q235-A、Q235-AF
0Cr18Ni9Ti,0Cr17Ni13Mo2Ti,
管板
Q235-A、25、16MnR、15MnVR、16Mn(锻件)
20MnMo(锻件)
0CrMn+1Cr18Ni9Ti(堆焊)
16Mn+0Cr17Ni13Mo2Ti(堆焊)
16Mn+0Cr17Ni13Mo3Ti(堆焊)
管箱盖
Q235-A、20、16MnR、16Mn(锻件)、
基体+衬层
膨胀节
Q235-A、16MnR、20
0Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni13Mo2Ti,
换热管、定距管
10、20
0Cr18Ni9Ti、Cr18Ni13Mo2Ti、
Cr18Ni13Mo3Ti
拉杆、螺母、顶丝
0Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti
螺柱(栓)
Q235-A、35、40MnB、40MnVB
螺母(设备法兰用)
Q235-A、25、40Mn
热片
橡胶石棉板、耐油橡胶石棉板、08号黑铁皮包石棉板、1Cr18Ni9包石棉板
支座
按相应支座标准选用
吊耳
注:
(1)管板、管箱盖材料应采用板材。
但当其厚度大于或等于60mm时,可采用锻件。
管板用板材应保证无分层。
(2)表中的“16Mn+0Cr18Ni9Ti(衬层)”一类的材料,“+”号前面的16Mn是基本材料,“+”号后面的是衬层或堆焊层材料。
2.3管壳式换热器的受力分析和强度计算
换热器的受力情况与容器有所不同,如固定管板式换热器,壳体和管壁除受壳程和管程的流体压力产生的轴向应力和周向应力外,还受到管、壳壁温造成的轴向温差应力。
因此,尽管换热器的壳体、管子、封头、法兰、开孔等按一般受压容器计算的强度得到满足,但在操作时仍然可能遇到一些特有的破坏情况,如管板产生过大的翘曲变形,使结构及管、壳程之间的密封失效;
壳壁和管壁中产生过大的轴向应力,使壳体或管子遭到破坏;
管子受到过大的轴向力,在管板的胀接处被拉脱等。
由此,换热器机械设计应包括两部分内容,第一部分是作为受压容器,计算筒体、封头、开孔、支座等,这与一般容器设计相同;
第二部分是换热器特有的强度计算,包括管板厚度计算,筒体、换热管轴向应力校核,温差应力计算和管子拉脱力校核等,如果采用膨胀节,还需进行膨胀节的计算。
2.3.1换热器的壳体和管箱
换热器的外壳就是教材中作为重点讨论过的容器,这里需要补充提及的是:
壳体的壁厚仍可按教材所介绍的内压或外压圆筒的计算方法确定,但是要验算筒体的轴向总应力,壳体和管箱最小壁厚应满足表2-8或表2-9的厚度。
表2-8碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度(mm)
公称直径
400—≤700
700—≤1000
1000—≤1500
1500—≤200
浮头式、U型管式
固定管板式
注:
表中数据包括厚度附加量(c2按1mm考虑)。
表2-9高合金钢圆筒的最小厚度(mm)
400—700
最小厚度
4.5
2.3.2管板的强度计算
管板可以看作是圆平板,其受力情况很复杂,影响管板强度的因素很多,其中有以下几个主要因素:
(1)管束对管板的弹性支承作用。
(2)管孔对管板的削弱作用。
(3)管板周边的支承形式对强度有直接的影响。
当周边为固支时,管板上的应力和挠度较小;
周边为简支时,管板上的应力和挠度较大;
周边半固支时,介于两者之间。
(4)由温度差而产生的温差应力,不仅使管子和壳体的应力增加许多;
同时也使管板应力增加许多,其数值可能远大于由压力引起的
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