王志強(qiáng)

【摘 要】 隨著我國(guó)化工、石油等許多工業(yè)部門(mén)的快速發(fā)展，換熱器在生產(chǎn)中占有越來(lái)越重要地位。浮頭式換熱器在工業(yè)制造中重要應(yīng)用廣泛，它們的設(shè)計(jì)得到了快速發(fā)展。S503原料水——凈化水一級(jí)換熱器的作用是將硫化氫從33℃加熱到65℃。雖然樣式繁多的換熱器很大程度上拓寬了人們的選擇范圍 ，但管殼式這一傳統(tǒng)的換熱設(shè)備在化工生產(chǎn)中仍占據(jù)著主要地位 ，在高溫高壓或有腐蝕性介質(zhì)的作業(yè)中更能顯示其優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】 換熱器 ?原料水 ?凈化水

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能源消耗量不斷增加，能源緊張已成為一個(gè)世界性的問(wèn)題。為了緩和能源的緊張狀況，世界各國(guó)要競(jìng)相采取各種節(jié)能措施，大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)。換熱器在節(jié)能技術(shù)改革中具有很重要的作用，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器效率，顯然可以減少能源的消耗;另一方面，用換熱器來(lái)回收工業(yè)余熱，可以顯著的提高設(shè)備的熱效率。

雖然樣式繁多的換熱器很大程度上拓寬了人們的選擇范圍，但管殼式這一傳統(tǒng)的換熱設(shè)備在化工生產(chǎn)中仍占據(jù)著主要地位，在高溫高壓或有腐蝕性介質(zhì)的作業(yè)中更能顯示其優(yōu)勢(shì)。本文僅從機(jī)械設(shè)計(jì)的層面闡述原料水——凈化水一級(jí)換熱器的設(shè)計(jì)。

1 管子設(shè)計(jì)

傳熱管的形狀、尺寸和布置對(duì)換熱器性能和經(jīng)濟(jì)影響很大，管子設(shè)計(jì)內(nèi)容包括管形、管徑、管束排列方式及管材的決定。

管子外形采用采用的無(wú)縫光管，其經(jīng)濟(jì)易得和安裝、檢驗(yàn)、清洗方便。材料選用10號(hào)鋼長(zhǎng)6.0m，管子總數(shù)為91根。

管子與管板的聯(lián)接必須牢固，不泄露，不產(chǎn)生大的變形和英里。本設(shè)計(jì)由于工作壓力不太高，工作溫度不太高，而且采用轉(zhuǎn)角正方形的布管方式，間隙較大，易產(chǎn)生間隙腐蝕，故采用脹接方式聯(lián)接。

總傳熱面積由文獻(xiàn)[3]查得

（3-1）

其中——換熱管外徑m

L——換熱管長(zhǎng)度m

n——換熱管根數(shù)

0.03——為兩塊管板的厚度之和

m2

管子排列方式為正三角形，盡管排列最不緊湊，但便于機(jī)械清洗，常用于浮頭式換熱器。

2 換熱流程設(shè)計(jì)

本設(shè)備采用殼方單程，管方四程的換熱器。由于換熱器尺寸不太大，可以用一臺(tái)，未考慮采用多臺(tái)組合使用，管程分程隔板4管程的結(jié)構(gòu)。

3 管板設(shè)計(jì)

管板的作用是固定作為傳熱面的管束，并作為換熱器兩端的間壁將管程和殼程流體分隔開(kāi)來(lái)。

管板直徑與殼體直徑一致。管板厚度與材料強(qiáng)度、介質(zhì)壓力、溫度和壓差、溫差以及管子外殼的固定方式和受力狀況因素有關(guān)。

管板與殼體的連接有可拆和不可拆兩種，浮頭式換熱器為殼程清洗方便，常將管板夾在殼體法蘭和頂蓋法蘭之間構(gòu)成可拆連接。

4 折流板設(shè)計(jì)

殼程空間的截面積比殼程的流通截面為大，為了增大殼程流體的流速設(shè)置折流板，同時(shí)由于殼程流體的流動(dòng)方向垂直于管束中心線方向，也可增大殼程流體的給熱系數(shù)。

本設(shè)備選用了弓形折流板和環(huán)形折流板，其中弓形折流板的弓形缺口高度為25%.對(duì)于臥式換熱器的弓形折流板布置方式有三種：水平方向，垂直方向，傾斜方向，本設(shè)備采用水平方向布置（缺口上下布置）。這樣可以造成液體劇烈擾動(dòng)，增大傳熱系數(shù)。

折流板的管孔大小對(duì)傳熱性能，機(jī)械性能和加工制造影響很大。因此管孔的確定很重要。若管孔過(guò)大，殼程流體從間隙走短路，影響傳熱效果。而且間隙過(guò)大，管孔對(duì)管子的約束作用小，容易引起管束的震動(dòng)損壞。但間隙太小，又會(huì)給穿管帶來(lái)困難，因而根據(jù)GB151—1999對(duì)于的管子，管孔直徑為25.8mm，允許差為+0.40mm。

折流板的厚度：橫向折流板的厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，且對(duì)換熱器的震動(dòng)也有影響。一般情況下，其最小厚度按文獻(xiàn)[5]表4—25選取，故取。

折流板間距：弓形折流板的間距一般不應(yīng)小于殼體內(nèi)徑的五分之一。既400/5=80mm，且不小于50mm。折流板的最大間距由文獻(xiàn)[5]查得不大于1900mm。而前面工藝設(shè)計(jì)已初定出折流板間距為150mm。由于弓形折流板第一塊和最后一塊應(yīng)在殼程兩接管之間。但這樣殼程兩頭死壓太大。應(yīng)而在兩接管處增設(shè)導(dǎo)流筒。

折流板的材料選用Q235。

5 鉤圈設(shè)計(jì)

為了防止浮頭端殼程介質(zhì)的死角區(qū)增大，以及鍛造方便與經(jīng)濟(jì)的目的，本浮頭式換熱器采用鉤圈。選取鉤圈應(yīng)注意控制管板的外徑和鉤圈內(nèi)徑之間的公差在0.4mm之內(nèi)，從而保證使螺栓起到有效的密封作用。其材料與浮頭管板相同即，鉤圈與浮頭管板相配合的尺寸允許偏差按文獻(xiàn)[5]圖3—41，鉤圈選用型是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)緊湊、密封好、傳熱效率高，而型厚度大之間隙大，死角壓大，螺桿也較長(zhǎng)。

鉤圈的設(shè)計(jì)厚度

mm ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3-2）

其中為浮動(dòng)管板厚度。

6 拉桿與定距管設(shè)計(jì)

6.1 拉桿的數(shù)量

由文獻(xiàn)[5]表3—24查得拉桿數(shù)為4根。

6.2 拉桿的結(jié)構(gòu)形式

拉桿的結(jié)構(gòu)形式有兩種：

a.拉桿定距結(jié)構(gòu);b.拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)。

其中拉桿定距管結(jié)構(gòu)適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束。故本設(shè)備拉桿采用拉桿定距結(jié)構(gòu)。

6.3 拉桿的布置

拉桿的布置應(yīng)盡量均勻分布在管束的外邊緣。

拉桿的尺寸：拉桿螺紋公稱(chēng)直徑為16mm。

7 進(jìn)出口管的設(shè)計(jì)

7.1 管程進(jìn)出口的設(shè)計(jì)

進(jìn)出口管的位置對(duì)換熱器性能有重要的影響，實(shí)踐表明水平布置的進(jìn)出口不利于管程流體的均勻分布。使部分傳熱管不能很好發(fā)揮作用。甚至因流速太低而被堵塞，進(jìn)出口管分布在換熱器底部和頂部使流體向上流動(dòng)比布置在兩側(cè)水平流動(dòng)為佳。

殼程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)流體流速為，則接管內(nèi)徑為

由參考文獻(xiàn)取接管內(nèi)徑為76mm。

7.2 殼程進(jìn)出口管的設(shè)計(jì)

殼程接管設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)管束壽命影響較大。殼程流體入口橫向沖刷管束，對(duì)管束產(chǎn)生磨損和振動(dòng)，當(dāng)流速高特別是含固體顆粒時(shí)尤為嚴(yán)重。本設(shè)備在進(jìn)出口管處加裝導(dǎo)流筒可起緩沖作用，保護(hù)管束不受沖擊。同時(shí)能引導(dǎo)流體垂直地流過(guò)管子端部，使傳熱改善。

殼程接管位置最小尺寸：

依據(jù)參考文獻(xiàn)得無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈接管：

（3-3）

其中，為管板厚度。

向上取整得85

管程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)流體流速為，則接管內(nèi)徑為

由參考文獻(xiàn)取接管內(nèi)徑為76mm。

管程接管位置最小尺寸：

依據(jù)參考文獻(xiàn)得無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈接管：

（3-4）

其中，為接管法蘭的接管厚度。

由參考文獻(xiàn)得取76mm。

8 導(dǎo)流筒設(shè)計(jì)

由于管程進(jìn)出口外管板的距離都比較大，造成一定的死區(qū)，使得靠近兩端管板的傳熱面程利用率很低，為了克服這一缺點(diǎn)，可采取導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流筒除有把殼程流體引導(dǎo)管板方向，以消滅死區(qū)的作用外，還起緩沖擋板作用。保護(hù)管束免受沖擊。

由文獻(xiàn)[5]規(guī)定h一般應(yīng)大于d/3，既50mm導(dǎo)流筒端部至管板的距離以?xún)?nèi)感滿(mǎn)足使該處的環(huán)形流通面積不小于導(dǎo)流筒外側(cè)的流通截面積。為此選導(dǎo)流筒內(nèi)徑640mm，導(dǎo)流筒厚度為3mm，

mm 既 ?mm ?mm

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