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管壳式换热器设计相关问题的分析研究点击：2211 日期：[ 2014-04-26 22:06:02 ] |
| 管壳式换热器设计相关问题的分析研究 丁玉龙 1，王娟 2 (1．京鼎工程建设有限公司 设备室，北京 100029；2. 大连交通大学 交通运输学院，辽宁 大连 116028) [摘 要]文章根据作者的工程实践及设计经验，总结了管壳式换热器在设计过程中易出现的问题，并指出了解决 办法。重点介绍了隔板槽面积的取值问题，并以 U 型管换热器为例，采用过程装备强度计算软件 SW6 对管板的厚度 进行了计算，指出了设计过程中在换热管四种最常用的布管方式下的隔板槽面积的计算方法，并分析了隔板槽面积大 小对管板厚度的影响。 [关键词]管壳式换热器；设计问题；压力试验；隔板槽面积 [中图分类号]TH12 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2008)10-0133-05 换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、 机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备。通常在化 工厂的建设中，换热器约占总投资的 10～20 %；在石化炼油 厂中，换热器约占全部工艺设备投资的 35～40 %。列管式换 热器是应用最为广泛的换热设备。它结构坚固、可靠性高、适 应性广、易于制造、处理能力大、生产成本低、选用的材料范 围广、换热表面清洗较方便、能承受较高的操作压力和温度。在高温、高压和大型换热器中，管壳式换热仍占绝对优势，所 以广泛应用于化工、炼油、石油化工以及其它工业中[1]。 因此，文章根据作者长期的工程设计经验，总结了管壳式 换热器在设计中易出现几个问题，提出了解决办法，并重点分 析介绍了隔板槽面积取值问题。 1 换热器的基本类型 根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头 式、U 形管式、填料函式及釜式重沸器等五类。 每种结构形式各自发挥不同的作用。在管壳式换热器设计 时，必须考虑很多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温 度、壁温温差、介质结垢情况、流体性质以及检修和清洗条件 等等，从而确定一种适合的结构形式。同时也得考虑材料的价 格、制造成本、动力消耗和使用寿命等因素，力求在满足工艺 要求的情况下，使换热器在整个使用寿命内最经济的运行。如 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，在外形尺寸相同的条件下，与浮头式和 U 形管式换热器相比，换热面积大。但由于固定管板式换热器的 壳程清洗困难和适应热膨胀能力差，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。 2 换热器设计中常见的问题及解决方法 换热器的结构设计是否合理，直接影响换热器的传热能 力。因此，文章根据作者长期的工程实践及设计经验，针对常 见的问题进行了分析说明，并指出了解决办法。 2.1 换热器管程设计压力大于壳程设计压力时，壳程 试验压力的选取问题 当换热器设计压力大于壳程设计压力时，壳程的试验压力 仍按常规选取是错误的。为了检查管子与管板的严密性，壳程 的试验压力可按下面几种处理方法[2]： (1)提高壳程的试验压力等于管壳的试验压力。采用这种 方法时，必须首先核算壳体在压力试验时产生的应力，要求壳 程任意一点的薄膜应力的计算值不得超过所有材料在试验温 度下的 90 %屈服极限。同时接管、法兰也应满足压力试验条 件下的强度要求。 (2)若经过计算后不能采用上述方法试验时，则壳程、管 程按各自要求的试验压力进行压力试验合格后，壳程再以 1.05 倍壳程设计压力的含氨体积约 1 %的压缩空气进行试验。 (3)对有特殊要求的换热器，如高压换热器等可用低压纯 氨进行试漏或采用卤素检漏等方法试验。 2.2 卧式冷凝器折流板未左右布置 卧式冷凝器介质为气、液共存，折流板应左右布置。折流 板的缺口上下布置是不合适的，如果折流板缺口上下设置，不 利于冷凝液的排出。特别当冷凝液位高于上置折流板的下缺口 时，会形成液封，阻碍蒸汽流动，影响设备传热和运行。对卧 置式换热器还应该注意的是，在折流板的最高和最低处，应开 夹角 90°、深 15 mm 的排气、排液缺口。 2.3 换热器管箱上设有大接管或分程隔板时未要求 进行热处理的问题 设计换热器管箱有两种倾向：一种是管箱不做热处理；另一种是管箱要进行热处理，是否需要热处理，要看具体情况而 定。 (1)碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱以及管箱的 侧向开孔超过 1/3 圆筒内径的管箱，应在施焊后做消除应力的 热处理。 (2)奥氏体不锈钢的管箱，一般不做焊后热处理。当有较 高抗腐蚀要求或高温下使用时，可按供需双方商定的方法进行 热处理。 2.4 钢板本身具有与筒体相连接的凸肩时，未选用锻 件的问题 在工程设计中，常遇到管板选用板材加工，还是选用锻件 加工界限不清。当管板本身具有与筒体相连接的凸肩结构时， 必须用锻件加工，不能用板材加工。因为厚板有分层倾向，在 上述情况下如用板材加工成管板，特别容易出问题。还有选用 锻件的管板，应按有关标准提出必要的锻件技术要求。 2.5 换热管未标准精度的错误 由于 I、II 级换热器的差别只体现在管束上，故 GB151 将 I、II 级换热器修订为 I、II 级管束。换热器设计时必须说明换 热管的等级。I 级换热管是高精度冷拔换热管，适用于无相变 传热和易产生振动的场合，II 级换热管是普通冷拔换热管，适 用于重沸冷凝传热和无振动的场合。选定了不同级别的换热 管，才能对管板和折流板、管孔提出不同尺寸偏差和精度要求。 3 管板计算 SW6 软件是一款专门用于过程设备强度计算的软件包， 现以 U 型管换热器为例，使用 SW6 进行管板计算，其主体参 数设置见图 1。其他条件不变，只改变隔板槽截面积进行对比 计算：输入隔板槽面积为 5240 mm，见图 2。 上述各计算方法中的变量符号分别代表以下涵义： S—换热管中心距，mm；Sn—隔板槽两侧相邻管中心距 mm；n’—沿隔板槽一侧的排管根数；Ad—未能背换热管支撑 的面积，mm 因此精确的计算隔板槽面积是必要的，有时候为了图方 便，就直接计算隔板槽的几何面积，这是错误的。以上给出了 四种常用隔板槽面积的计算方法，可以避免这种错误再发生。 4 结论 设计符合法规并且最经济的换热器，必须熟悉法规条文及 公式应用和一般力学常识，了解使用者的要求，同时参考别人 的设计方式及资料，参观换热器厂。并与制造厂技术人员探讨 自己产品制造程序事宜，借以改进缺点。通过了解设备的基本结构，提高换热器的设计水平，可以使设计的产品向安全、经 济的方向发展。 参考文献 [1]郑津洋，董其伍，桑芝富．过程设备设计[M]．化学工业出版社，2005： 110-123． [2]王新，张湘凤．管壳式换热器的设计计算[J]．小氮肥设计技术，2006， (2)：6-8． [3]顾德龙．管板隔板槽面积计算及其对管板厚度影响[J]．压力容器，2000， (4)：34-36． (本文文献格式：丁玉龙，王娟．管壳式换热器设计相关问题 的分析研究[J]．广东化工，2008，35(10)：133-137) |
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