U形管換熱器設計.doc

長春理工大學本科畢業(yè)設計摘要本文依據(jù)國家相關規(guī)范、標準，嚴格遵循GB151-99和GB150-98，著重介紹了U型管式換熱器的傳熱工藝的計算，及物料與結構因素對換熱能力的影響和換熱器的機械設計，包括工藝結構與機械結構設計和換熱器受力元件如管板的受力計算和強度校核，以保證蒸汽過熱器安全運行，其中，前者主要是確定有關部件的結構形式，結構尺寸和零件之間的連接，如封頭、接管、管板、折流板等的結構形式和尺寸，管板與換熱管、殼體、管箱的連接等。還介紹了U型管式換熱器的制造、檢驗、安裝和維修時應注意的事項。關鍵詞：蒸汽過熱器 傳熱計算 結構設計 強度校核AbstractThis thesis is based on relevant national, standards, and strictly follows the GB151-99 and GB150-98, emphatically introduces the calculation of heat technologic process of U-tube heat exchangers, the effect with the fluids and structure of heat exchanger, and design of kinds of mechanical structure, including structure of technologic process and mechanical structure and the loading conditions of objects of heat exchanger and strength check ,such as, tube sheet, aimed to make the heat exchangers work safely, the former is mostly related to component structural form and dimension, such as Vessel Head, nozzle, tube sheet, and baffle plate, and so on. And it also involves connection between tube sheet and accessories, shell and channel. Besides it also introduces some events to taking into account when manufacturing, inspecting, installing and maintaining.Key words: Steam superheater; Calculation of heat transfer; Design of structure; Strength check35目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1概述11.2換熱器在工業(yè)中的應用11.3換熱器研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向21.3.1研究現(xiàn)狀21.3.2發(fā)展趨勢31.4設計任務及思想41.4.1設計任務41.4.2設計思想4第2章 工藝計算及結構設計52.1確定物性參數(shù)52.2確定熱流量72.2.1平均傳熱溫差72.2.2熱流量72.3工藝結構尺寸82.3.1管徑和管內(nèi)流速82.3.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)82.3.3平均傳熱溫差校正92.3.4傳熱管排列92.3.5筒體92.3.6折流板102.3.7其他附件112.3.8接管112.3.9鞍座設計122.4校核傳熱系數(shù)及換熱面積122.4.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)122.4.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)122.4.3污垢熱阻和管壁熱阻132.5換熱器主要參數(shù)14第3章 結構及強度計算153.1 U型管換熱器基本參數(shù)153.1.1原始數(shù)據(jù)153.1.2布管限定圓153.2殼體設計及檢驗153.2.1殼程筒體壁厚153.2.2筒體壁厚檢驗163.2.3殼程筒體封頭厚度的計算173.2.4折流板設計及檢驗173.2.5驗證U型管的尾部支撐173.3管箱設計183.3.1管箱短節(jié)設計183.3.2管箱短節(jié)壁厚檢驗183.3.3管箱封頭設計193.3.4管箱法蘭設計193.4管板設計計算203.5分程隔板的設計223.6拉桿與定距管的設計223.7開孔和開孔補強設計233.7.1殼程進出口接管補強計算233.7.2管箱短節(jié)進出口接管補強計算26第4章 安裝使用及維修284.1安裝284.2維護和檢修294.3設備施工中常見錯誤的一些解決方案304.3.1設備施工中管口錯誤的解決方案304.3.2材料選擇與代用304.3.3試壓314.3.4容器加工31結論32參考文獻33致謝34第1章 緒論1.1概述蒸汽過熱器是管殼式換熱器的一種，是以煤為原料的合成氨氮肥裝置中的主要設備。該設備用合成反應氣來加熱蒸汽，既便于合成反應氣達到下一道工序的溫度要求，同時使蒸汽的焓值升高，從而生成過熱蒸汽，達到節(jié)能增效的目的。換熱器在日常生活中隨處可見，是不可缺少的工藝設備之一。因此換熱器的研究也備受世界各國政府及研究機構的高度重視。隨著研究投入的加大，一批具有代表性的高效換熱器和強化傳熱元件也隨之誕生。隨著研究的深入，工業(yè)應用取得了令人矚目的成就，社會效益得到了顯著提高，緩解了能源緊張問題。換熱設備是使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備，使化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機械及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設備。在化工廠中，換熱設備的投資約占總投資的10%20%；在煉油廠中，約占總投資的35%40%。1.2換熱器在工業(yè)中的應用在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給穩(wěn)到較低的流體，使流體溫度達到工藝流程的指標，以滿足工業(yè)流程上的需要。由于世界性的能源危機，為了降低能耗，工業(yè)生產(chǎn)中對換熱器的需求量越來越多，對換熱器的質(zhì)量要求也越來越高。近幾十年來，緊湊式換熱器(板式、板翅式、壓焊板式換熱器等)、熱管式換熱器、直接接觸式換熱器等得到發(fā)展。目前國內(nèi)使用的換熱器多為列管換熱器和螺旋板換熱器。它的主要特點是管內(nèi)外換熱面積相等。這樣當交換系數(shù)相差較大的交換介質(zhì)在管內(nèi)外進行熱量交換時，由于其不平恒性而達不到理想的交換目的，換熱效率相對較低。雖然現(xiàn)在出現(xiàn)大量結構緊湊高效的換熱設備，例如：波紋板換熱器、板翅式換熱器、螺旋板換熱器、傘板換熱器等，但在各行業(yè)的換熱設備中，管殼式換熱器仍占據(jù)著主導地位。因為許多工藝過程都具有高溫、高壓、高真空、有腐蝕等特點，而管殼式換熱器具有選材范圍廣(可為碳鋼、低合金鋼、高合金鋼、鋁材、銅材、鈦材等)，換熱表面清洗較方便，適應性強，處理能力大，特別是能承受高溫和高壓等特點，所以管殼式換熱器被廣泛應用于化工、煉油、石油化工、制藥、印染以及其它許多工業(yè)中，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等方面。管殼式換熱器主要由換熱管束、殼體、管箱、分程隔板、支座等組成。換熱管束包括換熱管、管板、折流板、支持板、拉桿、定距管等。換熱管可為普通光管，也可為帶翅片的翅片管，翅片管有單金屬整體軋制翅片管、雙金屬軋制翅片管、繞片式翅片管、疊片式翅片管等，材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅材、鋁材、鈦材等。殼體一般為圓筒形，也可為方形。管箱有橢圓封頭管箱、球形封頭管箱和平蓋管箱等。分程隔板可將管程及殼程介質(zhì)分成多程，以滿足工藝需要。管殼式換熱器在結構設計時，必須考慮許多因素，例如傳熱條件、材料、介質(zhì)壓力、溫度、管殼程壁溫溫差、介質(zhì)結垢情況、流體性質(zhì)以及檢修和清洗條件等等，從而確定一種適合的結構形式。對于同一種形式的換熱器，由于各種不同工況，往往采用的結構并不相同。在工程設計中，應按其特定的條件進行分析設計，以滿足工藝需要。新型換熱設備結構及材料研究及過程裝備CAD/CAE/CAM技術研究方向以工程流體力學、傳熱學、應用力學為理論基礎，集過程、工藝、結構于一系統(tǒng)之中，進行了優(yōu)化與綜合研究，推出了傳統(tǒng)擋板管殼式換熱器的換代產(chǎn)品。首次系統(tǒng)地研究和論述了“縱流殼程換熱器”的流體力學、傳熱性能及強化機理，組合結構的設計強度分析，強化換熱管及管束制造，結構性能的模糊優(yōu)化，管束的動力和計算機輔助設計及仿真模擬技術。從理論上為新型“縱流殼程換熱器”技術的發(fā)展與工程應用奠定堅實基礎。八十年代中至今，主要從事新型管殼式換熱器的研究工作。由于傳統(tǒng)的擋板式橫向流殼程管殼式換熱器，它的高度可靠性和廣泛適應性，是其它板式高效換熱器所不能替代的。因此，至今它仍在工業(yè)生產(chǎn)中占主要地位。在日本其產(chǎn)量占全部換熱器的70，在我國高達90以上。但它卻存在傳熱效率低、流體流動阻力大和易產(chǎn)生誘導振動等缺點。因此進一步研究開發(fā)新型高效節(jié)能管殼式換熱器，無論在理論和在工程實踐中均有重要意義。此項成果將直接產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益和社會效益。1.3換熱器研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向20世紀80年代以來，換熱器技術飛速發(fā)展，帶來了能源利用的提高。各種新型、高效換熱器的相繼開發(fā)與應用帶來了巨大的社會經(jīng)濟效益，市場經(jīng)濟的發(fā)展、私有化比例的加大，降低成本已成為企業(yè)追求的最終目標。因而節(jié)能設備的研究與開發(fā)備受關注。能源的日趨緊張、全球環(huán)境氣溫的不斷升高、環(huán)境保護要求的提高給換熱器及高溫、高壓換熱器帶來了日益廣闊的應用前景。1.3.1研究現(xiàn)狀美國傳熱研究公司（Heat Transfer Research Inc.）即HTRI，是1962年發(fā)起組建的一個國際性、非贏利的合作研究機構。在傳熱機理、兩相流、振動、污垢、模擬及測試技術方面做出了重要貢獻。近年來，該公司在計算機應用軟件開發(fā)上發(fā)展很快，所開發(fā)的網(wǎng)絡優(yōu)化軟件、各種換熱器工藝設計軟件計算精度準確，不僅節(jié)省了人力，提高了效率，而且提高了技術經(jīng)濟性能。英國傳熱及流體服務中心（Heat Transfer and Fluid Flow Service）即HTFS，于1967年成立，隸屬于英國原子能管理局。該公司長期從事傳熱與流體課題的研究，所積累的經(jīng)驗和研究成果不僅廣泛應用于原子能工業(yè)，而且用于一般工業(yè)。最大特點是與各大學和企業(yè)合作，進行專門的課題研究，研究成果顯著。在傳熱與流體計算上更準確，開發(fā)的HTFS、TASC各類換熱器微機計算軟件備受歡迎。國內(nèi)各研究機構和高等院校研究成果不斷陳列出新，在強化傳熱元件方面華南理工大學相繼開發(fā)出表面多孔管、螺旋槽管、波紋管、縱橫管等；天津大學在流路分析法、振動等方面研究成果顯著；清華大學在板片傳熱方面有深入的研究；在強度軟件方面化工設備設計技術中心站開發(fā)出SW6等；這些技術成果為國民經(jīng)濟快速發(fā)展，為中國煉油、化工工業(yè)的發(fā)展起到了重要作用，也使中國的傳熱技術水平步入國際先進水平。1.3.2發(fā)展趨勢物性模擬研究 換熱器傳熱與流體流動計算的準確性，取決于物性模擬的準確性。因此，物性模擬一直為傳熱界重點研究課題之一，特別是兩相流物性的模擬。其基礎來源于實驗室實際工況的模擬，這恰恰是與實際工況差別的體現(xiàn)。有時實驗室與實際工況差別較大，為此，要求物性模擬在實驗手段上更加先進，測試的準確率更高。從而使換熱器設計更加精確，材料更節(jié)省。分析設計的研究 分析設計是近代發(fā)展的一門新興學科，通過分析設計可以得到流體的流動分布場，使得給常規(guī)強度計算帶來更準確、更便捷的手段。這一技術隨著計算機應用的發(fā)展，將帶來技術水平的飛躍。將會逐步取代強度試驗，擺脫實驗室繁重的勞動。大型化及能耗的研究 換熱器將隨裝置大型化而大型化，緊湊型換熱器將越來越受到歡迎。當今換熱器的發(fā)展將振動損失逐漸克服，高溫、高壓、安裝、可靠地換熱器結構將朝著結構簡單、制造方便、重量輕發(fā)展。強化技術研究 各種新型、高效換熱器將逐步取代現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品。電場動力效應強化傳熱技術、添加物強化沸騰傳熱技術、通入惰性氣體強化傳熱技術、滴狀冷凝技術，微生物傳熱技術、磁場動力傳熱技術在新的世紀得到研究和發(fā)展。新材料研究 材料將朝著強度高、制造工藝簡單、防腐效果好、重量輕的方向發(fā)展。控制結垢即腐蝕的研究 隨著節(jié)能、增效要求提高，污垢研究將會受到國家的重視和投入。通過對污垢的形成機理、生長速度、影響因素的研究，預測污垢曲線，從而控制結垢，這將傳熱效率的提高將帶來重大突破。1.4設計任務及思想1.4.1設計任務設計一臺蒸汽過熱器，設計條件如下： 殼程 管程 物料名稱 蒸汽 合成反應氣介質(zhì)性質(zhì) 無 毒 易燃易爆，中度毒性設計壓力（MPa） 4.6 6 工作壓力（MPa） 3.75 5.5 工作溫度（C） 248.2/400 443.1/416.3設計溫度（C） 400 450 換熱面積 （m2） 105程數(shù) 1 2 使用壽命 12年結構型式 BIU1.4.2設計思想設計應遵循優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低耗的原則，盡可能采用先進的技術、最新的國家與行業(yè)標準，以滿足技術先進，經(jīng)濟合理之要求，具體可概括為：（1）根據(jù)GB151-1999鋼制壓力容器與壓力容器用鋼等國家標準進行設計。（2）滿足工藝和操作要求。所設計的流程和設備應確保得到質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品，同時所設計的流程與設備要具有一定的操作彈性，以期方便地對流量和傳熱量進行調(diào)節(jié)。（3）滿足經(jīng)濟上的要求。設計省熱能和電能的消耗，減少設備與基礎的費用，選擇合適的回流比，節(jié)省水蒸汽，設計時要全面考慮，力求總費用盡可能的低。（4）保證生產(chǎn)安全。所設計的換熱器應具有一定的剛度和強度，設計中應根據(jù)設計壓力確定壁厚,再校核其他零件的強度,進行水壓試驗，并保證容器具有足夠的腐蝕裕度。第2章 工藝計算及結構設計2.1確定物性參數(shù)定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值1。故殼程蒸汽的定性溫度為：管程合成反應氣的定性溫度為：根據(jù)定性溫度，分別查取計算殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)合成反應氣的組分及比例見表2-1。表2-1 合成反應氣組分比例表組分合計含量%11.783.2744.3316.160.2724.19100根據(jù)表2-1以及化學化工物性數(shù)據(jù)手冊2查得各組分在定性溫度下的物性參數(shù)，見表2-2。表2-2 物性參數(shù)表組分比熱密度粘度導熱系數(shù)1042.2294.130.0491112.1457.820.050146043.860.331096.2557.850.0513974.9133.690.112838.941.340.0766根據(jù)查得的物性參數(shù)及常用化工單元設備的設計3關于混合氣體的計算公式計算合成反應氣的各項物性參數(shù)。的摩爾分率為：的摩爾分率為：的摩爾分率為：的摩爾分率為：的摩爾分率為：的摩爾分率為：合成反應氣物性參數(shù)計算公式為： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）按式（2-1）計算得出合成反應氣密度為：按式（2-2）計算得出合成反應氣粘度為：按式（2-3）計算得出合成反應氣比熱為：按式（2-4）計算得出合成反應氣導熱系數(shù)為：則有：蒸汽在324.1，4.6下的物性數(shù)據(jù)如下：密度 定壓比熱容 導熱系數(shù) 粘度 合成反應氣在429.7，6下的物性數(shù)據(jù)如下：密度 定壓比熱容 導熱系數(shù) 粘度 2.2確定熱流量2.2.1平均傳熱溫差先按照純逆流計算，根據(jù)式（2-5）計算 （2-5）得：2.2.2熱流量為求得熱流量，需先求出傳熱系數(shù)K，而K值又與給熱系數(shù)、污垢熱阻等有關。在換熱器的直徑、流速等參數(shù)均未確定時，給熱系數(shù)也無法計算，所以只能進行試算。假設，則估算的熱流量根據(jù)式（2-6）計算 （2-6）為：根據(jù)熱流量可求出殼程蒸汽及管程合成氣的流量分別為：2.3工藝結構尺寸2.3.1管徑和管內(nèi)流速換熱管有光管、焊接管、螺紋管、波節(jié)管、波紋管、三維內(nèi)外肋管等。在沒有特殊要求的情況下，一般選用光管因為光管加工方便、價格便宜，本裝置采用光管。選擇管徑時，應盡可能使流速高些，但一般不應超過規(guī)定的流速范圍。易結垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標準中僅有及兩種規(guī)格的管子。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大、結構緊湊、金屬耗量減少、傳熱系數(shù)提高。管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清洗，且易彎曲。我國生產(chǎn)的標準鋼管長度為，當選取管長時，應根據(jù)鋼管長度規(guī)格，合理裁減，避免材料的浪費。本裝置的換熱管采用的光管。取管內(nèi)流速。2.3.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速按式（2-7）確定 （2-7）則單程傳熱管數(shù)：（根）所需的傳熱管長度按式（2-8）確定 （2-8）為：根據(jù)本設計實際情況，采用標準設計，現(xiàn)取傳熱管長。2.3.3平均傳熱溫差校正平均溫差校正系數(shù)有：，根據(jù)單殼程，雙管程結構，查GB1504得：則平均傳熱溫差為： 2.3.4傳熱管排列換熱管外徑為，查GB1515得最小換熱管最小彎曲半徑為，取離分程隔板最近一排的換熱管彎曲半徑為，由分程隔板向上每一排布管的彎曲半徑相等。U型換熱管段彎曲前的最小壁厚按式（2-9）確定 （2-9）有：換熱管采用正方形排列。取管心距，則，換熱管排列方式見裝配圖中的布管圖。2.3.5筒體（1）一般來說，換熱器的殼體和管箱公稱直徑大于400mm時，其筒體使用板材卷制。當換熱器的公稱直徑小于等于400mm時，其筒體使用管材制作。（2）壁厚的確定 筒體壁厚應按照文獻4進行強度計算。規(guī)定殼體最小厚度的目的是為了增加殼體剛性，減少變形，以利于管板和管束的安裝，尤其是浮頭換熱器的殼體由于得不到管板的加強又需要拆卸，故保證最小厚度更為重要。筒體的有效厚度及名義厚度在強度計算中確定。由于本過熱器采用雙管程結構，殼體內(nèi)徑可按下式估算。取管板利用率，則殼體內(nèi)徑按式（2-10）計算 （2-10）為：按U型管換熱器殼體標準直徑系列，可取。2.3.6折流板列管式換熱器的殼程流體流通截面積大，在殼程流體屬對流傳熱條件時，為增大殼程流體的流速，加強其湍動程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需要設置折流板。折流板有橫向折流板和縱向折流板兩類6，單殼程的換熱器僅需設置折流板，橫向折流板同時兼有支承傳熱管，防止產(chǎn)生振動作用。管殼式換熱器中常用的折流板形式如圖2-1：圖2-1常用折流板形式管殼式換熱器常用的有弓形和盤環(huán)形。在弓形折流板中，流體在板間錯流沖刷管子，而流經(jīng)折流板弓形缺口時是順流經(jīng)過管子后進入下一板間，改變方向，流動中死區(qū)較少，比較優(yōu)越，結構比較簡單，一般標準換熱器中只采用這種。盤環(huán)形折流板制造不方便，流體在管束中為軸向流動，效率較低。而且要求介質(zhì)必須是清潔的，否則沉淀物將會沉積在圓環(huán)后面，是傳熱面積失效，此外，如有惰性氣體活溶解氣體放出是，不能有效地從圓環(huán)上部排出，所以一般用于壓力比較高而又清潔的介質(zhì)。因此，采用單弓形折流板。去弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：，可取。取折流板間間距為：，取。折流板數(shù)目：其中一個折流板不去圓缺，如裝配圖中所示。按化工單元過程及設備課程設計中關于折流板厚度的規(guī)定，取折流板厚度為8。2.3.7其他附件查文獻5中關于拉桿與定距管的相關規(guī)定，選擇拉桿直徑，本換熱器殼體內(nèi)徑為700，拉桿數(shù)量取為6根。根據(jù)文獻5設置中間擋板2塊，中間擋板設置在U型管束的中間通道處，并與折流板點焊固定。見裝配圖。2.3.8接管接管內(nèi)徑按式（2-11）計算： （2-11）殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為，則接管內(nèi)徑為圓整后取管內(nèi)徑為。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)氣體流速，則接管內(nèi)徑為圓整后取管內(nèi)徑為。2.3.9鞍座設計該設備為臥式換熱器，由于筒體直徑，根據(jù)JB/T47127選BI型重型鞍式支座：BI700-F/S，材料選用Q235-B。安裝尺寸根據(jù)JB/T47178中相關規(guī)定取值，其中， ，根據(jù)文獻5中相關規(guī)定，取，。見裝配圖。2.4校核傳熱系數(shù)及換熱面積2.4.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法9按式（2-12）計算： （2-12）當量直徑為： 殼程流通截面積為：殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：普朗特數(shù)為：粘度校正 根據(jù)（2-12）計算出殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有：2.4.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)根據(jù)式（2-13）計算： （2-13）管程流體流通截面積為：管程流體流速及雷諾數(shù)為：普朗特數(shù)為：根據(jù)式（2-18）計算出管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：2.4.3污垢熱阻和管壁熱阻取管外側污垢熱阻 ，管內(nèi)側污垢熱阻。管壁熱阻按式（2-14）計算： （2-14）根據(jù)文獻3，碳鋼在該條件下的熱導率為，根據(jù)文獻9按式（2-15）計算傳熱系數(shù) （2-15）為： 校核傳熱系數(shù)有：，K值符合條件。校核傳熱面積，計算傳熱面積為：該換熱器的實際傳熱面積為：該換熱器的面積裕度為：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。2.5換熱器主要參數(shù)換熱器主要結構尺寸及參數(shù)見表2-1：表2-1 換熱器參數(shù)參數(shù)管程殼程進/出口溫度/443.1/416.3248.2/400壓力/MPa64.6物性參數(shù)定性溫度/429.7324.1密度/（kg/m3）8.4518.68定壓比熱容/kj/（kgk）13.422.76粘度/（Pas）熱導率（W/mk） 0.280.054普朗特數(shù)1.0691.071設備結構參數(shù)形式U型管式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/700臺數(shù)1管徑/252.5管心距/32管長/6000管子排列正方形管數(shù)目/根129折流板數(shù)/個12傳熱面積/121.5折流板間距/450管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計算結果管程殼程流速/（m/s）16.533.86表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/（k）3960337污垢熱阻/（k/W）0.000520.00009熱流量/KW2024.19傳熱溫差/K87.2傳熱系數(shù)/W/（K）231裕度/%20.9%第3章 結構及強度計算3.1 U型管換熱器基本參數(shù)3.1.1原始數(shù)據(jù)蒸汽過熱器設計原始數(shù)據(jù)見表3-1：表3-1 原始數(shù)據(jù)名稱設計壓力MPa設計溫度焊接系數(shù)腐蝕裕量mm換熱面積m2容器類型管程645012105殼程4.640012根據(jù)第一章計算結果，參照換熱器設計手冊10，選擇標準換熱器，型號為，基本參數(shù)見下表3-2：表3-2 換熱器基本參數(shù)筒體公稱直徑DN mm換熱管根數(shù) n換熱管外d mm中心排管數(shù)管程流通面積 m2傳熱面積m2管程數(shù)N70012925190.411119.42實際換熱面積為。3.1.2布管限定圓查文獻5可知布管限定圓直徑按式（3-1）計算： （3-1）其中，但一般不小于8mm，故取，則有：，取。3.2殼體設計及檢驗3.2.1殼程筒體壁厚由工藝設計選擇設計溫度400，設計壓力4.6MPa，選用低合金結構鋼板16卷制，查得材料在400時許用應力，；焊縫系數(shù)=1，腐蝕裕度；對16鋼板的負偏差，根據(jù)過程設備設計11內(nèi)壓圓筒計算厚度公式（3-2）計算： = （3-2）有下列結果：計算厚度：；設計厚度：；名義厚度：，圓整取；有效厚度：。3.2.2筒體壁厚檢驗應力校核設計溫度下殼體圓筒的計算應力按式（3-3）計算 （3-3）為： 而由于，故筒體名義厚度滿足條件。設計溫度下最大允許工作作壓力校核設計溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（3-4）計算 （3-4）為： 由于，故筒體名義厚度滿足條件。水壓試驗應力校核：查得實驗溫度下的許用應力為，試驗壓力按式（3-5）計算： （3-5）有：圓筒的薄膜應力按式（3-6）計算 （3-6）有：而由于，故水壓試驗合格。3.2.3殼程筒體封頭厚度的計算查標準JB/T474612中表1，得公稱直徑，選用標準橢圓形封頭，長短軸比值為2，根據(jù)文獻4按式（3-7）計算橢圓形封頭厚度： （3-7）有：焊縫系數(shù)=1，腐蝕裕度；對16鋼板的負偏差，則有：封頭的名義厚度為：；取封頭名義厚度與殼體名義厚度相等，取為。封頭參數(shù)見表3-3：表3-3 封頭參數(shù)表公稱直徑DN mm總深度H mm內(nèi)表面積A 容積質(zhì)量Kg7002000.58610.054575.33.2.4折流板設計及檢驗根據(jù)2.3.6有，折流板數(shù)目為12，間距，根據(jù)文獻3中關于換熱管最大無支撐跨距的規(guī)定，外徑為25的換熱管最大無支撐跨距為1850mm，且有，滿足要求。折流板材料選用，此時折流板的最小厚度為5mm，取折流板的厚度為6mm，滿足要求。3.2.5驗證U型管的尾部支撐根據(jù)文獻5中U型管換熱器規(guī)定，靠近彎管段起支撐作用的折流板，如下圖，結構尺寸A+B+C之和應不大于最大無支撐跨距，超過表中數(shù)值時，應在彎管部分加特殊支撐。圖3-1 U型管的尾部支撐參照本設計U型管換熱器裝配圖有：，；則有：，故滿足條件，不需要另行設置特殊支撐。3.3管箱設計3.3.1管箱短節(jié)設計管箱壁厚計算：管箱材料取為，查文獻4得，。焊縫系數(shù)=1，腐蝕裕度，鋼板的負偏差。則有：計算厚度：；設計厚度：；名義厚度：，圓整?。挥行Ш穸龋?。3.3.2管箱短節(jié)壁厚檢驗應力校核設計溫度下管箱短節(jié)的計算應力按式（3-3）計算為：由于，故筒體名義厚度滿足條件。設計溫度下最大允許工作作壓力校核設計溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（3-4）計算為：由于，故筒體名義厚度滿足條件。水壓試驗應力校核：查得實驗溫度下的許用應力為，試驗壓力按式（3-5）計算：圓筒的薄膜應力按式（3-6）計算由于，故水壓試驗合格。3.3.3管箱封頭設計選用標準橢圓形封頭，長短軸比值為2，公稱直徑，封頭材料選用，焊縫系數(shù)=1，腐蝕裕度，鋼板的負偏差。根據(jù)式（3-7）計算：則有封頭的名義厚度為：；取封頭名義厚度與管箱筒體名義厚度相等，取為。3.3.4管箱法蘭設計長頸對焊法蘭與殼體之間為對接焊縫，連接強度很好，且可以采用各種方法進行焊縫質(zhì)量檢查，加之有頸部支撐，使其具有較好的剛性，不易變形而發(fā)生泄露，本設計采用此種法蘭。參考JB4703-200013采用帶頸對焊法蘭，凹凸面密封，參數(shù)見下表3-4：表3-4 法蘭參數(shù)表N法蘭DD1D2D3D4HhaRd7009508808298198169018048262326421839螺柱采用M36,數(shù)量為32個；管箱法蘭墊片根據(jù)JB/T4704-200014選型，基本參數(shù)見表3-5：表3-5 墊片尺寸公稱壓力 MPa 4公稱直徑 mmDd700 787 737圖3-2 管箱法蘭3.4管板設計計算管板是管殼式換熱器的一個重要元件，它除了與管子和殼體連接外，還是換熱器中的一個主要受壓元件。它或者與筒體直接相焊（固定管板式換熱器），或者被夾持在兩法蘭之間，起著管、殼程之間隔板和固定管板換熱的雙重作用。對管板的設計，除了滿足強度要求外，同時應合理的考慮其結構設計。管板與殼程圓筒、管箱圓筒之間可以有不同的連接方式，本U型管換熱器采用a型連接方式。管板材料采用16MnR，查得在設計溫度下的許用應力為：，。按照文獻3中關于U型管換熱器a型連接方式的計算步驟計算有：殼程圓筒壁厚，管箱圓筒壁厚為，換熱管管長，中心排管數(shù)為19，換熱管外徑，排列方式為正方形。（a）根據(jù)布管尺寸計算，根據(jù)法蘭密封面形式和墊片尺寸計算計算。按式（3-8）進行計算 （3-8） 根據(jù)墊片尺寸及法蘭密封面可知，則根據(jù)公式（3-8）計算得：（b）按式（3-9）計算 （3-9）以查表得根據(jù)文獻5中表22查得。（c）確定管板設計壓力，管程與殼程壓力同時作用下，有：。（d）按式（3-10）計算管板計算厚度： （3-10）厚度附加量，則名義厚度為：圓整為。（e）計算換熱管軸向應力換熱管材料選用20號碳素鋼鋼管，其在設計溫度下的需用應力為，換熱管與管板間采用強度焊接連接。換熱管軸向應力按式（3-11）計算： （3-11）其中：按下列三種工況分布計算換熱管的軸向應力：只有殼程設計壓力，管程的設計壓力為時，根據(jù)公式（3-11）：只有管程設計壓力，殼程設計壓力時，根據(jù)公式（3-11）：殼程設計壓力和管程設計壓力同時作用時，根據(jù)公式（3-11）：不同工況下的計算結果均滿足，故換熱管滿足軸向應力強度要求。（f）換熱管與管板連接的拉脫力按式（3-12）進行計算： （3-12）取不同工況下?lián)Q熱管的最大軸向應力計算，若最大軸向應力滿足要求則換熱管與管板的拉脫離滿足強度要求，有：按文獻5中關于的規(guī)定，有：，根據(jù)計算結果有，則換熱管與管板連接的拉脫力滿足強度要求。3.5分程隔板的設計管箱隔板一邊與管箱封頭進行配合，另一邊與固定管板的槽面進行連接。他起著改變介質(zhì)流向，縮小單程流通面積，延長流動距離，增加換熱時間的作用。根據(jù)文獻3中關于分程隔板的規(guī)定，規(guī)定隔板最小厚度為10mm，取隔板厚度為12mm。3.6拉桿與定距管的設計拉桿的作用是與定距管配合將換熱器的管束上的折流板連接固定起來，防止竄動。拉桿的一端靠螺扣旋入管板中固定，它從數(shù)塊折流板中間的拉桿孔中穿過，另一端用螺母固定在支持板上。拉桿結構見圖3-3。為了使各塊折流板間距符合設計要求，均勻受力，保證折流板與換熱管垂直，就需要在一個管束中布置一定數(shù)量的拉桿。但拉桿又位于布管區(qū)內(nèi)，一根拉桿就要占一跟換熱管的位置。因此拉桿的布置既要合理，數(shù)量又不能太多。拉桿直徑的選擇與換熱管外徑有關，拉桿數(shù)量則視換熱器的直徑而定。拉桿應盡量布置在管束的邊緣，對于大直徑的換熱器，不布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應布置適當數(shù)量的拉桿，任何折流板應不少于三個支承點。由2.3.7知拉桿直徑，拉桿數(shù)量取為6根。拉桿尺寸見下表3-6：表3-6 拉桿尺寸表拉桿直徑d拉桿螺紋公稱直徑dnLaLbb 16 1620602.0拉桿孔直徑為。定距管的作用是將折流板之間的距離固定下來，并保持它與換熱管垂直。當換熱管外徑大于等于19mm時，定距管外徑與換熱管相同。取25mm。3.7開孔和開孔補強設計由2.3.8知，殼程進出口接管管內(nèi)徑為，管箱短節(jié)處進出口接管管內(nèi)徑為。選用20號碳素鋼，查得個接管管口法蘭尺寸見表3-7：表3-7 接管管口法蘭參數(shù)DN鋼管外徑連接尺寸法蘭厚度法蘭高度法蘭頸高法蘭理論重量法蘭外徑螺栓孔中心圓 直徑螺紋規(guī) 格螺栓孔數(shù)量200219340295M20824621631.3250273395350M201226701635.4圖3-3 拉桿結構圖3.7.1殼程進出口接管補強計算殼體進出口接管開孔，外伸高度為150mm。計算壓力4.6MPa，設計溫度400。殼體型式為圓形筒體，殼體材料為16MnR,殼體開孔處焊縫街頭系數(shù)為1mm。殼體內(nèi)直徑為700mm。殼體開孔處名義厚度為16mm。殼體厚度負偏差C1為0，腐蝕裕量C2為2mm，接管材料20號碳素鋼。其在設計溫度下的許用應力為。接管腐蝕裕量2mm。開孔直徑為，由于，故可采用等面積法進行補強計算。計算中符號：開孔削弱所需要的補強截面積，；補強面積，；殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，；接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，；焊縫金屬面積，；補強有效寬度， 開孔直徑，圓形孔取接管內(nèi)徑加兩倍厚度附加量， 強度削弱系數(shù)，等于設計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比值，當該比值大于1.0時，??；接管外側有效補強高度，；接管內(nèi)側有效補強高度，；殼體開孔處的計算厚度，；殼體開孔處的有效厚度，； 接管有效厚度，； 殼體開孔處的名義厚度，；接管名義厚度，；接管計算厚度，；設計溫度下接管材料的許用應力，；設計溫度下殼體材料的許用應力，。補強面積按式（3-13）計算： （3-13）式中：殼體開孔處的計算厚度接管的有效厚度強度削弱系數(shù)根據(jù)式（3-13）有：有效補強范圍：有效寬度B按下式計算，取二者最大值由以上計算B取508mm內(nèi)外側有效高度分別按下式計算并去其中最小者：取取殼體多余金屬面積為：接管多余金屬面積為：焊腳取6 焊縫金屬面積為：則有效補強面積為：因為，所以開孔需另行補強另行補強面積為補強圈設計：根據(jù)接管公稱直徑選補強圈，參照補強圈標準JB/T473615取補強圈外徑內(nèi)徑，因，補強圈在有效補強范圍內(nèi)。補強圈厚度按式（3-14）計算： （3-14）取實際補強圈厚度，滿足補強面積要求。3.7.2管箱短節(jié)進出口接管補強計算管箱短節(jié)處進出口接管開孔，外伸高度為150mm。計算壓力6MPa，設計溫度450。殼體型式為圓形筒體，殼體材料為，殼體開孔處焊縫街頭系數(shù)為1mm。殼體內(nèi)直徑為700mm。殼體開孔處名義厚度為20mm。殼體厚度負偏差C1為0，腐蝕裕量C2為2mm，接管材料20號碳素鋼。其在設計溫度下的許用應力為。接管腐蝕裕量2mm。由于，故可采用等面積法進行補強計算：式中：殼體開孔處的計算厚度接管的有效厚度強度削弱系數(shù)接管計算厚度按式（3-17）有：。有效補強范圍：有效寬度B按下式計算，取二者最大值由以上計算B取408mm內(nèi)外側有效高度分別按下式計算并去其中最小者：取取殼體多余金屬面積為：接管多余金屬面積為：焊腳取6 焊縫金屬面積為：則有效補強面積為：因為，所以開孔需另行補強另行補強面積為補強圈設計：根據(jù)接管公稱直徑選補強圈，參照文獻15取補強圈外徑內(nèi)徑，因，補強圈在有效補強范圍內(nèi)。根據(jù)式（3-14）計算得補強圈厚度為：取實際補強圈厚度與筒體等候，滿足補強面積要求。第4章 安裝使用及維修4.1安裝安裝換熱器的基礎必須足以使換熱器不發(fā)生下沉，或使管道把過大的變形傳到換熱器的接管上。基礎一般分為兩種：一種為磚砌的鞍形基礎，換熱器上沒有鞍式支座而直接放在鞍形基礎上，換熱器與基礎不加固定，可以隨著熱膨脹的需要而自由移動。另一種為混凝土基礎，換熱器通過鞍式支座由地腳螺栓將其與基礎牢固地連接起來。在安裝換熱器之前應嚴格地進行基礎質(zhì)量的檢查和驗收工作，主要項目如下:基礎表面概況、基礎標高、平面位置、形狀和主要尺寸以及預留孔是否符合設計要求，地腳螺栓的位置是否正確，螺紋情況是否良好，螺帽和墊圈是否齊全，放置熱鐵的基礎表面是否平整等?；A驗收完畢后，在安裝換熱器之前應在基礎上放墊鐵，安放墊鐵處的基礎表面必須鏟平，使兩者能很好接觸。墊鐵厚度可以調(diào)整，使換熱器能達到設計的水平度和標高。墊鐵放置后可增加換熱器在基礎上的穩(wěn)定性，并將其重量通過墊鐵均勻地傳遞到基礎上去。墊鐵可分為平墊鐵、斜墊鐵和開口墊鐵。其中，斜墊鐵必須成對使用。地腳螺栓兩側均應有墊鐵，墊鐵的安裝不應妨礙換熱器的熱膨脹。換熱器就位后需用水平儀對換熱器找平，這樣可使各接管都能在不受力的情況下連接管道。找平后，斜墊鐵可與支座焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死。當兩個以上重疊式換熱器安裝時。應在下部換熱器找正完畢，并用地腳螺栓充分固定后，再安裝上部換熱器。可抽管束換熱器安裝前應抽芯檢查、清掃，抽管束時應注意保護密封面和折流扳。移動和起吊管束時應將管束放置在專用的支承結構上，以避免損傷換熱管。根據(jù)換熱器的結構形式，應在換熱器的兩端留有足夠的空間來滿足操作、清洗、維修的需要。浮頭式換熱器的固定頭蓋端應留出足夠的空間以便能從殼體內(nèi)抽出管束。外頭蓋端必須也留出一米以上的位置以便裝拆外頭蓋和浮頭蓋。固定管板式換熱器的兩端應留出足夠的空間以便能抽出和更換管子。并且，用機械法清洗管內(nèi)時，兩端都可對管子進行刷洗操作。U形管式換熱器的固定頭蓋應留出足夠的空間以便抽出管束。也可在其相對的一端留出足夠的空間以便能拆卸殼體。換熱器不得在超過銘牌規(guī)定的條件下運行。應經(jīng)常對管、殼程介質(zhì)的溫度及壓降進行監(jiān)督，分析換熱器的泄漏和結垢情況。管殼式換熱器就是利用管子使其內(nèi)外的物料進行熱交換、冷卻、冷凝、加熱及蒸發(fā)等過程，與其它設備相比較，其與腐蝕介質(zhì)接觸的表面積就顯得非常大，發(fā)生腐蝕穿孔及接合處松弛泄漏的危險性很高，因此對換熱器的防腐蝕和防漏的方法也比其它沒備要多加考慮。當換熱器用蒸汽來加熱或用冷水來冷卻時，水中的溶解物在加熱后，大部分溶解度都會有所提高，而硫酸鈣類型的物質(zhì)則幾乎沒有變化。冷卻水經(jīng)常循環(huán)使用，由于水的蒸發(fā)，使鹽類濃縮產(chǎn)生沉積或污垢。又因水中含有腐蝕性溶解氣體及氯離子等引起設備腐蝕，腐蝕與結垢交替進行，激化了鋼材的腐蝕。因此，必須通過清洗來改善換熱器的性能。由于清洗的困難程度是隨著垢層厚度或沉積物的增加而迅速增大的。所以清洗間隔時間不宜過長，應根據(jù)生產(chǎn)裝置的特點、換熱介質(zhì)的性質(zhì)、腐蝕速度及運行周期等情況定期進行檢查、修理及清洗。4.2維護和檢修為了保證換熱器長久正常運行，提高其生產(chǎn)率，必須對設備進行維護與檢修。應以預防性維修擺在首位，強調(diào)安全預防，以保證換熱器連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，減少任何可能發(fā)生的事故。檢修應注意合理施工，檢修之前需進行檢查和清洗管子，并應拆開管子與管箱的連接處，再將整個管箱全部拆開以確定清洗或檢修。應把換熱器內(nèi)的介質(zhì)，特別是帶有腐蝕性或形成聚合物的液體排出。在直立的固定管板換熱器中，排液管接頭應安裝在管板底部，否則不能把殼程的流體全部排出。依據(jù)應排流體的性質(zhì)，流體可排向大氣或低壓系統(tǒng)。換熱器的排水應單獨接出而不用支管排放。水平式換熱器排污或放空應在折流板和管板底部開口，換熱器上應安裝閥門以提供反向沖洗。檢修換熱器時常常需要把換熱管從殼體中抽出。但由于腐蝕、結垢等原因，換熱管抽出比較用難。這就要求管束抽出裝置有足夠的抽出或推進力，能適應不同高度的位置變化，并能自動對中，能適應不同的換熱器直徑變化，機體輕、靈活方便、操作安全。其驅(qū)動方式有液壓式和機械式。液壓式機構體積小，拉或推力大，適合于管束開始抽出或推進時的高負荷。而機械式驅(qū)動速度快，適用于在管束抽出或推進一段距離后的快速操作，所以以液壓和機械聯(lián)合驅(qū)動為好。換熱器由于腐蝕、沖擊、振動、應力等原因會造成損壞，主要發(fā)生在換熱管上?；旧嫌幸韵聝煞N情況：（1）換熱管出于外界因素而減薄或穿孔，當出現(xiàn)泄漏劍就必須更換管子。把損壞的換熱管從管板上拆下來，一般可采用鉆削或銳削的方法進行。注意不能損壞管板孔，否則，可能產(chǎn)生泄漏。因此，要采用比管孔直徑略小的鉆頭。如用銑削的方法，則不能將管壁銑穿，留下很簿的一層管廣外壁、不僅保護了管孔免受損傷，而且也便于將整根管子抽出。如果是脹接則應先鉆孔，除掉脹管頭，拔出壞管，然后插入新管再進行脹接。操作中要注意不能讓異物嵌人管孔槽中，以免影響隨后的脹接、在脹管時，對周圍不需更換的管子的脹管處會有影響，聽以對周圍的管子可輕脹一下。如果是焊接則需先用專用刀具將焊縫刮下，然后拔出壞管。新管的兩端應事先退火打磨，管子兩端連接部位的內(nèi)外表面均應清洗干凈，管板孔的表面上也應保持干凈，換上新管后即可進行脹接或焊接。更換管子是較麻煩的，尤其是開槽的脹管在更換管子時更是麻煩，因此當泄漏的管子不多，而且堵住這些管子對換熱器的操作影響不大時。可以采用堵管的方法。最簡單的堵管方法是將堵頭焊接在泄漏的管子端部。管堵材料的硬度應低丁或等于管子的硬度。管堵的錐度在3-5之間，堵死的管于數(shù)量不得超過換熱器管程管數(shù)的10%。除此之外還有一些更有效的堵管方法。例如，爆炸堵管就是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的強大沖擊波，使堵塞與管子熔融在一起，達到堵死管子的目的；液壓堵管的原理是堵頭中心孔有充填介質(zhì)的孔，采用一種特殊的槍對準堵頭中心的孔發(fā)射一顆子彈。堵頭中心的鉆孔比子彈略小，當子彈射到孔中時，因為液體不可壓縮，從而產(chǎn)生很高的液體靜壓，將堵頭牢牢脹接在管子內(nèi)壁上。而子彈則因失去能量而自動掉出來。堵頭外表面加工有若干環(huán)形溝槽。有助于堵頭與管子的固定，而且可以消除管子內(nèi)表而可能腐蝕而產(chǎn)生的滲漏通道。（2）由于溫度變化產(chǎn)生膨脹、收縮，換熱管人口端介質(zhì)的渦流磨損及由于管束振動等原因使管子與管板連接處松弛而泄漏。如果是脹接可用脹管器對管子進行補脹.由于脹管應力可能影響周圍管子，故對其附近的管子也要輕脹一下。如果是焊接則需對泄漏處進行補焊。4.3設備施工中常見錯誤的一些解決方案4.3.1設備施工中管口錯誤的解決方案一、方位正確，但口開大了：用異徑管對接；二、方位正確，但口開小了：再開大即可；三、管口和法蘭焊好，但方位錯了，且不影響周圍的開孔：