開題報(bào)告U形管換熱器

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1、U形管換熱器開題報(bào)告 （1）課題的來源、選題的目的和意義 換熱器是在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設(shè)備，自從21世紀(jì)以來，各國的換熱器水平都有了長足的發(fā)展，我國的換熱器技術(shù)在我國各方面人才的努力下也有了很大提高，本次設(shè)計(jì)就是在已有的計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行的，此次設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)了節(jié)能與效率這兩大主題。 在查閱了《管殼式換熱器原理與設(shè)計(jì)》《傳熱學(xué)》等書的基礎(chǔ)上，結(jié)合換熱器設(shè)計(jì)的資料，進(jìn)行了這次設(shè)計(jì)。 1.1換熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 換熱器是在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設(shè)備，它是化工，煉油、動(dòng)力、油田儲運(yùn)集輸系統(tǒng)和原子能及其許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用設(shè)備，是保證工藝流程和條件

2、，利用二次能源實(shí)現(xiàn)余熱回收和節(jié)約能源的主要設(shè)備。在化工廠換熱器約占總投資的10%-20%;在煉油廠換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的35%-40%。由于工藝流程不同，生產(chǎn)中往往進(jìn)行著加熱、冷卻、蒸發(fā)或冷凝等過程。通過換熱器熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝需要。 1.2換熱器的分類及其特點(diǎn) 換熱器作為傳熱設(shè)備隨處可見，在工業(yè)中應(yīng)用非常普遍，特別是在耗能用量十分大的領(lǐng)域。隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的種類開發(fā)越來越多。適用于不同介質(zhì)、工況、溫度和壓力的換熱器，其結(jié)構(gòu)和型式也不相同。按使用目的不同，換熱器可分為加熱器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。由于使用條件和工作環(huán)境不

3、同，換熱器又有各種各樣的形式和結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)中有時(shí)把換熱器作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備，有時(shí)則把它作為某一工藝設(shè)備中的組成部分，按傳熱原理和實(shí)現(xiàn)熱交換的方法，換熱器可分為間壁式、混合式及蓄熱式3類，其中間壁式換熱器應(yīng)用最普遍。 間壁式換熱器在各工業(yè)部門中使用極其廣泛，擔(dān)負(fù)著各種換熱任務(wù)，例如用以加熱、蒸發(fā)、冷凝和廢熱回收等。由于它們的使用條件和要求差別很大，如容量、溫度、壓力和工作介質(zhì)的性質(zhì)等，涉及的范圍極廣，因此換熱器的結(jié)構(gòu)型式也多種多樣。 間壁式換熱器，從作為換熱面的間壁形式看，主要分為管式和板式兩大類。管殼式、套管式換熱器的換熱面由管子構(gòu)成，屬于管式換熱器;板翅式、板式換熱器

4、的換熱面由板片構(gòu)成，屬于板式換熱器。各種間壁式換熱器的特征、工作特性、允許的使用范圍等差別很大，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱計(jì)算也各有特點(diǎn)。管殼式換熱器又稱為列管式換熱器，它屬于間壁式換熱器。按照有無溫度補(bǔ)U形管式換熱器的研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)償及補(bǔ)償方法的不同，管殼式換熱器主要分為下列幾種： (1)固定管板式。固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)是管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點(diǎn)是簡單、緊湊，能承受較高的壓力，造價(jià)低;殼程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換。缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫差或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢的場合;管、殼程兩側(cè)

5、溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場合。 (2)浮頭式。浮頭式換熱器的典型結(jié)構(gòu)是兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動(dòng)稱為浮頭。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆聯(lián)接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。浮頭式換熱器的特點(diǎn)是管間和管內(nèi)清洗方便;但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時(shí)對密封要求較高。它適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。 (3) U形管式。U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)是只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一

6、塊管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形換熱管有溫差時(shí)，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。其主要缺點(diǎn)是U形管具有一定的彎曲半徑，故管板的利用率較差，管內(nèi)不易清洗，U形管更換困難。U形管換熱器結(jié)構(gòu)比較簡單、價(jià)格便宜，承受能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗、又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合，特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。 (4)填料函式。換熱器兩管板中一塊與法蘭通過螺栓固定連接，另一塊類似于浮頭，與殼體間隙處通過填料密封，可做一定量的移動(dòng)。此結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡單，加工、制造、檢修、清洗較方便，但填料密封處易產(chǎn)生泄漏。填料函式換熱器適用于壓力和溫度都

7、不高、非易燃、難揮發(fā)的介質(zhì)傳熱。 在近代的許多化工過程中，如裂解、合成及聚合等，大都要求在高溫高壓下進(jìn)行，有的壓力高達(dá)250MPx，溫度高達(dá)7500C，在這樣的條件下，尤其還存在腐蝕的情況下，實(shí)現(xiàn)換熱更困難。一方面，伴隨著現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)規(guī)模的日益增大，換熱設(shè)備也相應(yīng)向大型化方向發(fā)展，以降低動(dòng)力消耗和金屬消耗;另一方面，隨著精細(xì)化工的迅速崛起，換熱設(shè)備也有向小而精方向發(fā)展的趨勢，管殼式結(jié)構(gòu)的換熱器能滿足這樣的要求。 1 .3U形管式換熱器 U形管式換熱器是管殼式換熱器的一種，由管板、殼體、管束等零部件組成，重量較輕。在同一直徑情況下?lián)Q熱面積最大，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，在高溫、高壓下金

8、屬耗量最小。其優(yōu)點(diǎn)是: (1)管束可抽出來機(jī)械清洗; (2)殼體與管壁不受溫差限制; (3)可在高溫、高壓下工作，一般適用于溫度小于等于500 C，壓力小于等于10MPa; (4)可用于殼程結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合; (5)可用于管程易腐蝕場合。 U形管式換熱器殼程內(nèi)一般可按工藝要求設(shè)置折流板和縱向隔板，以增加殼側(cè)介質(zhì)流速。為了進(jìn)一步開展設(shè)計(jì)，還必須選擇冷熱流體的流動(dòng)通道，在U形管式換熱器中可根據(jù)以下原則選擇: (1)因?yàn)閁形管內(nèi)清洗不方便，所以不潔凈和易結(jié)垢的液體宜在殼程; (2)腐蝕性流體宜走管程

9、，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕; (3)壓力高的流體宜在管程，以免殼體承受壓力; (4)飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較潔凈，一般給熱系數(shù)與流速無關(guān)，而且冷凝液容易排出; (5)被冷卻的流體宜走殼程，以便于散熱; (6)若兩流體溫差較大，對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，使給熱系數(shù)大的流體通入殼程，以減少熱應(yīng)力; (7)流量小而粘度大的流體一般通入殼程為宜。 （2）本課題在國內(nèi)外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 管殼式換熱器是石油、化工裝置中應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備。由于管殼式換熱器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，且能選用多種材料制造，故適應(yīng)性極強(qiáng)，尤其在高溫、高壓和大型裝置

10、中得到普遍應(yīng)用。雖然現(xiàn)在出現(xiàn)了波紋板換熱器、板殼式換熱器、螺旋板換熱器、傘板換熱器等結(jié)構(gòu)緊湊、高效的換熱設(shè)備，但管殼式換熱器仍占據(jù)著主導(dǎo)地位。因?yàn)樵S多工藝過程都具有高溫、高壓、高真空、有腐蝕性等特點(diǎn)，而管殼式換熱器具有選材范圍廣(可為碳鋼、低合金鋼、鋁材、銅材、欽材等)，換熱表面清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理能力大，特別是能承受高溫和高壓等特點(diǎn)，所以管殼式換熱器廣泛應(yīng)用，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等方面。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定著換熱器的熱力性能。另一個(gè)對換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板(或折流桿)。

11、管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運(yùn)行的安全可靠性。管殼式換熱器中換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩種不同溫度的流體時(shí)，溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，實(shí)現(xiàn)了兩流體換熱的工藝目的。一般管殼式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術(shù)特性: (1)耐高溫高壓，堅(jiān)固、可靠、耐用; (2)制造應(yīng)用歷史悠久，制造工藝及操作、維修、檢驗(yàn)技術(shù)成熟; (3)選材廣泛，適用范圍大。 從間壁式換熱器的發(fā)展史來看，管殼式換熱器的技術(shù)提高受到下列因素的限制: (1

12、)流體熱附面層熱阻的限制。即使是湍流流動(dòng)，在流體與固體壁之間也要生一層附面層(又稱邊界層)，而其中接觸固體壁的一層稱為層流底層，其流動(dòng)性質(zhì)為層流流動(dòng)，它是靠分子擴(kuò)散進(jìn)行傳導(dǎo)傳熱的，傳熱速率很小。這一厚度僅為3-5mm的薄層，其熱阻幾乎占了整個(gè)附面層熱阻的80%。進(jìn)一步減薄、破碎、離和清除這個(gè)薄層，都可以逐步提高換熱器的傳熱量，它是提高換熱器技術(shù)的關(guān)鍵之一。 (2)流體壓力損失的限制。通過提高流體速度，可以減薄附面層的厚度，從而提高傳輸?shù)臒崃?。但是，提高流體速度卻引起一個(gè)矛盾的后果，流體的壓力損失增加，其增加的速率巨大，所以不得不降低流速來接受較低的傳熱系數(shù)。 (3)擴(kuò)大傳熱面積的限

13、制。擴(kuò)大傳熱面積是提高預(yù)熱溫度和增加熱回收率的簡單而有效的辦法，但卻受到換熱器成本和價(jià)格提高、換熱器尺寸擴(kuò)大與安裝重量加大、換熱器體積龐大與運(yùn)輸車輛超重等等的限制。 （3）擬完成的主要工作 本臺設(shè)計(jì)的換熱器是U形管換熱器，主要完成冷卻水—水蒸氣的熱量交換，設(shè)計(jì)壓力為管程1.6MPa，殼程壓力為0.75MPa，管程冷卻水進(jìn)，出口溫度分別為38C和97C，殼程水蒸氣進(jìn)出口溫度分別為205.1C和95C，傳熱面積134㎡，采用25x2.5x3000的無縫鋼管換熱，筒體DN=900。通過設(shè)計(jì)計(jì)算提高換熱器的熱效率和減少能源消耗，達(dá)到更高效，更節(jié)能的原則。 （4）完成課題所需的條件（實(shí)驗(yàn)設(shè)備、軟件

14、、資料等） 實(shí)驗(yàn)室、U形管換熱器、壓力表、溫度表、計(jì)算機(jī)、CAD軟件，《壓力容器法蘭》、《管殼是換熱器》、《管殼是換熱器原理與設(shè)計(jì)》等參考資料。 （5）課題進(jìn)度安排 1．設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段 2周 2．?dāng)M定總體方案 2周 3. 繪制圖紙 5 周 4．相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算 3周 5．設(shè)計(jì)說明書撰寫 3周 6．準(zhǔn)備答辯講稿、進(jìn)行答辯

15、 1周 （6）主要參考文獻(xiàn) [1] JB/T4700-4707-2000 《壓力容器法蘭》.中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).2002，8，22 [2] GB151-1999 《管殼是換熱器》 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. [3] 金志浩等. 管殼是換熱器原理與設(shè)計(jì) [M] 遼寧：科學(xué)技術(shù)出版社. [4] 鄭津洋等. 過程設(shè)備設(shè)計(jì)［M］ 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2001 [5] HG/T20668-2000 《化工設(shè)備設(shè)計(jì)及文獻(xiàn)編制規(guī)定》.中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). [6] HG20592-20635-97《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》.中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). [7] GB15

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19、27. 新型U形管換熱器在粗甲醇系統(tǒng)中的應(yīng)用 2008年09月26日08:58 生意社 生意社09月26日訊 新型U形管換熱器在粗甲醇系統(tǒng)中的應(yīng)用 賀運(yùn)初胡祖漢鄭宇其戴新西李永新 (湖南金信化工有限責(zé)任公司冷水江417506) 摘要：闡述了新型U彤管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了該種換熱器在粗甲醇系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，新型u形管換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、防振反防垢性能好、傳熱效率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：U形管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)用 在高壓工況中，常用的換熱器主要有螺紋鎖緊環(huán)換熱器、n

20、環(huán)換熱器、套管式換熱器、u形管換熱器。螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬耗量大，機(jī)加工配件多，造價(jià)高，檢修工作量大；n環(huán)換熱器的n環(huán)加工難度大，檢修不方便；套管式換熱器在同樣換熱面積時(shí)所需空間大。單位傳熱面積造價(jià)高，一般只適用于傳熱面積較小的場合；U形管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、在高壓工況下金屬耗量最小的特點(diǎn)?，所以在高壓工況下u形管換熱器比螺紋鎖緊環(huán)換熱器、n環(huán)換熱器、套管式換熱器的用量大。為避免普通u形管換熱器的諸多不足之處．開發(fā)了一種高效、安全、可靠的新型U形管換熱器。 l新型U形管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn) 普通U形管換熱器的殼體一般為圓筒形，僅有l(wèi)塊管板，將換熱管彎成U形。管子兩端固定在同

21、一塊管板上，具有下列優(yōu)點(diǎn)：由于殼體和管子分開．管束可以自由伸縮，不會因管壁與殼壁之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力．熱補(bǔ)償性能好；管程為雙程，流程較長，流速較高，管側(cè)傳熱性能好，承壓能力強(qiáng)；只有I塊管板且無浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，在直徑相同的情況下?lián)Q熱面積最大，在高壓工況下金屬耗量比其它換熱器小，造價(jià)比其它換熱器低等。但這種換熱器存在下列缺點(diǎn)：U形管束在與換熱管垂直方向的中心部位存在較大空隙。易結(jié)垢，流體易走短路，使傳熱效率降低；管板上排列的換熱管較少，管板直徑及厚度均較大，管子與管板問的殘余焊接應(yīng)力大；換熱管的彎管段無支承件，管束易振動(dòng)，易在此處形成殼程流體流動(dòng)死區(qū)，易結(jié)垢．影響傳熱效果；需將管束從殼

22、體內(nèi)抽出才能清洗管問污垢等。 新型u形管換熱器的結(jié)構(gòu)如圖l所示。在流體流量較大、所需換熱面積較大的情況下?？刹捎么?lián)、并聯(lián)或串、并聯(lián)混合連接以滿足需求。該換熱器的主要特點(diǎn)是：將換熱器的筒體和換熱管均設(shè)計(jì)制造成u形，換熱管的兩端分別固定在2塊管板上，在u形換熱管的彎管段設(shè)置折流桿或彈簧等管問支承件．在簡體上設(shè)置供殼程清洗、排污用的接口。 與普通u形管換熱器相比，新型u形管換熱器具有下列優(yōu)點(diǎn)：換熱器的簡體與換熱管均為u形，與換熱管垂直方向的管束中心處無較大空隙，殼程流體不易走短路或形成流體流動(dòng)死區(qū)，管間不易結(jié)垢；在u形換熱管的彎曲段設(shè)置了折流桿或彈簧、波網(wǎng)、空心環(huán)等管問支承件，可降低管束振

23、動(dòng)，強(qiáng)化換熱管彎曲段的傳熱效果；在筒體上設(shè)置了供殼程清洗用的接口，使殼程清洗較方便；將u形換熱管的兩端分別固定在2塊管板上，減小了管板直徑和厚度，降低了管板與換熱管焊接時(shí)的拘束應(yīng)力及管子與管板間的焊接殘余應(yīng)力，可提高換熱器的安全可靠性。 2應(yīng)用實(shí)例 某化肥企業(yè)聯(lián)醇裝置中的粗甲醇水冷器的工藝條件為：氣量100000m／h(標(biāo)態(tài))左右，進(jìn)氣溫度≤95qC，出氣溫度≤4OqC，進(jìn)氣壓力≤12．5MPa，進(jìn)水溫度≤35qC。進(jìn)水壓力≤O．38MPa，水冷器的循環(huán)水進(jìn)、出口壓差≤0．2MPa。該水冷器原來由2臺換熱面積為240m、管間支承件為折流板的普通u形管換熱器串聯(lián)組成，管內(nèi)介質(zhì)為氣體，管間介質(zhì)

24、為循環(huán)水。在投產(chǎn)初期水冷器能基本滿足生產(chǎn)要求，但在運(yùn)行約1年后出現(xiàn)了下列問題：管子與管板間焊縫多處開裂，且補(bǔ)焊不久又重新開裂；多根換熱管被磨損甚至穿孔，不得不多次堵管；殼程結(jié)垢較嚴(yán)重，且清洗不方便；傳熱效率低，高溫季節(jié)水冷器的氣體出口溫度高達(dá)5O℃，導(dǎo)致分離器出口氣體的醇含量偏高，每天損失粗甲醇約2．5l。 經(jīng)分析認(rèn)為造成上述問題的主要原因是：管子與管板之問的連接采用了先脹后焊工藝，焊接時(shí)脹管過程中遺留于縫隙中的油污在高溫下生成氣體并受熱膨脹而從焊縫面逸出，嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量，且管子與管板問焊縫未進(jìn)行消除應(yīng)力的 退火處理；組合應(yīng)用U形管與折流板，且u形管的彎管段無管問支承件。導(dǎo)致較大的流體流

25、動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)，造成換熱管與折流板問的撞擊與磨損；殼程流體走短路，存在流動(dòng)死區(qū)。 該化肥企業(yè)在粗甲醇水冷器的更新改造中選用了圖l所示的新型u形管換熱器，由4臺換熱面積為l20m的換熱器串、并聯(lián)混合連接組成。鑒于該水冷器在使用過程中有多根換熱管被磨損且殼程結(jié)垢嚴(yán)重的狀況，管間支承件選用了折流桿，以在換熱器的殼側(cè)建立固有的、無障礙的大橫截面流體流道，使殼側(cè)流體在整個(gè)殼程斷面內(nèi)以比較均勻的速度平行于管子軸向流動(dòng)，消除管束產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)的根源和殼程內(nèi)嚴(yán)重的滯流區(qū)域，產(chǎn)生由支撐桿引起的流體“卡曼旋渦”分離和折流圈引發(fā)的“文丘里”效應(yīng)，以防止管柬振動(dòng)，減少殼側(cè)污垢，強(qiáng)化殼程傳熱，降低殼側(cè)壓降。 為防止冷

26、卻水沖刷殼程進(jìn)口處的換熱管段并造成侵蝕及振動(dòng)，減小殼程進(jìn)、出口接管與管板間的介質(zhì)停滯區(qū)而增加換熱管的有效換熱長度，避免因?qū)Я魍舱紦?jù)殼程空間而減少管板上的排管數(shù)，同時(shí)在殼程進(jìn)、出口處設(shè)置了外導(dǎo)流筒。換熱管與管板之間的連接方式選用先焊后脹的強(qiáng)度焊加貼脹，并對管子與管板間焊縫進(jìn)行消除應(yīng)力的退火處理，以保證管子與管板問連接接頭的可靠性。新型u形管換熱器投入系統(tǒng)運(yùn)行3O個(gè)月后，完全能滿足工藝要求，且未曾出現(xiàn)換熱管與管板間連接接頭失效的情況。新、老粗甲醇水冷器在各自投入系統(tǒng)運(yùn)行3O個(gè)月后的換熱效果對比情況見表l。 3結(jié)語 新型U形管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、金屬耗量小、熱補(bǔ)償性能好、殼程流體不易走短

27、路以及管問不易結(jié)垢、防振性能好、殼程污垢清洗較方便、傳熱效率較高等優(yōu)點(diǎn)；且該換熱器在高壓工況下的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性比其它類型的換熱器高得多。 參考文獻(xiàn) l秦叔經(jīng)。葉文邦等．按熱{{}；．北京l化學(xué)工業(yè)fij版禮，2003．5一．75—77．1O1 2餞文．換熱器設(shè)計(jì)手H圩．北京：化學(xué)．-1．．qk短禮．2003．6，9一 l0．192—208 3聶清德．化工沒銜設(shè)計(jì)．北京：化學(xué)．71：~lk?版社，l991．86，I1l U形管代替浮頭式換熱器的應(yīng)用 更新時(shí)間：2011-01-26 10:29:42

28、U形管代替浮頭式換熱器的應(yīng)用 王東旭 (中石化股份有限公司廣州分公司，廣東廣州510700) [摘要]從泄露原因分析，到設(shè)計(jì)、制造、使用、經(jīng)濟(jì)效益和可操作性幾個(gè)方面對U形管換熱器代替浮頭式換熱器的可行性進(jìn)行了簡單的分析，證明使用U形管換熱器可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 [關(guān)鍵詞]管殼換熱器；密封；泄漏；浮頭式；U形管式 [中圖分類號]TH[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1007-1865(2010)07-0288-01 換熱設(shè)備是煉化生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的設(shè)備之一，約占工藝設(shè)備總量的一半左右，目前常用的換熱器種類有浮頭式、固定管板式和U形管式，其中以浮頭式換熱器最多。泄漏率是煉

29、化企業(yè)考核換熱器的重要指標(biāo)之一，由于各種原因造成的換熱器泄漏，影響生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行和工廠的經(jīng)濟(jì)效益。尤其是各裝置的塔底重沸器，其操作條件復(fù)雜，泄漏率較一般換熱器高，一旦泄漏就會影響整個(gè)裝置的正常生產(chǎn)。以筆者公司2#芳烴抽提裝置為例，水汽塔重沸器E6108在2006年內(nèi)就泄漏多次，打壓多次不合格，給生產(chǎn)造成很大損失。 1原因分析 塔底重沸器的主要泄漏部位有2處，即內(nèi)浮頭密封失效和換熱管管頭破壞。表1是2006年12月大修時(shí)的泄漏統(tǒng)計(jì)。 1.1內(nèi)浮頭密封失效 內(nèi)浮頭密封面較窄，一般為10～16 mm，通常用波齒復(fù)合墊片作密封元件，這種墊片比壓低，其y=39.2 MPa，m=

30、2.5～3，壓縮量較大，約1.5 mm。鑒于這種特性，管程試壓時(shí)，浮頭蓋法蘭密封，但殼程試壓時(shí)，浮頭蓋外表面受到試驗(yàn)壓力的作用，再次壓緊墊片，螺栓載荷下降，殼程卸壓后，由于墊片回彈力有限而使其比壓不足，導(dǎo)致內(nèi)浮頭墊片密封失效。 1.2換熱管管頭泄漏 換熱管是換熱器的重要零件，管子與管板的連接尤為重要。我公司2#芳烴裝置管頭破壞主要是由于管束振動(dòng)引起管頭開裂，重沸器殼程介質(zhì)均為氣液兩相共存，塔底飽和液進(jìn)入重沸器，經(jīng)管束加熱，部分液體汽化，體積迅速膨脹，流速增大。根據(jù)流體振動(dòng)原理，此時(shí)很容易引起管束振動(dòng)。經(jīng)過計(jì)算及現(xiàn)場分析認(rèn)為，塔底重沸器存在誘導(dǎo)流體彈性不穩(wěn)定性、旋渦及聲共振的條件，導(dǎo)致管

31、頭連接破壞的原因。 2 U形管代替浮頭式換熱器的技術(shù)改造 2.1 U形管換熱器的設(shè)計(jì) U形管換熱器與其他類型換熱器的最大區(qū)別是管束結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)換熱管布局時(shí)應(yīng)考慮換熱管的最小彎曲半徑Rmin與分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn的關(guān)系[1]。管徑越大，最小彎曲半徑Rmin就越大，大部分換熱管的最小彎曲半徑大于分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn；因此，為了保證適合分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距，最內(nèi)層換熱管在排列時(shí)需要進(jìn)行斜向交叉排列。最內(nèi)層U形管之間的間距過大時(shí)，可設(shè)置假管或擋板。 2.2制造 穿管是U形管束制造中的難點(diǎn)，對以下幾個(gè)方面進(jìn)行嚴(yán)格控制：保證折流板管孔精度和排列同軸度；對U形管

32、的形狀偏差進(jìn)行嚴(yán)格控制；對直線段的直線度進(jìn)行嚴(yán)格控制；穿管時(shí)在管頭加裝引導(dǎo)裝置。管頭與管板的連接采用管板自動(dòng)焊技術(shù)，使管束在平放的狀態(tài)完成焊接。 3 U形管與浮頭式換熱器的使用性能 目前U形管換熱器大量應(yīng)用于高溫高壓的場合。與浮頭式換熱器相比，由于去掉了浮頭密封，U形管換熱器的管束不易發(fā)生內(nèi)漏，即使發(fā)生內(nèi)漏，也非常容易處理，尤其是在查找漏點(diǎn)的時(shí)候不需要過多的工裝；而浮頭式換熱器在查找內(nèi)漏時(shí)需要有大量專用的工裝，操作起來比較繁瑣。 U形管換熱器的管束發(fā)生內(nèi)漏時(shí)一般有兩種可能：一種是換熱管損壞；另一種是管板接頭焊縫腐蝕。第一種情況一般很少發(fā)生，發(fā)生時(shí)可用堵頭堵?。坏诙N情況比較多見，處

33、理時(shí)可以對焊縫進(jìn)行清理補(bǔ)焊。使用狀態(tài)下的受力狀況較好，尤其在管程溫差較大時(shí)，每個(gè)管程的溫度不一樣，單個(gè)管程的換熱管所受到的溫差應(yīng)力能夠自由平衡，不受浮動(dòng)管板的限制，有利于保護(hù)換熱管。使用過程中的操作彈性更大，與同等規(guī)格浮頭式換熱器相比，U形管換熱器能夠承受更大的溫度和壓力波動(dòng)，有利于裝置的安穩(wěn)運(yùn)行。 4經(jīng)濟(jì)效益分析 4.1檢修費(fèi)用 以改造前BES1300-2.5-275-6/25-2(簡稱BES)和改造后BIU1300-2.5-275-6/25-2(簡稱BIU)換熱器分析，單臺檢修費(fèi)用對比，在平臺上檢修U形管換熱器比浮頭式換熱器節(jié)約費(fèi)用約8000元[2]。 4.2購置費(fèi)用

34、一臺型號為BES的浮頭式換熱器管束質(zhì)量為4215 kg[3]而型號為BIU的U形管換熱器管束質(zhì)量為3830 kg[4]，它們的質(zhì)量差為385 kg(當(dāng)公稱壓力越高的時(shí)候，質(zhì)量差就越大)。如果設(shè)備按1.8萬元/t計(jì)算，則購買一臺DN l300PN2.5的U形管換熱器(上接第288頁)要比購買一臺同規(guī)格的浮頭式換熱器節(jié)約6930元。換熱器的使用壽命一般為15年，需檢修4～6次，加上購置費(fèi)差價(jià)，投用U形管式換熱器所節(jié)約的費(fèi)用非?？捎^。 5結(jié)論 通過以上改造，使用U形管換熱器替代浮頭式換熱器，不僅性價(jià)比高，而且可減少靜密封數(shù)量，操作彈性大，對裝置的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”起到了決定性作用。

35、 基于Ｕ形管式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 來源： 2010-3-27 11:01:57字體: 大 中 小 西部石化網(wǎng)摘：管殼式換熱器是石油、化工裝置中應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備,由于管殼式換熱器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,且能選用多種材料制造,故適應(yīng)性極強(qiáng),尤其在高溫、高壓和大型裝置中得到普遍應(yīng)用。 Ｕ形管式換熱器是管殼式換熱器的一種,它由管板、殼體、管束等零部件組成。在同樣直徑情況下,Ｕ形管換熱器的換熱面積最大;它結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、密封性能高,在高溫、高壓下金屬耗量最小、造價(jià)最低;而且,由于Ｕ形管換熱器只有一塊管板,所以在換熱過程中熱補(bǔ)償

36、性能好、承壓能力較強(qiáng),適用于高溫、高壓工況下操作。 1　Ｕ形管排列原則 換熱管是換熱器中進(jìn)行換熱的元件。換熱管排列可采用正三角形排列,通過正三角形排列,在同一直徑管板面積上可排列最多的管數(shù)。正三角形排列時(shí),流體在垂直流向折流板缺口時(shí)正對換熱管,沖刷換熱管的外表面,提高換熱效果。此外,正三角形排列的流體流道截面小,有利于提高流速和換熱效率。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)Ｕ形管式換熱器,Ｕ形管按以下原則排列: ①換熱管的排列應(yīng)使整個(gè)管束完全對稱; ②應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)全部布滿換熱管; ③拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。 在靠近折流板缺邊位置處應(yīng)布置拉桿,其間距應(yīng)小于或等于700ｍｍ,拉桿中心至折流板缺邊

37、的距離應(yīng)盡量控制在換熱管中心距的(0.5～1.5)√3ｍｍ范圍內(nèi)。 2?。招喂苁綋Q熱器變化趨勢圖 表1為Ｕ形管式換熱器在設(shè)計(jì)溫度為20℃,設(shè)計(jì)壓力為4.0ＭＰａ下,直徑在400ｍｍ～2000ｍｍ范圍內(nèi)變化時(shí)的布管數(shù)、管板厚度以及換熱面積。 Ａ=πｄ0Ｌｎ-πｄ0ｎ1δｔｍ-πｄ0δnｎ 式中?。痢獙?shí)際換熱面積,ｍｍ2 ｄ0———換熱管外徑,ｄ0=19ｍｍ ｎ1———穿過單塊折流板的換熱管數(shù) Ｌ———換熱管長度,Ｌ=6ｍ δｔ———折流板的厚度,ｍｍ ｍ———折流板數(shù)δｎ———管板的厚度,ｍｍ ｎ———總換熱管數(shù) 根據(jù)以上數(shù)據(jù),做出Ｕ形管式換熱器在不同直徑下的布管數(shù)

38、、管板厚度以及換熱面積的變化趨勢圖,如圖1所示。 由圖1ａ可知,Ｕ形管式換熱器直徑在400ｍｍ～1200ｍｍ范圍內(nèi)變化時(shí),排管數(shù)的變化曲線為平滑的拋物線;直徑在1200ｍｍ～2000ｍｍ范圍內(nèi)變化時(shí)為4段斜直線,且斜率依次增大,可以看出排管數(shù)的變化程度隨直徑的增大而增大。直徑在400ｍｍ～1200ｍｍ范圍內(nèi)變化時(shí),換熱面積的增大曲線也為平滑的上升曲線;直徑在1200ｍｍ～2000ｍｍ范圍內(nèi)變化時(shí)為四段上升的斜線段,且斜率依次增大。 由圖1ｂ得知:直徑在400ｍｍ～1200ｍｍ范圍內(nèi)變化時(shí),管板厚度的變化曲線為拋物線;在1200ｍｍ～2000ｍｍ范圍內(nèi)變化時(shí)為四段上升的斜線段,且斜率依次

39、增大。 根據(jù)圖1的曲線還可以看出,隨著Ｕ形管式換熱器直徑的不斷增大,換熱器的排管數(shù)、換熱面積和管板厚度的最優(yōu)值的取值范圍也隨著曲線的變化而各不相同。 3?。招喂苁綋Q熱器的優(yōu)化 對于管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì),既要考慮其換熱面積,又要考慮其經(jīng)濟(jì)性的影響。由圖1可以看出,Ｕ形管式換熱器直徑在400ｍｍ～2000ｍｍ范圍內(nèi)變化時(shí),排管數(shù)和換熱面積兩條曲線的變化趨勢基本上一致。所以,從經(jīng)濟(jì)性和換熱效率兩方面考慮,優(yōu)化設(shè)計(jì)Ｕ形管式換熱器的目標(biāo)就可以確定為:當(dāng)Ｕ形管式換熱器直徑在400ｍｍ～2000ｍｍ范圍內(nèi)變化時(shí),求換熱面積(或布管數(shù))的極大值和管板厚度的極小值。 從圖1和圖2還可以看出,換熱面積和

40、管板厚度的變化趨勢圖均可被分為5個(gè)區(qū)間:400ｍｍ～1200ｍｍ;1200ｍｍ～1400ｍｍ;1400ｍｍ～1600ｍｍ;1600ｍｍ～1800ｍｍ;1800ｍｍ～2000ｍｍ。但是直徑在400ｍｍ～1200ｍｍ范圍內(nèi)的上升趨勢最大。 隨著能源的日益緊張和強(qiáng)化傳熱技術(shù)的進(jìn)展,換熱器將向緊湊型和重量輕方向發(fā)展。因此,本優(yōu)化設(shè)計(jì)即是求Ｕ形管式換熱器直徑在400ｍｍ～1200ｍｍ區(qū)間內(nèi)的最優(yōu)值。由圖1和圖2可知,換熱面積和管板厚度的趨勢圖都是拋物線,故擬定其表達(dá)式為:　　 4　結(jié)論 綜上所述,本文以Ｕ形管式換熱器為研究對象,探討了其換熱管的排列型式和原則。運(yùn)用ＭＡＴＬＡＢ編程語言,繪制出了

41、直徑在400ｍｍ～2000ｍｍ范圍內(nèi)的布管數(shù)、管板厚度以及換熱面積的變化趨勢圖,擬合出它們各自的變化曲線;并綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和換熱效率兩方面的影響,對Ｕ形管式換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。 U型管式換熱器 　　管殼式換熱器的一種，屬石油化工設(shè)備，由管箱、殼體及管束等主要部件組成，因其換熱管成U形而得名。U 形管式換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上，如圖1。 　　 此類換熱器的特點(diǎn)是管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強(qiáng)；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄，直管部分需用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié) 　　垢而管程介質(zhì)清潔及不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形。 17