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管殼式換熱器設計相關問題的分析研究

點擊:1757 日期:[ 2014-04-26 22:06:02 ]
                              管殼式換熱器設計相關問題的分析研究                                       丁玉龍 1,王娟 2 (1.京鼎工程建設有限公司 設備室,北京 100029;2. 大連交通大學 交通運輸學院,遼寧 大連 116028) [摘 要]文章根據作者的工程實踐及設計經驗,總結了管殼式換熱器在設計過程中易出現的問題,并指出了解決 辦法。重點介紹了隔板槽面積的取值問題,并以 U 型管換熱器為例,采用過程裝備強度計算軟件 SW6 對管板的厚度 進行了計算,指出了設計過程中在換熱管四種最常用的布管方式下的隔板槽面積的計算方法,并分析了隔板槽面積大 小對管板厚度的影響。 [關鍵詞]管殼式換熱器;設計問題;壓力試驗;隔板槽面積 [中圖分類號]TH12 [文獻標識碼]A [文章編號]1007-1865(2008)10-0133-05 換熱器是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、 機械及其它許多工業部門廣泛使用的一種通用設備。通常在化 工廠的建設中,換熱器約占總投資的 10~20 %;在石化煉油 廠中,換熱器約占全部工藝設備投資的 35~40 %。列管式換 熱器是應用最為廣泛的換熱設備。它結構堅固、可靠性高、適 應性廣、易于制造、處理能力大、生產成本低、選用的材料范 圍廣、換熱表面清洗較方便、能承受較高的操作壓力和溫度。在高溫、高壓和大型換熱器中,管殼式換熱仍占絕對優勢,所 以廣泛應用于化工、煉油、石油化工以及其它工業中[1]。 因此,文章根據作者長期的工程設計經驗,總結了管殼式 換熱器在設計中易出現幾個問題,提出了解決辦法,并重點分 析介紹了隔板槽面積取值問題。 1 換熱器的基本類型 根據管殼式換熱器的結構特點,可分為固定管板式、浮頭 式、U 形管式、填料函式及釜式重沸器等五類。 每種結構形式各自發揮不同的作用。在管殼式換熱器設計 時,必須考慮很多因素,例如傳熱條件、材料、介質壓力、溫 度、壁溫溫差、介質結垢情況、流體性質以及檢修和清洗條件 等等,從而確定一種適合的結構形式。同時也得考慮材料的價 格、制造成本、動力消耗和使用壽命等因素,力求在滿足工藝 要求的情況下,使換熱器在整個使用壽命內最經濟的運行。如 固定管板式換熱器結構簡單、緊湊、造價低,每根換熱管可以 單獨清洗和更換,在外形尺寸相同的條件下,與浮頭式和 U 形管式換熱器相比,換熱面積大。但由于固定管板式換熱器的 殼程清洗困難和適應熱膨脹能力差,決定了固定管板式換熱器 適用于換熱介質清潔,殼程壓力不高,換熱介質溫差不大的場 合。 2 換熱器設計中常見的問題及解決方法 換熱器的結構設計是否合理,直接影響換熱器的傳熱能 力。因此,文章根據作者長期的工程實踐及設計經驗,針對常 見的問題進行了分析說明,并指出了解決辦法。 2.1 換熱器管程設計壓力大于殼程設計壓力時,殼程 試驗壓力的選取問題 當換熱器設計壓力大于殼程設計壓力時,殼程的試驗壓力 仍按常規選取是錯誤的。為了檢查管子與管板的嚴密性,殼程 的試驗壓力可按下面幾種處理方法[2]: (1)提高殼程的試驗壓力等于管殼的試驗壓力。采用這種 方法時,必須首先核算殼體在壓力試驗時產生的應力,要求殼 程任意一點的薄膜應力的計算值不得超過所有材料在試驗溫 度下的 90 %屈服極限。同時接管、法蘭也應滿足壓力試驗條 件下的強度要求。 (2)若經過計算后不能采用上述方法試驗時,則殼程、管 程按各自要求的試驗壓力進行壓力試驗合格后,殼程再以 1.05 倍殼程設計壓力的含氨體積約 1 %的壓縮空氣進行試驗。 (3)對有特殊要求的換熱器,如高壓換熱器等可用低壓純 氨進行試漏或采用鹵素檢漏等方法試驗。 2.2 臥式冷凝器折流板未左右布置 臥式冷凝器介質為氣、液共存,折流板應左右布置。折流 板的缺口上下布置是不合適的,如果折流板缺口上下設置,不 利于冷凝液的排出。特別當冷凝液位高于上置折流板的下缺口 時,會形成液封,阻礙蒸汽流動,影響設備傳熱和運行。對臥 置式換熱器還應該注意的是,在折流板的最高和最低處,應開 夾角 90°、深 15 mm 的排氣、排液缺口。 2.3 換熱器管箱上設有大接管或分程隔板時未要求 進行熱處理的問題 設計換熱器管箱有兩種傾向:一種是管箱不做熱處理;另一種是管箱要進行熱處理,是否需要熱處理,要看具體情況而 定。 (1)碳鋼、低合金鋼制的焊有分程隔板的管箱以及管箱的 側向開孔超過 1/3 圓筒內徑的管箱,應在施焊后做消除應力的 熱處理。 (2)奧氏體不銹鋼的管箱,一般不做焊后熱處理。當有較 高抗腐蝕要求或高溫下使用時,可按供需雙方商定的方法進行 熱處理。 2.4 鋼板本身具有與筒體相連接的凸肩時,未選用鍛 件的問題 在工程設計中,常遇到管板選用板材加工,還是選用鍛件 加工界限不清。當管板本身具有與筒體相連接的凸肩結構時, 必須用鍛件加工,不能用板材加工。因為厚板有分層傾向,在 上述情況下如用板材加工成管板,特別容易出問題。還有選用 鍛件的管板,應按有關標準提出必要的鍛件技術要求。 2.5 換熱管未標準精度的錯誤 由于 I、II 級換熱器的差別只體現在管束上,故 GB151 將 I、II 級換熱器修訂為 I、II 級管束。換熱器設計時必須說明換 熱管的等級。I 級換熱管是高精度冷拔換熱管,適用于無相變 傳熱和易產生振動的場合,II 級換熱管是普通冷拔換熱管,適 用于重沸冷凝傳熱和無振動的場合。選定了不同級別的換熱 管,才能對管板和折流板、管孔提出不同尺寸偏差和精度要求。 3 管板計算 SW6 軟件是一款專門用于過程設備強度計算的軟件包, 現以 U 型管換熱器為例,使用 SW6 進行管板計算,其主體參 數設置見圖 1。其他條件不變,只改變隔板槽截面積進行對比 計算:輸入隔板槽面積為 5240 mm,見圖 2。 上述各計算方法中的變量符號分別代表以下涵義: S—換熱管中心距,mm;Sn—隔板槽兩側相鄰管中心距 mm;n’—沿隔板槽一側的排管根數;Ad—未能背換熱管支撐 的面積,mm 因此精確的計算隔板槽面積是必要的,有時候為了圖方 便,就直接計算隔板槽的幾何面積,這是錯誤的。以上給出了 四種常用隔板槽面積的計算方法,可以避免這種錯誤再發生。 4 結論 設計符合法規并且最經濟的換熱器,必須熟悉法規條文及 公式應用和一般力學常識,了解使用者的要求,同時參考別人 的設計方式及資料,參觀換熱器廠。并與制造廠技術人員探討 自己產品制造程序事宜,借以改進缺點。通過了解設備的基本結構,提高換熱器的設計水平,可以使設計的產品向安全、經 濟的方向發展。 參考文獻 [1]鄭津洋,董其伍,桑芝富.過程設備設計[M].化學工業出版社,2005: 110-123. [2]王新,張湘鳳.管殼式換熱器的設計計算[J].小氮肥設計技術,2006, (2):6-8. [3]顧德龍.管板隔板槽面積計算及其對管板厚度影響[J].壓力容器,2000, (4):34-36. (本文文獻格式:丁玉龍,王娟.管殼式換熱器設計相關問題 的分析研究[J].廣東化工,2008,35(10):133-137) 
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