管壳式换热器设计

管壳式换热器的设计一、概述1.1换热器的应用1.2换热器的分类及其特点1.3管壳式换热器的基本介绍二、管壳式换热器设计参数、材料的确定2.1设计参数的确定2.2材料的选择三、管板厚度的确定四、管壳式换热器结构设计4.1换热管与管板连接结构4.2防冲板与导流筒的设置4.3折流板与支持板4.4拉杆和定距管4.5管板结构设计4.6换热管一、概述1.1换热器的应用使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备。它是化工、炼油、动力、食品、轻工及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%-20%。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的液体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热设备也有回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。如：转化器夹套冷却水因带走设备的反应热后使其从进入时的温度60-80℃上升到近100℃，从夹套流出的热水进入一个冷凝器，加热工业水，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。1.2换热设备分类及其特点在工业生产中由于用途、工作条件和物料的不同,出现了各种不同形式和结构的换热设备.1.2.1按作用原理或传热方式分类1.2.1.1直接接触式换热器:这类换热器又称为混合式换热器,如我们公司凉水塔,它是利用冷、热流体直接接触面积，以达到充分换热，在设备中常放置填料和栅板。1.2.1.2蓄热式换热器:这类换热器又称为回热换热器,它是借助于固体(如固体填料或多孔性格)构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触,把热量从热流体传递给冷流体的换热器.。在换热器内首先由热流体通过，把热量积蓄起来，然后由冷流体通过。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜，单位体积传热面大，故较适合用于气-气热交换的场合。如：空气预热器。1.2.1.3间壁式换热器这类换热器又称为表面式换热器。它是利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样，如常见的管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。1.2.1.3间壁式换热器1.2.1.3.1间壁式换热器分类管式换热器、板式换热器及其它形式的换热器。管式换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕管式换热器和管壳式换热器。其中管壳式换热器是目前应用最为广泛的换热设备。它占换热器总量的90%。它是典型的间壁式换热器.1.3管壳式换热器介绍管壳式换热器具有可靠性高，适应性广泛等优点，在各工业领域中得到最为广泛在应用。1.3.1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、填料函式和釜式沸器五类,如图示。1.3.1.1固定管板式换热器固定管板式换热器管束连接在管板上，管板与壳体焊接。1.3.1.1.1优点：1）传热面积比浮头式换热器大20%-30%；2）旁路漏流较水；3）锻件使用较少；4）没有内漏。1.3.1.1.2缺点：1）不适用于换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差很大的场合，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；（为了减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件．如：设置膨胀节．来吸收热膨胀差）2）壳程无法机械清洗，不适用于壳程结垢的场合；3）管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，故设备寿命相对较低。1.3.1.1.3适用的场合：1）设备需要尽少使用法兰密封面的场合；2）管壳程金属温差不是很大的场合；3）壳程流体清洁，无需经常抽出管束清洗的场合。1.3.1.2浮头式换热器浮头式换热器的典型结构见图示，两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会主生热应力。浮头式换热器的特点：1.3.1.2.1优点：1)管束可以抽出，以方便清洗管程、壳程；2)壳程壁与管壁不受温差限制；3)可在高温、高压下工作，一般温度T≤450℃，P≤6.4MPa;4)可用于结垢比较严重的场合;5)可用于管程腐蚀场合.1.3.1.2.2缺点:1)浮头端易发生内漏;2)金属材料耗量大,成本高20%;3)结构复杂.。1.3.1.2.3可用的场合：1）管壳程金属温差很大场合；2）壳程介质易结垢要求经常清洗的场合；1.3.1.3U形管式换热器U形换热器的典型结构如图。这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与U形换热管有温差时，不会产生热应力。由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形式成短路，对传热不利。当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根U形相当于坏两根管，报废率较高。1.3.1.3.1优点：１）管束可抽出来机械清洗；２）壳体与管壁不受温差限制；３）可在高温、高压下工作，一般适用于T≤500℃，P≤10MPa;4)可用于壳程结垢比较严重的场合;5)可用于管程易腐蚀场合.1.3.1.3.2缺点:1)在管子的U型处易冲蚀,应控制管内流速;2)管程不适用于结垢较重的场合;3)因死区较大,只适用于内导流筒;4)单管程换热器不适用;1.3.1.3.3可用的场合:1)管程走清洁流体;2)管程压力特别高;3)管壳程金属温差很大,固定管板换热器连设置膨胀节都无法满足要求的场合.二、管壳式换热器的设计参数及材料2.1设计参数是指用于确定换热器施工图设计、制造、检验及验收的参数。它主要包括设计压力P、设计温度T、厚度δ、焊接接头系数φ、试验压力PT、公称直径DN、公称长度LN、换热面积A、容器类别等。2.1.1设计压力：指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。我们常取1.1倍最高工作压力。对于同时受管、壳程压力作用的元件，仅在能保证管、壳程同时升、降压时，才可以按压差设计，否则应分别按管、壳程工作压力确定设计压力，并应考虑可能存在的最苛刻的管、壳程压力组合。按压差设计时，压差的取值还应考虑在压力试验过程中，可能出现的最大压差值。真空换热器真空侧的设计压力按承受外压考虑，当装有安全控制装置（如真空泄放阀）时，设计压力取1.25倍最大内外压力差,或0.1MPa两者中的较低值;当没有安全控制装置时，取0.1MPa。真空换热器非真空侧，同时受管、壳程压力作用的元件，其设计压力应为内压侧和真空侧设计压力之和。2.1.2设计温度设计温度---指换器在正常情况下，设定的元件的金属温度，设计温度与设计压力一起作为设计载荷。设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。元件的金属温度可用传热计算求得，或在已使用的同类容器上测定，或按内部介质的温度确定，我们通常取设备内部介质温度作为设计温度。在任何情况下，金属元件的表面温度不得超过金属材料的允许使用温度。2.1.3厚度2.1.3.1计算厚度----按规范的公式计算得到的厚度。2.1.3.2设计厚度-----设计时必须考虑腐蚀裕量C2，计算厚度与腐蚀裕量之和为设计厚度。2.1.3.3名义厚度-----设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格厚度（钢材生产有厚度负偏差C1是因生产厂家按一定规格的厚度生产）。2.1.3.4有效厚度----名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差。圆筒的厚度应按GB150-1998第5章计算,但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于如下表(二)中的规定,。表二:公称直径400--≤700＞700--≤1000＞1000--≤1500＞1500--≤2000＞2000--2600浮头式，U形管式810121416固定式管板68101214注：表中数据包括厚度附加量C2（按1mm考虑）未考虑厚度负偏差对于高合金钢圆筒的最小厚度应不小于下表（三）中的规定:从表（二）、表（三）中可以看出：换热器壳体的最小厚度比容器最小壁厚要厚，原因是：1）设备的刚度问题，考虑换热设备常检修、清洗;2）考虑到卧式容器支座有应力集中的问题;3)当管程压力高于壳程的压力时,为达到水压试验的有效性，确保管子连接与管板连接的严密性，通常将壳程的试验压力提高来作，其取值与管程试验压力一样。（但是必须首先核算壳体在试验压力下时产生的应力是否小于许用应力）。表三公称直径400-≤500＞500-≤700＞700-≤1000＞1000-≤1500＞1500-≤2000S＞2000--≤2600最小厚度3.54.56810122.1.4焊接接头系数在压力容器制造中，焊接是很重量的一环。在焊接过程中往往会产生一些缺陷，如未焊透、裂纹、夹渣、咬边等，这会引起应力集中。焊接中形成焊缝热影响区晶粒粗大，使母材强度或塑性下降，制造中焊缝错边量、余高等的超标引起了附加应力。焊缝设计不合理使焊接工艺和焊缝检验困难，影响焊缝质量。因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。为弥补焊缝对容器整体强度的削弱，在强度计算中引入焊接接头系数。焊接接头系数φ根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头：100%无损检测φ=1.00局部无损检测φ=0.85单面焊对接接头(沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板)100%无损检测φ=0.9局部无损检测φ=0.82.1.5压力试验2.1.5.1试验介质A、液压试验时一般用水作为试验介质，需要时也可采用不会导致发生危险的其他液体。奥氏体不锈钢制容器用水进行试验后应将水渍清除干净，当无法达到这一要求时，应控制水中氯离子的含量不超过25mg/L。B、气压试验所用气体应为干燥、洁净的空气、氮气也可是其他惰性气体。2.1.5.2试验压力试验压力的最低值按下述规定，试验压力的上限应满足应力校核的限制。2.1.5.2.1内压换热器液压试验PT=1.25P［σ］/［σ］t气压试验PT=1.15P［σ］/［σ］tPT--------试验压力,MPaP---------设计压力,MPa［σ］-----换热器元件材料在试验温度下的许用应力,MPa［σ］t----换热器元件材料在设计温度下的许用应力,MPa。注：1、换热器如规定了最大允许工作压力时，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力P。2、换热器各元件（圆筒、封头、膨胀节、管板、浮头法兰、球冠性封头及坚固件等)所用材料不同时，应取各元件材料［σ］/［σ］t比值中的最小者。2.1.5.2.2外压和真空换热器液压试验压力PT=1.25P气压试验压力PT=1.15PPT--------试验压力,MPaP---------设计压力,MPa2.1.5.2.3压力试验前的应力校核压力试验前，应校核圆筒和封头的应力。圆筒应力：σT=PT（Di+δe）/2δe椭圆形封头应力：σT=PT（Di+0.5δe）/2δeDi-----圆筒或椭圆形封头的内直径,mmPT-----圆筒或椭圆形封头的试验压力,MPaσT-----试验压力下圆筒或椭圆形封头的应力,MPaδe-----圆筒或椭圆形封头的有效厚度,mm.σT应分别满足下列条件:液压试验时,σT≤0.9σsφ气压试验时,σT≤0.8σsφ式中：σS------圆筒或封头材料在试验温度下的屈服点或0.2%屈服强度,;在换热器技术参数表中应注意壳程和管程水压试验和气密性试验压力的填写。⑴当壳程压力高于管程压力时，壳程和管程的试验压力各自按前面规定取值。当介质为极度和高度危害介质时，气密性压力取设计压力