U形管換熱器設(shè)計(jì)實(shí)例

宋林曉

摘 要：本文主要介紹U形管換熱器及設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：U形管換熱器；管板；殼體；管箱

1、U形管換熱器的概述

換熱器作為節(jié)能設(shè)備之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起到非常重要的作用。本文主要介紹管殼式換熱器中的U形管換熱器。

U形管換熱器具有以下優(yōu)缺點(diǎn)，

優(yōu)點(diǎn)：

①同樣直徑情況下，換熱面積最大；

②管束可抽出來(lái)機(jī)械清洗；

③殼體與管壁不受溫差限制；

④可在高溫、高壓下工作；

⑤可用于殼程結(jié)垢比較嚴(yán)重的場(chǎng)合；

⑥可用于管程易腐蝕場(chǎng)合。

缺點(diǎn)：

①在管子的U形處易沖蝕，應(yīng)控制管內(nèi)流速；

②管程不適用結(jié)垢較重的場(chǎng)合；

③單管程換熱器不適用；

④不適用于內(nèi)導(dǎo)流筒，故死區(qū)較大。

1.1U形管換熱器設(shè)計(jì)目的和意義

配套異丙醇塔排出異丙醇廢液從管程流過(guò)，殼程通蒸汽加熱物料，從而實(shí)現(xiàn)換熱效果。

1.2U形管換熱器鞍座的設(shè)計(jì)已知條件如下：換熱器內(nèi)徑Di=700mm；總長(zhǎng)3900mm；地震烈度為7度，安裝地為Ⅰ類場(chǎng)地。

1.3材料選擇：該換熱器根據(jù)設(shè)計(jì)條件屬于Ⅰ類壓力容器；根據(jù)化工設(shè)備用材要求及客戶要求，選用S30408為換熱器殼體及換熱管材料。鞍座及地腳螺栓可選用普通碳素鋼Q235B，其中鞍座墊板選用S30408。

2、主要零部件的厚度校核和選型

2.1封頭厚度校核及選型

本換熱器按GB/T25198-2010選用橢圓形封頭，由設(shè)計(jì)條件通過(guò)公式：及使用條件、GB150中要求的最小封頭厚度綜合考慮厚度取δ=6mm，再由進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力校核，校核合格，并要求最小成型厚度為δ=5.5mm。

2.2筒體厚度校核

由設(shè)計(jì)條件通過(guò)公式：及使用條件、GB151-1999第5.3.2中要求的最小封頭厚度，取δ=6mm，再由公式：進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力校核，校核合格。

2.3分程隔板厚度選取

按GB151-1999中5.2.3.1條，本換熱器公稱直徑：DN=700mm，隔板取δ=8mm。由于隔板只受進(jìn)出口壓降影響，本換熱器進(jìn)出口壓差較小，故不校核。

2.4管箱及筒體壓力容器法蘭的選擇

管箱采用B型封頭管箱，管箱法蘭通常選用長(zhǎng)徑法蘭和平焊法蘭，按設(shè)計(jì)條件中工作壓力、溫度及介質(zhì)特性，選用：法蘭C-FM700-0.6NB/T47021-2012，材質(zhì)為16Mn（環(huán)06Cr19Ni10）。

2.5換熱管數(shù)量及排列方式管間距的確定

本換熱器工藝要求換熱面積為90m?，換熱管采用S30408不銹鋼管，規(guī)格為φ19×2（因?yàn)樵摮叽鐚儆谛焦?，管徑小，單位體積傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊型），管束直段長(zhǎng)2800mm，計(jì)算需275根換熱管，管板開(kāi)孔數(shù)為550個(gè)，換熱管采用正三角形排列，按GB151-1999第5.6.3.2條換熱管中心距取25mm，U型管束彎管段彎曲半徑按GB151-1999第5.5.3.1條Rmin=40mm。

2.6拉桿形式及尺寸

由于換熱管外徑為19mm，故拉桿采用拉桿定距管結(jié)構(gòu)，拉桿采用φ12圓鋼，兩頭加工M12螺紋，管板側(cè)加工長(zhǎng)度為15mm，折流板側(cè)加工長(zhǎng)度為50mm；按GB151-1999第5.10.2條表44查的本換熱器共需8根拉桿。

2.7折流板數(shù)量、尺寸及間距

本換熱器折流板采用水平單弓形，h=187.5mm，直徑D=DN-4.5=695.5mm，因?yàn)闅こ套哒羝?，并在缺口朝上的折流板的最低處開(kāi)通液口，共設(shè)置6塊折流板，間距為450mm，換熱管無(wú)支撐跨距l(xiāng)=900mm，由GB151-1999第5.9.2.2條表34查得折流板厚度為δ=6mm；折流板上換熱管孔直徑由GB151-1999第5.9.3.1條表35查得d=19.4mm，允許偏差+0.3/0mm；拉桿孔直徑設(shè)為13mm。

2.8管板

2.8.1分程隔板槽

（1）槽深宜不小于4mm；

（2）分程隔板槽的寬度為：碳鋼12mm，不銹鋼11mm；

（3）分程隔板槽拐角處的倒角一般為45°倒角寬度b近似等于分程墊片的圓角半徑R。

（4）隔板槽密封面應(yīng)與環(huán)形密封面齊平，或略低于環(huán)形密封面（控制在0.5mm以內(nèi)）。

2.8.2管板

（1）管板孔直徑，由GB151-1999第5.6.4.1查表16得19.25mm允許偏差：+0.15/0mm。

（2）拉桿孔尺寸，由GB151-1999第5.10.1查表43得dn=12mm，加工M12螺紋，螺紋深度l=18mm，l2>la=22mm。

（3）最大布管圓直徑：Di-2b3=700-2×0.25×19=690.5mm。

（4）管板與殼體及管箱的連接采用將管板夾在殼體法蘭和管箱法蘭之間構(gòu)成可拆式連接，可是殼程清洗方便。

（5）管板的厚度

由公式計(jì)算并考慮隔板槽深度，管板名義厚度取δ=45mm。

（6）換熱管與管板連接方式有脹接、焊接、脹焊并用等型式，由于本換熱器工作時(shí)振動(dòng)較小且物料無(wú)間隙腐蝕，故本換熱器采用強(qiáng)度焊，結(jié)構(gòu)形式采用GB151-1999第5.8.3.2條圖34中（a）型，查表33得換熱管伸出長(zhǎng)度l1=1.5mm，坡口深度l3=2mm。

2.9支座

換熱器的鞍式支座按JB/T4712-2007選用，根據(jù)換熱器總重選擇標(biāo)準(zhǔn)鞍座：鞍座BI700-F/S。鞍式支座的布置：兩鞍座間距L=2500mm，高度為200mm，本換熱器采用固定F型和滑動(dòng)S型鞍式支座各一個(gè)，靠近管箱側(cè)的為固定鞍座，鞍座底板、筋板、腹板采用Q235B板材，鞍座墊板采用S30408板材。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家質(zhì)檢總局，《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSGR0004-2009，新華出版社，2009

[2]國(guó)家質(zhì)檢總局，GB150-2011《鋼制壓力容器》，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011

[3]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，GB151-1999《管殼式換熱器》，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999

[4]化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)編輯委員會(huì)，化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)——壓力容器，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003