塔頂冷卻器的機械設計

王子健 閆紹峰 王雙林 張亮

摘 要：換熱器是被廣泛應用于石油和化學等工業部門工業生產中進行熱交換操作的，它的主要作用是使冷熱介質之間發生溫度轉換。本設計為塔頂冷卻器機械設計，綜合考慮給定的介質、溫度和壓強等因素，確定了換熱器結構為U型管式換熱器，設計的主要內容有工藝設計、強度設計計算、零件結構形式的選擇及換熱器的檢驗和驗收等。該換熱器具有結構湊性、傳熱效率高、流體阻力小、性能安全可靠、材料消耗少、制造費用低，安裝和檢修方便等特點，并能承受高溫高壓的復雜工況的特點。

關鍵詞：換熱器；工藝設計計算；強度設計計算

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.035

1 引言

換熱器是在化工生產、煉油工藝、生產食品、原子能工藝、制藥工藝、航空航天以及其他許多部門都在使用的設備。在工業生產中，換熱器的主要作用是使冷熱介質之間發生溫度轉換，讓需要的介質達到設計規定的溫度，以滿足生產過程需要的條件。近幾年由我國經濟發展而帶動的良好發展，同時進口產品很大方面的可轉化性等等，都已經表明我國的換熱器行業將來到一波新的高潮。為了跟上發展的腳步，我國對一些工藝生產中常用到的換熱器已經建立了一系列的標準。

2 設計主要參數與要求

2.1 設計參數

2.2 設計要求

設計方案的選擇：由于管殼式換熱器它有穩定性好，結構堅固、適應范圍較廣、材料可以廣泛應用等優點，因此被廣泛的應用于煉油、化工和石油化工等行業里。因此根據工程實際的要求，本次設計中的換熱器采用U型管式換熱器，U型管式換熱器的特點是管子管束可以來回收縮，不會出現管子和殼體間壁因溫差而發生的溫差應力這樣的情況，結構簡單，管束可以抽出清洗管間，而且管束的重量最輕。U型管式換熱器由于管程清洗困難所以適合換熱管內走清潔干凈而不易產生結垢的介質，同時管程還適合走耐高溫、高壓并且腐蝕性較大的物料。所以，此方案合理可行。

選擇換熱器類型；工藝設計計算；機械設計計算；結構設計計算；制造加工；選擇材質；確定管程和殼程數。此外，再設計之前先對換熱器的類型、流體流動空間等進行說明。

工藝設計計算：確定換熱管管束；計算流體流量；估算傳熱面積；確定工藝結構尺寸；核算壓降和傳熱系數。

機械設計計算：管箱設計；圓筒設計；法蘭設計；封頭設計；鞍座設計等。

3 主要設計內容

3.1 工藝設計計算

3.1.1 確定換熱管管數

選φ19mm2mm的不銹鋼鋼管，管長6000mm。因為φ19mm2mm屬于小管徑，傳熱面積大，結構緊湊，金屬消耗量少等優點。管子材料采用不銹鋼材料。換熱管在管板上的排布方式有正三角形、轉正三角形和正方形、轉角正方形。在同樣的管板面積上正三角形排列的管數是最多的，故采用正三角形排列。本次設計的換熱管的分布方法采用正三角形排列。

由傳熱面積可得：

根

管子排布方式：正三角形，取管間距a=25mm。如圖1所示。

3.1.2 換熱器筒體直徑校核

式中：換熱管間距，由上可知a=25mm；

換熱管橫向、縱向管數，取b=28根；

最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取。

則，故選用雙殼程設計。

3.2 強度設計計算

由于所設計的換熱器屬于常規容器，在殼體工作壓力和溫度滿足要求前提下，根據經濟型原則，本次設計筒體材料選用Q345R。且換熱器的殼體和管箱公稱直徑為，所以可以使用由板材卷制而成的筒體。焊接接頭系數在設計中用來表示焊縫熱影響區金屬與母材強度的比值，來表示容器強度的被削弱程度。由受壓元件焊接接頭的特點和無損檢測長度的比值來確定焊接接頭系數的大小。對焊接接頭的無損檢測的射線探傷或超聲波探傷是指按照有關規定所進行，探傷分為全部探傷和局部探傷兩種。在《壓力容器安全技術監察規程》中對容器檢測方法的選擇、無損檢測的要求、檢驗驗收的標準等都作出了一些具體的規程。具體如表2。

3.2.1 換熱器筒體壁厚校核

取設計壓力=1.1×1.0=1.1MPa，鋼板厚度負偏差，腐蝕裕量，，為焊縫系數，采用雙面焊，局部無損探傷，取=0.85，許用應力，根據GB151-2014，查得=185 MPa。

故設計壁厚為：

取名義壁厚：。

3.2.2 法蘭的設計計算

按內壓計算：按照螺栓直徑及經驗公式計算，螺栓中心圓直徑：

式中：

U形管法蘭的外直徑，，mm；

換熱器圓筒內直徑，mm；

U形管管板外直徑，，mm。

3.3 法蘭結構設計

根據JB4700-2014查得，壓力容器法蘭可選用長頸對焊法蘭為固定端的殼體法蘭并且管箱的法蘭也為長頸對焊法蘭，選擇凹凸面的方式進行密封，材料選用鍛件20MnMo，如圖2。

接管法蘭：由接管的公稱直徑、公稱壓力，查相應的鋼制管法蘭、緊固件和墊片，其中的帶頸對焊鋼制管法蘭符合要求，選用凹凸面方式進行密封，選其材料為Q345R。如圖3所示。

4 封頭的選擇

橢圓形封頭可以看做是橢圓面加短圓筒組合而成的，其鍛造直邊的是為了避免封頭和圓筒的連接地方焊縫出現問題，來改善兩者之間焊縫的受力情況。由于橢圓形封頭應力分布比較均勻，且深度較半球形封頭小得多，橢圓形封頭易于沖壓成型，是目前較為普遍的封頭之一，適用范圍較廣。

選用標準橢圓形封頭，為了便于焊接封頭及經濟性要求，采用材料為Q345R。

封頭名義壁厚計算：

式中： —材料的許用應力，（單位MPa）；

查材料可得；

—焊縫系數，（其采用雙面焊，全部探傷，。）

名義厚度：

按照GB151-2011對U形管換熱器最小壁厚的規定，。

有效壁厚計算：

5 結論

換熱器是被廣泛應用于石油和化學等工業部門工業生產中進行熱交換操作的，主要作用是使冷熱介質之間發生溫度轉換，讓需要的介質達到設計規定溫度的一種通用工藝，許多化工生產部門都在使用的設備。U型管式換熱器與其他換熱器的區別就在于管束結構的不同，由于管程清洗困難所以適合換熱管內走清潔干凈而不易產生結垢的介質，同時管程還適合走耐高溫、高壓并且腐蝕性較大的物料。該換熱器具有結構湊性、傳熱效率高、流體阻力小、性能安全可靠、材料消耗少、制造費用低，安裝和檢修方便等特點，并能承受高溫高壓的復雜工況的特點。

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