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管壳式换热器设计相关问题的分析研究

发布时间:2015-01-12 新闻来源:www.tchrq.cn
       换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备。通常在化工厂的建设中,换热器约占总投资的10~20%;在石化炼油厂中,换热器约占全部工艺设备投资的35~40%。列管式换热器是应用最为广泛的换热设备。它结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本低、选用的材料范围广、换热表面清洗较方便、能承受较高的操作压力和温度。在高温、高压和大型换热器中,管壳式换热仍占绝对优势,所以广泛应用于化工、炼油、石油化工以及其它工业中[1]。因此,文章根据作者长期的工程设计经验,总结了管壳式换热器在设计中易出现几个问题,提出了解决办法,并重点分析介绍了隔板槽面积取值问题。1换热器的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、填料函式及釜式重沸器等五类。每种结构形式各自发挥不同的作用。在管壳式换热器设计时,必须考虑很多因素,例如传热条件、材料、介质压力、温度、壁温温差、介质结垢情况、流体性质以及检修和清洗条件等等,从而确定一种适合的结构形式。同时也得考虑材料的价格、制造成本、动力消耗和使用寿命等因素,力求在满足工艺要求的情况下,使换热器在整个使用寿命内最经济的运行。如固定管板式换热器结构简单、紧凑、造价低,每根换热管可以单独清洗和更换,在外形尺寸相同的条件下,与浮头式和U形管式换热器相比,换热面积大。但由于固定管板式换热器的壳程清洗困难和适应热膨胀能力差,决定了固定管板式换热器适用于换热介质清洁,壳程压力不高,换热介质温差不大的场合。2换热器设计中常见的问题及解决方法换热器的结构设计是否合理,直接影响换热器的传热能力。因此,文章根据作者长期的工程实践及设计经验,针对常见的问题进行了分析说明,并指出了解决办法。2.1换热器管程设计压力大于壳程设计压力时,壳程试验压力的选取问题当换热器设计压力大于壳程设计压力时,壳程的试验压力仍按常规选取是错误的。为了检查管子与管板的严密性,壳程的试验压力可按下面几种处理方法[2]:(1)提高壳程的试验压力等于管壳的试验压力。采用这种方法时,必须首先核算壳体在压力试验时产生的应力,要求壳程韧崴构俜酵锯一点的薄膜应力的计算值不得超过所有材料在试验温度下的90%屈服极限。同时接管、法兰也应满足压力试验条件下的强度要求。(2)若经过计算后不能采用上述方法试验时,则壳程、管程按各自要求的试验压力进行压力试验合格后,壳程再以1.05倍壳程设计压力的含氨体积约1%的压缩空气进行试验。(3)对有特殊要求的换热器,如高压换热器等可用低压纯氨进行试漏或采用卤素检漏等方法试验。2.2卧式冷凝器折流板未左右布置卧式冷凝器介质为气、液共存,折流板应左右布置。折流板的缺口上下布置是不合适的,如果折流板缺口上下设置,不利于冷凝液的排出。特别当冷凝液位高于上置折流板的下缺口时,会形成液封,阻碍蒸汽流动,影响设备传热和运行。对卧置式换热器还应该注意的是,在折流板的最高和最低处,应开夹角90°、深15mm的排气、排液缺口。2.3换热器管箱上设有大接管或分程隔板时未要求进行热处理的问题设计换热器管箱有两种倾向:一种是管箱不做热处理;另一种是管箱要进行热处理,是否需要热处理,要看具体情况而定。(1)碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱以及管箱的侧向开孔超过1/3圆筒内径的管箱,应在施焊后做消除应力的热处理。(2)奥氏体不锈钢的管箱,一般不做焊后热处理。当有较高抗腐蚀要求或高温下使用时,可按供需双方商定的方法进行热处理。2.4钢板本身具有与筒体相连接的凸肩时,未选用锻件的问题在工程设计中,常遇到管板选用板材加工,还是选用锻件加工界限不清。当管板本身具有与筒体相连接的凸肩结构时,必须用锻件加工,不能用板材加工。因为厚板有分层倾向,在上述情况下如用板材加工成管板,特别容易出问题。还有选用锻件的管板,应按有关标准提出必要的锻件技术要求。2.5换热管未标准精度的错误由于I、II级换热器的差别只体现在管束上,故GB151将I、II级换热器修订为I、II级管束。换热器设计时必须说明换热管的等级。I级换热管是高精度冷拔换热管,适用于无相变传热和易产生振动的场合,II级换热管是普通冷拔换热管,适用于重沸冷凝传热和无振动的场合。选定了不同级别的换热管,才能对管板和折流板、管孔提出不同尺寸偏差和精度要求。3管板计算SW6软件是一款专门用于过程设备强度计算的软件包,现以U型管换热器为例,使用SW6进行管板计算,其主体参数设置见图1。其他条件不变,只改变隔板槽截面积进行对比计算:输入隔板槽面积为5240mm,见图2。上述各计算方法中的变量符号分别代表以下涵义:S—换热管中心距,mm;Sn—隔板槽两侧相邻管中心距mm;n’—沿隔板槽一侧的排管根数;Ad—未能背换热管支撑的面积,mm因此精确的计算隔板槽面积是必要的,有时候为了图方便,就直接计算隔板槽的几何面积,这是错误的。以上给出了四种常用隔板槽面积的计算方法,可以避免这种错误再发生。4结论设计符合法规并且最经济的换热器,必须熟悉法规条文及公式应用和一般力学常识,了解使用者的要求,同时参考别人的设计方式及资料,参观换热器厂。并与制造厂技术人员探讨自己产品制造程序事宜,借以改进缺点。通过了解设备的基本结构,提高换热器的设计水平,可以使设计的产品向安全、经济的方向发展。



 
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