浮頭式換熱器

1、浮頭式冷卻器E-1401設計摘要該畢業(yè)設計題目為浮頭式冷卻器（即浮頭式換熱器）E-1401設計，源于工程實際。浮頭式換熱器是管殼式換熱器中的一類，其管板一端固定在殼體與前端管箱之間，另一端（即浮頭）可以在殼體中自由移動。由于管束的熱膨脹不受殼體的約束，因此浮頭式換熱器不會產(chǎn)生較大的溫差熱應力，這樣便避免了對換熱器結構的損害。此外，浮頭式換熱器還便于拆卸、易于清洗，適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結垢的場合。因此在石油化工以及其他相關行業(yè)中得到了廣泛的應用。該設計主要進行了換熱器結構的研究和各處強度的校核。根據(jù)所提供的設計條件，以及GB150-2011壓力容器、GB151-1999管殼式換熱

2、器、固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程等標準確定出換熱器各個零部件（管箱、封頭、法蘭、開孔接管、折流板、鉤圈等）的具體方案，包括各處材料的選擇，各零部件的基本結構，壁厚計算及強度校核，開孔補強計算，管板、法蘭以及浮頭鉤圈的強度計算等。本設計歷時3個月，共完成說明書一份，A1圖紙5張，外文翻譯一份。關鍵詞：換熱器 浮頭 設計Floating cooler E-1401 designSummaryThe graduation project titled Floating cooler ( ie, floating head heat exchanger ) E-1401 design , from

3、engineering practice . Floating head heat exchanger shell and tube heat exchanger is in a class of its tube plate fixed at one end between the housing and the front tube box , the other end ( ie, floating head ) can move freely in the housing. Due to thermal expansion of the bundle is not bound by t

4、he housing , the floating head heat exchanger and therefore no large temperature difference between the thermal stress , thus avoiding damage to the structure of the heat exchanger . In addition, floating head heat exchanger is also easy to disassemble , easy to clean , suitable for large temperatur

5、e difference between the shell and tube bundle or medium shell easy to scale the occasion. So it has been widely used in the petrochemical and other related industries.The design is mainly studied the intensity of the heat exchanger and around the structure checked. Determine the various components

6、of the heat exchanger according to the design conditions provided and GB150-2011 pressure vessel , GB151-1999 shell and tube heat exchangers , Safety Technology Supervision Stationary Pressure Vessels and other standards ( tube box , head, flange , opening over, baffles, circle hooks , etc. ) of the

7、 specific program , including the selection of materials throughout , the basic structure of the various parts , wall thickness calculation and strength check , opening reinforcement calculations, tube sheets , flanges and strength calculation Floating circle hook .Keywords : Heat exchanger floating

8、 head design1.前言隨著時代的發(fā)展、科技的進步，石油化工及相關產(chǎn)業(yè)在人類的生活中扮演的角色越來越不可替代。小到平時生活日用品，大到國民的經(jīng)濟發(fā)展，人類早已習慣了這種便利、快捷的生活。在石油化工生產(chǎn)中，各類過程設備的品質(zhì)直接決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及其性能。在各種原料及半成品不斷地調(diào)和中，溫度讓這個過程更平穩(wěn)高效地進行著，然而，對于熱量交換，換熱器發(fā)揮了其平凡而偉大的作用。因此，我選擇了管殼式換熱器中的浮頭式換熱器作為畢業(yè)設計的課題。該設計的題目為浮頭式冷卻器E-1401設計。在設計初期，我先根據(jù)設計條件設計壓力：2.5MPa(管程)/3.0MPa(殼程)；設計溫度：80(管程)/250

9、(殼程)；4管程/1殼程；155的換熱面積和參考案例了解并選定了浮頭式換熱器的基本結構和各零部件的材料。在設計前期，先進行了壁厚的計算和校核，之后又進行了開孔補強、法蘭、管板及浮頭鉤圈的計算校核。在設計中期，我便開始進行了圖紙的繪制。最后進行的是計算說明書、外文文獻以及論文其他部分的整理工作。在整個設計過程中，我發(fā)現(xiàn)了許多以前不是十分了解的問題，比如浮頭處的結構，折流板形式的選擇與排布等。1.1浮頭式換熱器概述換熱設備是用于兩種或兩種以上流體間、一種流體一種固體間、固體粒子間或者熱接觸且具有不同溫度的同種流體間的熱量或焓傳遞的裝置。按熱傳遞原理或傳熱方式分類，換熱設備可分為：直接接觸式換熱器，

10、蓄熱式換熱器，間壁式換熱器，中間載熱體式換熱器。其中間壁式換熱器又分為管式換熱器、板面式換熱器以及其他形式換熱器。浮頭式換熱器屬于管殼式換熱器中的一類。浮頭式換熱器，兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動，稱為浮頭。浮頭由浮動管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產(chǎn)生熱應力。其優(yōu)點是管間與管內(nèi)清洗方便，不會產(chǎn)生熱應力；但其結構復雜，造價比固定管板式換熱器高，設備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時對密封要求較高。適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結垢的場合。1.2殼程1.2.1換熱器筒體筒體提供

11、了工藝所需的承壓空間，是壓力容器最主要的受壓元件之一。圓柱形筒體是工程中最常用的筒體結構。該設計中，筒體直徑為800mm，殼程設計壓力為3.0MPa,可以用無縫鋼管制作，也可以由鋼板卷制而成。在實際生產(chǎn)中，鋼板卷焊形式使用更為廣泛，因此選用單層卷焊式筒體結構。同時在加工過程中，應注意避免環(huán)、縱焊縫交叉。用于加工筒體的材料形式多樣，其中低合金鋼憑借優(yōu)良的性能，在生產(chǎn)中占了很大的比重。Q345R是屈服強度為340MPa級的壓力容器專用鋼板，是我國壓力容器行業(yè)使用量最大、使用經(jīng)驗最豐富的鋼板，主要用于中低壓壓力容器的制造。因此選用Q345R鋼板作為換熱器筒體等其他部分的加工材料，既保證了結構需要，又

12、降低了制造成本。筒壁上焊有接管，供殼程流體進出。為防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和振動，在殼程進口接管處常裝有防沖擋板。防沖擋板是由320x210x8的Q235-B鋼板制成。1.2.2外頭蓋位于換熱器的后端，相當于后端管箱，利用浮頭將管程、殼程流體分開，浮頭外側部分改變殼程流體流向，內(nèi)側則改變管程流體流向。外頭蓋的筒體通常比換熱器筒體內(nèi)徑大100mm，為900mm，設計壓力為殼程設計壓力。在該設計中，外頭蓋筒體與換熱器筒體一樣，是由Q345R鋼板卷焊而成。外頭蓋在安裝拆卸的過程中不需要分離筒體跟封頭，為了保證密封、節(jié)省材料和減少加工制造的工作量，外頭蓋處的封頭選用了標準橢圓形封頭，由

13、Q345R制成。這樣既保證強度，又便于實際加工。外頭蓋與換熱器通過法蘭螺栓相連接，但是由于兩個筒體的內(nèi)徑不相同，因此只能在內(nèi)徑大的一側使用標準法蘭，而另一側使用相配合的非標準法蘭。這樣才能保證連接處的強度和剛度。1.2.3折流板設置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時減少結垢。在臥式換熱器中、折流板還起支撐管束的作用。常用的折流板分弓形和圓盤圓環(huán)形兩種形式。換熱器筒體材料為Q345R，折流板的材料選用碳鋼即可，該設計選用了常用作零部件加工材料的Q235-B作為折流板的材料。由于殼程介質(zhì)是反應器產(chǎn)品，其中會含有固體

14、顆粒，因此該設計選用了缺口垂直左右布置的單弓形折流板，并且在折流板最低處開通液口，用于排液。折流板一般等間距排布，且管束兩端的折流板應盡量靠近殼程介質(zhì)的進出口接管。為了充分交換熱量，該設計一共布置了16塊折流板，相鄰兩折流板間距為300mm，板厚10mm。且最兩端的兩塊折流板距離接管口的水平距離為100mm。1.2.4防短路結構為了防止殼程流體在某些區(qū)域流動時發(fā)生短路，降低熱效率，需要采用防短路結構。該設計中采用了旁路擋板與擋管。旁路擋板防止殼程邊緣介質(zhì)短路，以迫使殼程流體通過管束與管程流體進行換熱。該設計中的旁路擋板是由610x40x8的Q235-B鋼板制成。當換熱器采用多管程時，為了安排管

15、箱分程隔板，在管中心或每程隔板中心的管間不排列換熱管，導致了管間短路。為此，該設計選用20號鋼，25mm2.5mm，4750mm的鋼管作為擋管。1.3.管程1.3.1 前端管箱位于換熱器的前端，將從管道輸送來的流體均勻地分布到各個換熱管和將管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。而且在該設計條件為4管程下，管箱還有改變流體流向的作用。前端管箱筒體與換熱器筒體內(nèi)徑一樣大，為800mm，設計壓力為管程設計壓力。在該設計中，前端管箱筒體與換熱器筒體一樣，是由Q345R鋼板卷焊而成。在管箱內(nèi)部，水平設置了兩塊分層隔板，由10mm厚的Q235-B鋼板制成。由于在實際生產(chǎn)中需要定期清洗、檢修，因此在該設計中前端管箱

16、兩側均選用可拆式連接，一側與平蓋形封頭相連，較比其他形式的封頭更易拆卸；另一側與換熱器筒體相連，并且管箱筒體內(nèi)徑與換熱器筒體內(nèi)徑相等，均采用標準法蘭進行連接。其中由于平蓋形封頭的厚度為90mm，大于50mm，因此選用16Mn的鍛件制成。1.3.2 管板管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，同時受管程、殼程壓力和溫度的共同作用。對于浮頭式換熱器而言，前端的固定管板由前端管箱和筒體夾持，通過法蘭螺栓將其固定；后端的浮動管板由浮頭和鉤圈“夾持”，通過法蘭螺栓固定。這樣當換熱管由于熱膨脹產(chǎn)生變形時，浮動管板一側可在后端管箱內(nèi)自由移動，不會產(chǎn)生熱應力。為增大換熱面積

17、，提高換熱效率，該設計中將管束分為4管程。對于4程的分法，有平行和工字形兩種。出于盡可能排布較多換熱管的角度，該設計選用了工字形的分程方法，同時比平行法的密封線短。兩管板厚度均為100mm，同平蓋形封頭一樣，選用16Mn的鍛件制成。1.3.3換熱管用于分隔流體，熱量交換的“間壁”。換熱管常用的材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅、鋁合金等?？紤]到經(jīng)濟性因素，并且管程介質(zhì)較清潔，因此該設計選用了10鋼，尺寸為25mm2.5mm，6m長的無縫鋼管。換熱管在管板上的排列形式主要有四種，三角形能比正方形排更多的管子，但為了便于管外清洗，該設計選用了轉(zhuǎn)角正方形的排列形式，較正方形而言，換熱面積增大。換熱管的

18、中心距應大于等于1.5倍的換熱管外徑，這樣才能保證管橋有足夠強度。當換熱管外徑為25mm時，取中心距為32mm。換熱管與管板連接是管殼式換熱器設計、制造最關鍵的技術之一，是事故率最多的部位。連接方法主要由強度脹接、強度焊和脹焊并用。脹接與焊接各有優(yōu)缺點，綜合考慮、選用脹焊并用中的強度焊加貼脹這種應用廣泛的連接方法。這樣可以改善連接處的抗疲勞性能，消除應力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。1.3.4 浮頭及鉤圈浮頭式換熱器最鮮明的特點體現(xiàn)在浮頭上。浮頭帶動換熱管自由伸縮，從而消除了熱應力。浮頭由浮頭蓋和鉤圈配合，“夾持”住浮動管板，完成工作。浮頭蓋由浮頭法蘭和球冠形封頭組成。由于換熱器筒體的內(nèi)徑為8

19、00mm，依據(jù)標準得球冠形封頭的曲率半徑為600mm。球冠形封頭內(nèi)側流經(jīng)管程介質(zhì)，外側流經(jīng)殼程介質(zhì)，同時承受管、殼程壓力，該設計選用Q345R為球冠形封頭材料。浮頭法蘭選用105mm厚的16Mn鍛件制成。根據(jù)標準，選用B型鉤圈，其厚度比浮頭法蘭的厚度大11mm。材料與浮頭法蘭相同。1.4其他部件1.4.1 法蘭除與外頭蓋相連的筒體法蘭外，其他法蘭均為標準法蘭。所有法蘭均由16Mn鍛件制成。3.結論經(jīng)結構設計和強度計算，該臺設備結構符合使用要求，筒體、封頭、管板、法蘭、浮頭強度達到標準。整個計算校核過程嚴格符合GB150-2011壓力容器、GB151-1999管殼式換熱器、固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程等相關設計標準。該臺設備可以進行實際生產(chǎn)。參考文獻1 GB150-2011 壓力容器 S.國家技術監(jiān)督局.2 GB151-1999 管殼式換熱器 S.國家技術監(jiān)督局.3 固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程 S. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.4 GB713-2008 鍋爐和壓力容器用鋼板 S.國家技術監(jiān)督局.5 JB/T4703-2000 長頸對焊法蘭 S.國家