李學(xué)忠段燊

1．武漢工業(yè)學(xué)院 430023；2．上海環(huán)保設(shè)備總廠 201108

一種管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李學(xué)忠1段燊2

1．武漢工業(yè)學(xué)院 430023；2．上海環(huán)保設(shè)備總廠 201108

1 引言

管殼式換熱器是一種應(yīng)用廣泛的壓力容器，是工業(yè)換熱設(shè)備中的基本結(jié)構(gòu)形式。在換熱設(shè)備中，應(yīng)用最廣泛的是管殼式換熱器，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便,適用性較強(qiáng)，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點(diǎn)。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須考慮諸多因素，如：材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等。在工程設(shè)計(jì)中，要按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。本文根據(jù)客戶實(shí)際需求，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一款管殼式換熱器,使之符合工廠客戶要求。

圖 1管殼式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計(jì)要求為一臺(tái)管程介質(zhì)為冷凍水，殼程介質(zhì)為含水蒸氣的氫氣，4管程臥式固定管殼式換熱器。換熱管19×2，材質(zhì)304鋼。換熱面積4.7m2，換熱管長(zhǎng)度2500mm，換熱管間距25mm。設(shè)計(jì)壓力：管程0.4MA，殼程1.4MA。溫度：殼側(cè)進(jìn)口42℃，出口12℃，管側(cè)進(jìn)口7℃，出口10℃。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 殼體設(shè)計(jì)

總的來(lái)說(shuō)，殼體設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、密封性、抗腐蝕性、節(jié)省材料等要求，此外，還要求制造方便、安裝簡(jiǎn)易、維修容易等。

2.1 殼體材料

根據(jù)規(guī)定：直徑DN<400的圓筒，采用鋼管。換熱器圓筒的碳素鋼、低合金鋼鋼管應(yīng)采用無(wú)縫鋼管。選用GB150-1998附錄A4.2奧氏體不銹鋼焊接鋼管，用做換熱器圓筒，要求采用不添加填充金屬的自動(dòng)電弧焊或電阻焊焊接方法制造,壁厚不大于8mm[2]。

2.2 殼體厚度設(shè)計(jì)

殼體厚度可根據(jù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，當(dāng)元件的應(yīng)力水平達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生屈服，當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生斷裂。實(shí)踐表明，根據(jù)計(jì)算公式得到的圓筒厚度只能滿足強(qiáng)度要求，要考慮圓筒剛度必須滿足其最小壁厚。這是因?yàn)樵谥圃?、安裝和運(yùn)輸中若剛度不足，極易造成過(guò)大的變形，從而影響使用。為此我國(guó)從目前的實(shí)際情況出發(fā)，規(guī)定了殼體的最小壁厚[2]：

當(dāng)內(nèi)徑Di≤3800mm時(shí)，Smin≥2Di/ 1000，且不小于3mm，腐蝕裕量另加；

若內(nèi)徑Di>3800mm，由于容器大多在現(xiàn)場(chǎng)制造，所以Smin按運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)制造、安裝條件確定；

從節(jié)約不銹鋼的角度考慮，對(duì)于由不銹鋼材料制造的殼體，取Smin≥2mm。

按GB150-1998 圓筒厚度計(jì)算，碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度不低于表1[2]規(guī)定：綜合考慮，選取殼體厚度為6mm圓筒型。

表1 圓筒最小厚度選?。╩m）

3 管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管板結(jié)構(gòu)可分為整體管板和復(fù)合管板，結(jié)合本產(chǎn)品介質(zhì)的低腐蝕性，本換熱器設(shè)計(jì)選擇整體管板即可滿足要求，故以下只討論整體管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 管板厚度設(shè)計(jì)

根據(jù)GB151-1999，管板與換熱管采用焊接連接時(shí)，管板的最小厚度應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的要求，且不小于12mm。根據(jù)以上規(guī)定和以往經(jīng)驗(yàn)，本換熱器管板厚度選為22mm。管板管孔直徑為φ19.25mm，直徑偏差0+0.15。

3.2 管板與殼程的連接

管板與殼程的連接，可采用脹接，也可采用焊接。脹接一般應(yīng)用于壓力較低的情形，設(shè)計(jì)溫度一般在350℃以下，焊接則要求材質(zhì)有可焊接性。有時(shí)也采用脹接、焊接并用的方法，此法應(yīng)用于管束承受交變壓力及易產(chǎn)生熱沖擊和熱變形的情形。

管板與殼體及管箱間的連接，視管板是否可拆卸而定。固定管板式常采用不可拆連接，即將管板直接焊于外殼上，并伸出殼體圓周外兼作法蘭。此時(shí)拆下管箱即可檢查焊口或脹口并清掃管內(nèi)。不可拆卸的焊接式有2種：管板兼做法蘭和管板不兼做法蘭，不兼作法蘭而把管板直接焊在殼體上的結(jié)構(gòu)則較少采用。下圖2為換熱器殼程設(shè)計(jì)壓力在1MPa～4MPa之間，兼作法蘭、符合本換熱器規(guī)格的管板連接方式：

圖2 管板與殼體連接方式示意圖

這種管板與殼體的連接方式采用氬弧焊打底的全焊透結(jié)構(gòu)，是目前國(guó)內(nèi)采用得最多的一種方式，但是如果殼體太厚則導(dǎo)致焊縫太寬，焊接時(shí)管板易變形。本換熱器從強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性等綜合方面考慮，選取固定管板式，即管板直接焊接在殼體上，兼作法蘭與管箱上法蘭連接。由于介質(zhì)腐蝕性低，故厚度取為22mm。

4 換熱管的設(shè)計(jì)

4.1 換熱管的選取

當(dāng)采用圓截面的管子時(shí)，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的管子。管徑小時(shí)，單位體積傳熱面積大結(jié)構(gòu)緊湊性高，金屬耗量小，而且在其他條件相同時(shí)，小直徑的管子對(duì)流換熱系數(shù)大，但管徑小時(shí)流體流動(dòng)阻力大，不便清洗。因此，一般粘度大或污濁流體應(yīng)選用直徑較大的管子。根據(jù)我國(guó)的有關(guān)規(guī)定[3]，可采用的管徑和壁厚（mm）為：

碳鋼管：φ14x2；φ19x2；φ25x2. 5；φ32x3；φ30x3；φ45x3；φ57x3. 5

不銹鋼、耐酸鋼管：φ14x2；φ19x2；φ25x2；φ32x2；φ38x2.5；φ45x2.5；φ57x2.5；

換熱器的管子較長(zhǎng)時(shí)，單位面積材料耗量低，但管子過(guò)長(zhǎng)，清洗和安裝均不方便，因此一般取6m以下，且應(yīng)盡量采取標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)或其等分。常用尺寸為 1. 5，2，2.5，3，4，6m，但目前隨著管殼式換熱器日益向大型化發(fā)展，管長(zhǎng)也出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，工程上一般用管長(zhǎng)與殼徑之比來(lái)判斷管長(zhǎng)的合理性。對(duì)于臥式設(shè)備，其比值應(yīng)在6～10范圍內(nèi)。結(jié)合本產(chǎn)品，按GB151-1999，選取φ19x2不銹鋼換熱管Ⅰ級(jí)管束，其在管板最小伸出量為1.5mm。

4.2 換熱管的數(shù)量

由于管長(zhǎng)在訂單中已有規(guī)定，L=2500mm，而換熱面積Q=4.7m2，換熱管外徑D=19mm，故：

每根換熱管換熱面積為：

19x10-3x3.14x2500x10-3=0.14915 m2；

總共需要換熱管的數(shù)量為：

4.7m2/0.14915 m2=31.512 =32

4.3 布管原則

① 在布管限定圓內(nèi)應(yīng)布滿管；

② 多管程的各管程數(shù)應(yīng)盡量相等；

③ 換熱管應(yīng)對(duì)稱排列。

4.4 管束排列

管子在管板上的排列，應(yīng)力求分布均勻、緊湊，也需考慮清掃和整體結(jié)構(gòu)的要求?；镜呐帕蟹绞接幸韵聨追N[3]：

1）.正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列

三角形排列緊湊，傳熱效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一體積傳熱面積更大。適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場(chǎng)合，本設(shè)計(jì)即采用正三角形排列。它與轉(zhuǎn)角三角形排列相比，在同一管板面積上布置相同管子數(shù)時(shí)可節(jié)省15%左右的管板面積，且傳熱系數(shù)較高，便于在管板上劃線和鉆孔。

圖3 正三角形排列管子示意圖

2）. 正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列

正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，管間小橋形成一條直線通道，便于機(jī)械清洗。要經(jīng)常清洗管子外表面上的污垢時(shí)，多用正方形排列或轉(zhuǎn)角正方形排列。

圖4 正方形排列管子示意圖

3）．組合排列法：用于多程換熱器中。

4）. 管間距：

管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。

國(guó)標(biāo)規(guī)定[2]，要求管間距≥1.25d0，便于管子與管板間的連接，因?yàn)閷?duì)于脹接或焊接來(lái)講，管子間距離太近，那么都會(huì)影響連接質(zhì)量。最外層管壁與殼壁之間的距離為10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。

所以本換熱器采取的管間距為25mm> 1.25x19=23.75mm，滿足要求。

5 分程隔板的設(shè)計(jì)

5.1 分程作用

當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長(zhǎng)時(shí)，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時(shí)，為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過(guò)各程管子。

5.2 分程原則[4]

①各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等；

②相鄰管程間平均壁溫差一般不應(yīng)超過(guò)28℃；

③各程間的密封長(zhǎng)度應(yīng)最短；

④分程隔板的形狀應(yīng)簡(jiǎn)單。

5.3 分程隔板

分程隔板分為單層和雙層兩種。下圖5為本換熱器采用的單層隔板示意圖。

圖 5 單層隔板結(jié)構(gòu)示意圖

5.4 分程隔板規(guī)格[4]：

1）.槽深一般不小于4mm；

2）.分程隔板槽寬：不銹鋼為11mm（碳鋼為12mm）；

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

5.5 分程方式：

如下圖6及圖7所示：右管箱中 A 為管側(cè)冷凍水入口，經(jīng)過(guò)換熱管第一管程傳遞后，流入左管板，從左管板上B 進(jìn)入左管箱，又從C 進(jìn)入換熱管，經(jīng)換熱管第二管程傳遞，流回右管板D，進(jìn)入右管箱，接著從E 進(jìn)入換熱管，經(jīng)換熱管第三管程傳遞，流入F，再次進(jìn)入左管箱，然后從左管箱的G 進(jìn)入換熱管，經(jīng)換熱管第四管程傳遞后回到右管箱，并從右管箱排出。

圖 6 分程結(jié)構(gòu)示意圖

這樣的四管程管束分隔方法可使本換熱器實(shí)現(xiàn)在相同流量及傳熱面積的前提下減小管程流通截面積，但是在此分程過(guò)程中，應(yīng)避免出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象，因?yàn)楸緭Q熱器中殼程流體為含水蒸氣的氫氣，溫度變化從入口的42℃到出口的12℃，分程液體之間溫差較大，為此在筒體兩端各設(shè)置一個(gè)排污口以便排出冷凝出的水。

圖 7 分程工作原理圖

6 結(jié)束語(yǔ)

管殼式換熱器是一種應(yīng)用廣泛的壓力容器，是工業(yè)換熱設(shè)備中的基本結(jié)構(gòu)形式。本文根據(jù)客戶實(shí)際需求，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一款管殼式換熱器,對(duì)其主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。

[1]唐淑萍. 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù).2002，23卷第5期，39~41

[2]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB150-1998鋼制壓力容器.1998.3.20發(fā)布

[3]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB151-1999管殼式換熱器.1999.2.26發(fā)布

[4]葉文邦,張建榮,曹文輝等.壓力容器設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè).云南出版集團(tuán)公司.云南科技出版社.2006.8

[5]《壓力容器使用技術(shù)從書(shū)》編寫(xiě)委員會(huì).壓力容器設(shè)計(jì)知識(shí)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2005

[6]吳宗澤等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).2003.6

Structure design for shell-and-tube heat exchange

LI Xuezhong1，DUAN Shen2
1．Wuhan Polytechnical of University，Wuhan 430023，China；2．Shanghai Environmental Protection Equipment Plant，Shanghai 201108， China

管殼式換熱器是一種應(yīng)用廣泛的壓力容器，是工業(yè)換熱設(shè)備中的基本結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)客戶實(shí)際需求，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一款管殼式換熱器。主要介紹：壓力容器殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；管板及換熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；分程隔板及管板與殼體連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

換熱器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；管板；殼體；分程隔板

Shell-and-tube heat exchanger is a kind of wide applied pressure vessel, and also it is the basic shape of heat transfer equipment. In this paper, based on the actual needs of custom-made for customers, a Shell-and-tube heat exchanger is designed according to the technique request of the nation standard. The main work of the thesis includes: the pressure vessel shell structure has been designed; the tube plate and heat exchanger tube structure have been designed; finally, the structure design of pass partition plate and connection type between tube plate and shell are proposed.

heat exchanger；structure design；tube plate；shell；pass partition plate

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.060

李學(xué)忠(1968-)，男，湖北武漢人，碩士，武漢工業(yè)學(xué)院副教授，研究方向：包裝設(shè)備設(shè)計(jì)及控制。