固定管板式换热器的制作与装配
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固定管板式换热器的制作与装配
引言
换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一,其正确的设置,性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性以及能源的有效利用与节约,对国民经济有着十分重要的影响。换热器的型式繁多,不同的使用场合使用目的不同。其中常用结构为管壳式,因其结构简单、造价低廉、选材广泛、清洗方便、适应性强,在各工业部门应用最为广泛。
固定管板式换热器主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱(又称顶盖或封头)和后端结构等部件组成。管束安装在壳体内,两端固定在管板上。管箱和后端结构分别与壳体两端的法兰用螺栓相连,检修或清洗时便于拆卸。换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。一个传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠的换热器的产生,要求在设计时精心考虑各种问题.准确的热力设计和计算,还要进行强度校核和符合要求的工艺制造水平。
一、固定管板式换热器
固定管板式换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。换热管可为光管或低翅管。其结构简单,制造成本低,能得到较小的壳体内径,管程可分成多样,壳程也可用纵向隔板分成多程,规格范围广,故在工程中广泛应用。
固定管板式换热器主要特点是固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、顶盖(又称封头)等部件构成。在圆形外壳内,装入平行管束,管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上,两块管板与外管直接焊接,装有进口或出口管的顶盖用螺栓与外壳两端法兰相连。它的特点是结构简单,没有壳侧密封连接,相同的壳体内径排管最多,在有折流板的流动中旁路最小,管程可以分成任何管程数,因两个管板由管子互相支撑,故在各种管壳式换热器中它的管板最薄,造价最低,因而得到广泛应用。这种换热器的缺点是:壳程清洗困难,有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大,或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大,热应力超过材料的许用应力时,在壳体上需设膨胀节,由于膨胀节强度的限制,壳程压力不能太高。这种换热器适用于两种介质温差不大,或温差较大但壳程压力不高,及壳程介质清洁,不易结垢的场合。
二、设计概述
我所设计的是固定管板式换热器,针对换热器中所需要的材料,标准零件,结构尺寸大小,作了详细的分析,从而使换热器达到工艺要求。对材料,标准零件,结构尺寸的要求,主要从四个方面考虑:安全性能要求(强度、韧性、刚度、耐蚀性、密封性);工艺性要求(生产效率、能耗);使用性要求(结构、安装、维修、制造);经济性要求。
设计固定管板式换热器从它的材料选择,结构设计,强度计算及壁厚设计,标准件选取和总重计算等来了解固定管板式换热器的制作工艺。
三、机械设计
固定管板式换热器的机械设计除了最关键的换热板片以外,还有两块墙板,我们称为框架板和压力板,框架板为外侧不可活动的墙板,压力板为换热板片另一侧的可用拉杆螺栓调整位置的墙板;数根拉杆螺栓,用来加紧框架板和压力板;立柱;上下导杆,连接在框架板和立柱之间,用来支撑并给压力板和换热半片导向;框架板和立柱上可安装底脚底脚,用于固定机器。除此以外,还可以有法兰,过滤器,温度计和压力计等一系列附件。
四、总体结构
固定管板式换热器主要由管箱、壳体、管板、管束及折流板等零部件组成,管束两端固定在管板上,管板和壳体之间是刚性连接在一起,相互之间无相对移动,(如图所示,其参数如下表。)这种换热器结够简单,制作方便,造价较低;在相同直径的壳体内可排列较多的换热管,而且每根换热管都可单独进行更换和管内清洗;但管外壁清洗较困难。当两种液体温差较大时,会在壳壁和管壁中产生温差应力,一般温差大于50℃时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小温差应力。但当管、壳温差大于70℃,壳程压力超过0.6MPa 时,导致膨胀节过厚失去温差补偿作用。因此,固定管板式换热器适用于壳程流体清洁,不易结垢,管程常要清洗,冷热流体温差不太大的场合。
固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束,管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上,两端管板直接和壳体焊接在一起,壳程的进出口管直接焊在壳体上,管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固,管程的进出口管直接和封头焊在一起,管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。
·设计一台换热面积为32.8m2的固定管板式换热器设计参数如下:(1)工艺参数
(二)管口表:
(三)设计条件图
五、结构原理
固定管板式换热器管程和壳程中,流过不同温度的流体,通过热交换完成换热。当两流体的温度差较大时,为了避免较高的温差应力,通常在壳程的适当位置上,增加一个补偿圈(膨胀节)。当壳体和管束热膨胀不同时,补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。
流道的选择,进行换热的冷热两流体,按以下原则选择流道:①不洁净和易结垢流体宜走管程,因管内清洗较方便;②腐蚀性流体宜走管程,以免管束与壳体同时受腐蚀;③压力高的流体宜走管程,以免壳体承受压力;④饱和蒸汽宜走壳程,因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出;⑤若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时,宜使传热分系数大的流体走壳程,以减小热应力。
操作强化,当管壁两侧传热分系数相差很大时(如粘度小的液体与气体间的换热),应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。如果管外传热分系数小,可采用外螺纹管,以增大管外一侧的传热面积和流体湍动,减小热阻。如果管内传热分系数小,可在管内设置麻花铁,螺旋圈等添加物,以增强管内扰动,强化换热,当然这时流体的流动阻力也将增大。
壳体多为圆筒形,内部装有管束,管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体,一种在管内流动,称为管程流体;另一种在管外流动,称为
壳程流体。为提高管外流体的传热分系数,通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度,迫使流体按规定路程多次横向通过管束,增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑,管外流体湍动程度高,传热分系数大;正方形排列则管外清洗方便,适用于易结垢的流体。流体每通过管束一次称为一个管程;每通过壳体一次称为一个壳程,为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板,将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子,因而在管束中往返多次,这称为多管程。同样,为提高管外流速,也可在壳体内安装纵向挡板,迫使流体多次通过壳体空间,称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。
六、特点
固定管板式换热器结构简单,制造成本低,管程清洗方便,管程可以分成多程,壳程也可以分成双程,规格范围广,故在工程上广泛应用。壳程清洗困难,对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时,可在壳体上设置膨胀节,以减少因管、壳程温差而产生的热应力。
固定管板式换热器的特点是:
1、旁路渗流较小;
2、锻件使用较少,造价低;
3、无内漏;
4、传热面积比浮头式换热器大20%~30%。
固定管板式换热器的缺点是:
1、壳体和管壁的温差较大,壳体和管子壁温差t≤50℃,当t≥50℃时必须在壳体上设置膨胀节;
2、易产生温差力,管板与管头之间易产生温差应力而损坏;
3、壳程无法机械清洗;
4、管子腐蚀后连同壳体报废,设备寿命较低。