塔頂冷卻器的機(jī)械設(shè)計(jì)

王子健 閆紹峰 王雙林 張亮

摘 要：換熱器是被廣泛應(yīng)用于石油和化學(xué)等工業(yè)部門(mén)工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行熱交換操作的，它的主要作用是使冷熱介質(zhì)之間發(fā)生溫度轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)為塔頂冷卻器機(jī)械設(shè)計(jì)，綜合考慮給定的介質(zhì)、溫度和壓強(qiáng)等因素，確定了換熱器結(jié)構(gòu)為U型管式換熱器，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有工藝設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算、零件結(jié)構(gòu)形式的選擇及換熱器的檢驗(yàn)和驗(yàn)收等。該換熱器具有結(jié)構(gòu)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(fèi)用低，安裝和檢修方便等特點(diǎn)，并能承受高溫高壓的復(fù)雜工況的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：換熱器；工藝設(shè)計(jì)計(jì)算；強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

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

1 引言

換熱器是在化工生產(chǎn)、煉油工藝、生產(chǎn)食品、原子能工藝、制藥工藝、航空航天以及其他許多部門(mén)都在使用的設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是使冷熱介質(zhì)之間發(fā)生溫度轉(zhuǎn)換，讓需要的介質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的溫度，以滿足生產(chǎn)過(guò)程需要的條件。近幾年由我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而帶動(dòng)的良好發(fā)展，同時(shí)進(jìn)口產(chǎn)品很大方面的可轉(zhuǎn)化性等等，都已經(jīng)表明我國(guó)的換熱器行業(yè)將來(lái)到一波新的高潮。為了跟上發(fā)展的腳步，我國(guó)對(duì)一些工藝生產(chǎn)中常用到的換熱器已經(jīng)建立了一系列的標(biāo)準(zhǔn)。

2 設(shè)計(jì)主要參數(shù)與要求

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)方案的選擇：由于管殼式換熱器它有穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、適應(yīng)范圍較廣、材料可以廣泛應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛的應(yīng)用于煉油、化工和石油化工等行業(yè)里。因此根據(jù)工程實(shí)際的要求，本次設(shè)計(jì)中的換熱器采用U型管式換熱器，U型管式換熱器的特點(diǎn)是管子管束可以來(lái)回收縮，不會(huì)出現(xiàn)管子和殼體間壁因溫差而發(fā)生的溫差應(yīng)力這樣的情況，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(nèi)走清潔干凈而不易產(chǎn)生結(jié)垢的介質(zhì)，同時(shí)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(shè)計(jì)計(jì)算；機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算；制造加工；選擇材質(zhì)；確定管程和殼程數(shù)。此外，再設(shè)計(jì)之前先對(duì)換熱器的類型、流體流動(dòng)空間等進(jìn)行說(shuō)明。

工藝設(shè)計(jì)計(jì)算：確定換熱管管束；計(jì)算流體流量；估算傳熱面積；確定工藝結(jié)構(gòu)尺寸；核算壓降和傳熱系數(shù)。

機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算：管箱設(shè)計(jì)；圓筒設(shè)計(jì)；法蘭設(shè)計(jì)；封頭設(shè)計(jì)；鞍座設(shè)計(jì)等。

3 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1.1 確定換熱管管數(shù)

選φ19mm2mm的不銹鋼鋼管，管長(zhǎng)6000mm。因?yàn)棣?9mm2mm屬于小管徑，傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬消耗量少等優(yōu)點(diǎn)。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(zhuǎn)正三角形和正方形、轉(zhuǎn)角正方形。在同樣的管板面積上正三角形排列的管數(shù)是最多的，故采用正三角形排列。本次設(shè)計(jì)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(shù)，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(shè)計(jì)。

3.2 強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

由于所設(shè)計(jì)的換熱器屬于常規(guī)容器，在殼體工作壓力和溫度滿足要求前提下，根據(jù)經(jīng)濟(jì)型原則，本次設(shè)計(jì)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(shù)在設(shè)計(jì)中用來(lái)表示焊縫熱影響區(qū)金屬與母材強(qiáng)度的比值，來(lái)表示容器強(qiáng)度的被削弱程度。由受壓元件焊接接頭的特點(diǎn)和無(wú)損檢測(cè)長(zhǎng)度的比值來(lái)確定焊接接頭系數(shù)的大小。對(duì)焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)的射線探傷或超聲波探傷是指按照有關(guān)規(guī)定所進(jìn)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(shù)監(jiān)察規(guī)程》中對(duì)容器檢測(cè)方法的選擇、無(wú)損檢測(cè)的要求、檢驗(yàn)驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)等都作出了一些具體的規(guī)程。具體如表2。

3.2.1 換熱器筒體壁厚校核

取設(shè)計(jì)壓力=1.1×1.0=1.1MPa，鋼板厚度負(fù)偏差，腐蝕裕量，，為焊縫系數(shù)，采用雙面焊，局部無(wú)損探傷，取=0.85，許用應(yīng)力，根據(jù)GB151-2014，查得=185 MPa。

故設(shè)計(jì)壁厚為：

取名義壁厚：。

3.2.2 法蘭的設(shè)計(jì)計(jì)算

按內(nèi)壓計(jì)算：按照螺栓直徑及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(nèi)直徑，mm；

U形管管板外直徑，，mm。

3.3 法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)JB4700-2014查得，壓力容器法蘭可選用長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭為固定端的殼體法蘭并且管箱的法蘭也為長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，選擇凹凸面的方式進(jìn)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(yīng)的鋼制管法蘭、緊固件和墊片，其中的帶頸對(duì)焊鋼制管法蘭符合要求，選用凹凸面方式進(jìn)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(xiàn)問(wèn)題，來(lái)改善兩者之間焊縫的受力情況。由于橢圓形封頭應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，為了便于焊接封頭及經(jīng)濟(jì)性要求，采用材料為Q345R。

封頭名義壁厚計(jì)算：

式中： —材料的許用應(yīng)力，（單位MPa）；

查材料可得；

—焊縫系數(shù)，（其采用雙面焊，全部探傷，。）

名義厚度：

按照GB151-2011對(duì)U形管換熱器最小壁厚的規(guī)定，。

有效壁厚計(jì)算：

5 結(jié)論

換熱器是被廣泛應(yīng)用于石油和化學(xué)等工業(yè)部門(mén)工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行熱交換操作的，主要作用是使冷熱介質(zhì)之間發(fā)生溫度轉(zhuǎn)換，讓需要的介質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定溫度的一種通用工藝，許多化工生產(chǎn)部門(mén)都在使用的設(shè)備。U型管式換熱器與其他換熱器的區(qū)別就在于管束結(jié)構(gòu)的不同，由于管程清洗困難所以適合換熱管內(nèi)走清潔干凈而不易產(chǎn)生結(jié)垢的介質(zhì)，同時(shí)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(jié)構(gòu)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(fèi)用低，安裝和檢修方便等特點(diǎn)，并能承受高溫高壓的復(fù)雜工況的特點(diǎn)。

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