《化工装备技术》第27卷第6期2006年41
双管板换热器的设计和制造
钱婷婷 孔智文
(上海龙杰机械装备有限公司)
*
摘 要 介绍双管板换热器的结构设计、材料选择和制造、胀接、水压试验等,阐
述双管板换热器在设计计算和制造等方面应注意的问题。 关键词 换热器 双管板 结构 设计 制造 应用1 双管板换热器的应用
双管板换热器用于绝对防止管壳程间介质混串的场合。例如,对壳程走水、管程走氯气或氯化物的换热器,若壳程中的水与管程中的氯气或氯化物接触,就会产生具有强腐蚀性的盐酸或次氯酸,并对管程材质造成严重的腐蚀。采用双管板结构,能有效防止两种物料混合,从而杜绝上述事故的发生。
2 双管板换热器的结构
双管板换热器的结构一般有两种。一种为固定管板式换热器,一台换热器共有四块管板,如图1所示(无聚液壳)。这种换热器的壳程及管程中两种介质的流动方向为逆流,其传热系数较高,传热效果较好。另一种为U型管式换热器,一台换热器共有两块管板,如图2所示(有聚液壳)。这种换热器有一半
管
图1
固定管板式换热器
图2 U型管式换热器
*,12,。,。
42双管板换热器的设计和制造
度差,一般管板比换热管硬度高HB20～HB30。最好是采用强度等级较高的材料作管板(如16Mn锻件),强度等级较低的材料作换热管(如10号无缝钢管)。当两者硬度相近时,可将管端进行退火处理,以降低换热管的硬度。
3.3 设计计算
3.3.1 壳程管板与管程管板之间间隙长度的计算
壳程管板与管程管板之间间隙长度L的确定主要是考虑双管板换热器两块管板的使用温度不同产生径向位移作用在换热管上,引起弯曲应力和剪应力。为避免管板与换热管的连接处产生很大的应力而造成介质泄漏,壳程管板与管程管板之间间隙长度L的计算方法如下:
L=
Eyd0
σs
(1)(2)
束管内外介质的流动方向为并流,另一半管束管内外介质的流动方向为逆流,因此其传热系
数较低。
两种结构的特点:固定管板式换热器比U型管式换热器的传热系数高,但多一块管板就多一个泄漏点。而U型管式换热器的管板比固定管板式换热器少,其泄漏点就相应减少。此外,壳程水压试验后烘干也比较容易。若换热器的换热面积小、壳程与管程的温差较大或壳程介质很脏、管束表面需经常清理,一般采用U型管式换热器。3 双管板换热器的设计
3.1 结构设计3.1.1 固定管板式换热器用作冷却器或加热器时,最好壳程走水或水蒸气,这样可以不设置聚液壳,同时也可避免壳程水压试验后烘干的麻烦。
3.1.2 U型管式换热器的双管板之间一般采用聚液壳彼此连接。聚液壳可以用来调整管板间距且保证两管板相互平行。同时,聚液壳用来封闭相邻两管板之间泄漏出的气(液)体,防止有毒气(液)体的外溢。聚液壳最高和最低处需分别设置放空口和放净口,用于及时导出渗漏气(液)体。如果壳程与管程之间温差很大,为了降低壳程与管程管板与换热管连接处的应力,应尽量降低短节的壁厚,必要时可增加一个膨胀节。3.1.3 壳程管板设计时,建议采用管板延长部分兼作法兰的固定式管板。如果采用不带法兰的固定式管板,在对管板与壳程筒体之间的接头进行施焊时,焊接变形会导致管孔与管板不垂直,使强度胀不能达到预期的效果。3.1.4 壳程管板与换热管的连接均采用强度胀。管程管板与换热管的连接一般采用强度焊加贴胀,若工作条件苛刻可采用强度焊加强度胀。
3.2 材料选用
D外
y[αt(tt-t0)-αs(ts-t0)]2
式中 L———壳程管板与管程管板之间间隙长
度,mm E———材料弹性模量,MPa d0———换热管外径,mm σs———材料弹性极限,MPa y———换热管挠度,mm D外———管板上管孔的直径,mm t0———安装温度,℃ tt———管程的设计温度,℃
ts———壳程的设计温度,℃ α——管程管板在设计温度下的热膨胀t—
系数,℃系数,℃
-1
α——壳程管板在设计温度下的热膨胀s—
-1
L实际取值为经上述公式计算后放大12%。一般情况下,L值大小为200～300mm。3.3.2 管板的强度计算 计算管板厚度时,应考虑管程、壳程和聚,
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(1)壳程管板的设计参数
设计压力和设计温度分别按壳程及聚液程
工况确定。
换热管和壳程壁温按管程及壳程工况确定。
管板与换热管的连接为胀接,换热管的有效长度为壳程管板间距离。 (2)管程管板的设计参数
设计压力和设计温度按管程和聚液程工况确定。 换热管和壳程壁温以换热管与壳程或聚液程壳体之间最大温差为计算依据。
管板与换热管的连接,不管是强度焊加贴胀,还是强度焊加强度胀,计算时均按强度焊考虑。换热管的有效长度为管程管板间的距离。
(3)管板形式无论是延长部分兼作法兰或是不带法兰的固定式管板,计算时均可以按延长部分兼作法兰固定式管板进行计算,因为延长部分兼作法兰固定式管板的受力情况比不带法兰的固定式管板更为苛刻。
(4)因聚液程的长度较短,一般只有200～300mm,所以这段管束的刚度很大。校核时,如出现管板周边不布管区无纲量宽度k大于1的情况,可采用增加管板厚度的方法来降低k值,使其小于或略大于1。4 双管板换热器的制造4.1 管板加工
采用数控钻床加工管板孔,以保证管孔直径、垂直度及管孔间距。钻孔时,切削和退刀速度应尽量慢,以保证管孔的表面粗糙度为Ra3.2～Ra6.4,钻孔时还应留有0.1mm的铰孔余量。钻孔后对管板孔进行铰孔,以消除管孔上的纵向划痕,保证管孔的表面粗糙度为Ra1.6～Ra3.2。
铰孔完成后,按图样和GB151-1999规定的管孔公差要求,用止规和通规对每块管板
,图3 模拟换热器
43
允许存在贯通性的螺旋形或纵向条痕。4.2 折流板加工
将管板与折流板点焊固定并做好方位标记,以管板孔作为导向,钻折流板管孔。为利于穿管,钻孔方向应与穿管方向保持一致。每块折流板正、反面的管孔均要仔细倒角,清除毛刺,防止穿管时损伤换热管的外表面。4.3 检查换热管外径
双管板换热器用的换热管其外径的许用偏差应为±0.10mm。
4.4 壳程管板与换热管的强度胀
4.4.1 壳程管板与换热管的强度胀应采用液压胀。液压胀可靠性好,换热管不易产生过胀,胀接的部位不产生窜动,换热管与管板连接处在整个长度上应力分布均匀。
4.4.2 为了保证胀接质量,一般在胀管前应做胀接评定试验。
(1)首先制作模拟换热器,如图3所示。其管板厚度按产品实际管板厚度确定,管板间距、管孔排列形式按图3所示确定。管壳程管板间距、管孔尺寸、换热管尺寸、管间距均与产品相符。模拟换热器壳程筒体厚度应能承受产品双管板换热器的壳程试验压力,其厚度及试板剖切位置可参照“GB151-1999的附录C”执行。以液压胀管为例,按照过去经验设定胀管机控制仪的液压值,再进行胀管。
(2)在穿孔前,先测量壳程管板的管孔Ddodi
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连接质量。壳程水压试验合格后,组焊隔离腔的短节使之成为密闭的腔体。按图样要求压力进行气密性试验。分别在聚液腔下方的两个排泄孔安装透明的U形管检验工装,U形管内加水,保持一定的水平液位。若有试验气体微
(3)
渗漏时,则U形管内的水平液位就会发生变化,以气密性试验时U形管内仍保持液位水平为合格。按图样要求进行壳程氨渗透试验,在隔离腔的排泄孔贴试纸,试纸不变色为合格。然后按图样要求对聚液腔进行气密性试验,最后对管程进行水压试验和气密性试验。
参 考 文 献
1 毛希澜主编.换热器设计.上海:上海科学技术出版
社,1998.
2 兰州石油机械研究所主编.换热器(上册).北京:中
国石化出版社,
1991.
3 彭翔.双管板换热器的制造.石油化工设备,1998. 4 GB151-1999钢制管壳式换热器.
5 双管板换热器设计.化工设备设计,1979.
6 涂俊宏,于东兴.双管板换热器设计及制造.化工设
备与管道,
2001,38(2):34-36
(收稿日期:2006-08-01)
和换热管壁厚t,以便按所要求的胀管率及胀管率公式推算出胀管后换热管内径d的范围。
对于碳钢或不锈钢换热管,强度胀管率KD应为10%～20%。 胀管率公式为
(d-di)-(D-do)
KD×100%
t
(3)按照图3,先对管程管板进行强度焊加贴胀,再对壳程管板按d值进行强度胀,在胀接时,记录下胀管器的胀接力N。 (4)按产品图纸要求,对模拟换热器进行壳程水压试验及氨渗漏试验,检查是否有泄漏现象。如水压试验及氨渗漏试验合格,表明此胀接工艺能够满足被模拟的双管板换热器的强度胀接要求。
4.4.3 按胀接评定试验中取得的胀接力N,对壳程管板进行强度胀。为防止漏胀,应对胀接接头进行逐个标记。
4.5 水压试验和气密性试验
首先按图样要求压力进行壳程的水压试验,从聚液腔的空间检查换热管与内侧管板的纳米碳节能暖气问世
近日,一种不要锅炉、管道,不烧煤和气,不加水和油,首次采用纳米碳高科技发热材料研制的节能暖气,由湖北省广水市泰兴科技开发有限公司研制成功。这种纳米高效节能暖气,是该公司的工程技术人员试验近千次取得的成果。他们率先在国内采用了先进的高新技术材料和特种工艺制作,将普遍使用的各种暖气片(散热器)作基体,加装现代高新纳米碳发热材料,用电启动迅速产生巨大热能,几分钟即可使暖气温度达到80℃以上,直接达到取暖目的。同时,该产品还具有热效率高,设计美观,产品可挂、可立、可移动,方便灵活,造价低廉(一台新品仅二百多元,可供20m取暖),且无污染,无噪音,环保节能,,2
十年以上,并实现高低温自动调控。
(刘共华)
地源热泵空调在汉试水
武汉市工程科学技术研究院今年7月初又成功研制出一套新型地源热泵空调系统。这套热泵空调系统总投资300多万元,与普通烧锅炉的中央空调相当,但热泵空调比普通中央空调节能40%～60%。该热泵空调技术是和冰蓄冷技术相结合的,具有创新性。在这一系统
3
中有一个65m的储冰罐,可以利用用电低谷时的低价电来制冰储存。地源热泵技术是热泵技术的一个分支,可将低品位能源提升到高品位能源。地源热泵可替代传统的燃烧锅炉及传统的制冷机,其环保前景看好。武汉市工科院利用地源热泵技术的中央空调工程已建成20,)