1、AES400 型换热器机械设计摘 要换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。本文综述了换热器的应用方向、发展历史、种类和特点以及换热器类型的选择。着重介绍了目前在各种形式的换热器中，应用最为广泛的也是最重要的浮头式换热器。内容包括浮头式换热器的基本类型、结构特点、压力试验的方法等，还根据所学知识对浮头式换热
2、器的性能进行分析。严格按照 GB1501998钢制压力容器和 GB1511999管壳式换热器等国家标准，参考一些相关方面的书籍，设计出了一款典型的浮头式换热器。设计包括浮头式换热器中各零部件的结构类型和材料的选择，结构尺寸的确定，零部件间连接方式的选择，以及水压试验等。在设计中发现问题并通过大量的不同设计方案的计算比较，对所选零部件的结构尺寸、材料与传热性能进行反复验证和校核，做了理论分析，最终得出结论。关键词：换热器，压力试验，校核Floating head heat exchanger mechanical design 303AbstractHeat exchanger is the r
3、ealization of chemical processes of heat exchange and transmission of essential equipment. Some of the heat exchange often corrosive, oxidizing materials, strong, therefore, require manufacturers of heat exchanger material with high corrosion resistance. In the petroleum, chemical, light industry, p
4、harmaceuticals, energy and other industrial production, often need to heat or cold to hot fluid flow cooling, the liquid vaporized into steam or the steam condensing into a liquid. These processes are closely linked and heat transfer, which can be done through the heat exchanger.This paper reviews t
5、he application of the direction of the heat exchanger, history, types and characteristics of the type of heat exchanger options. Focuses on the current heat exchangers in a variety of forms, the most widely used and most important floating head heat exchanger. Floating head heat exchanger including
6、the basic types, structural features, pressure test methods, also based on the knowledge of the floating head heat exchanger performance analysis. In strict accordance with GB150 - 1998 “Steel Pressure Vessels“ and GB151 - 1999 “shell and tube heat exchanger“ and other national standards, reference
7、books, some relevant aspects of the design out of a typical floating head heat exchanger. Floating head heat exchanger design, including the various parts of the structure type and material selection, structure size determination, the choice of connection between parts, and pressure testing. Identif
8、y problems in the design of a large number of different designs through the calculation of the program, selected parts of the structure and size, material and heat transfer performance repeatedly verify and check, made a theoretical analysis, the final conclusion.Key words: heat exchangers, pressure
9、 test, check目 录1 前 言 .1.1 换热器的 应用及其发展 .1.2 换热器的分类及其特点 .1.3 换热器的防腐维护 .2 设计说明 .2.1 壳程结构的选材与选型 .2.1.1 壳体 .2.1.2 折流板 .2.1.3 拉杆 .2.2 管程结构的选材与选型 .2.2.1 换热管 .2.2.2 管板 .2.2.3 管箱 .2.2.4 换热管与管板连接 .2.3 其他零部件 .2.3.1 钩圈 .2.3.2 支座 .3换热器结构设计计算 .3.1 原始数据 .3.2 浮头式换热器筒体的计算 .3.2.1 厚度的计算 .3.2.2 压力校核 .3.2.3 强度校核 .3.2.4
10、筒体的液压试验 .3.3 前端管箱筒体计算 .3.3.1 厚度确定 .3.3.2 压力校核 .3.3.3 强度校核 .3.3.4 前端管箱的液压试验 .3.4 前端管箱封头计算 .3.4.1 厚度计算 .3.4.2 压力校核 .3.5 后端管箱筒体计算 .3.5.1 厚度确定 .3.5.2 压力校核 .3.5.3 强度校核 .3.5.4 前端管箱的液压试验 .3.6 后端管箱封头计算 .3.6.1 厚度计算 .3.6.2 压力校核 .3.7 管板设计计算 .3.7.1 结构尺寸及材料选取 .3.7.2 管板厚度计算 .3.8 换热管的应力 .3.8.1 换热管轴向应力计算 .3.8.2 换热管
11、与管板的拉脱力 .3.9 浮头盖的设计计算 .3.9.1 管程或壳程压力 Pt 作用下浮头盖的计算 .3.9.2 球冠形封头的液压试验 .3.10 开孔补强计算 .3.10.1 管箱或壳程开孔补强计算 .3.10.1 后管箱开孔补强计算 .4 结 论 .参 考 文 献 .谢 辞 .1 前 言换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器的应用广泛，它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。在石油、化工、轻工、制药、能源等
12、工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。1.1 换热器的应用及其发展它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%20%；在炼油厂中，约占总投资的 35%40%。例如，如烟道气（约 200300） 、高炉炉气（约 1500） 、需要冷却的化学反应工艺气（3001000）等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高
13、工业生产经济效益。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。二十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30 年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30 年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀
14、性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。近二三十年来，化工、石油、轻工等过程工业得到了迅猛发展。能源紧缺已成为世界性重大问题之一，各工业部分都在大力发展大容量、高性能设备，以减少设备的投资和运转费用。因此，要求提供尺寸小，重量轻、换热能力大的换热设备。特别是 20 世纪 70
15、 年代的世界能源危机，加速了当代先进换热技术和节能技术的发展。世界各国十分重视传热强化和热能回收利用的研究和开发工作，开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备来提高工业生产经济效益，并取得了丰硕成果。到目前为止，已研究和开发出多种新的强化传热技术和高效传热元件。为了强化传在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。1.2 换热器的分类及其特点在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。按作用原理或传热方式分类：按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式。 直接接触式换热器这类换热器又称混合式换热器，它是通过冷、热流体的直接接触、
16、混合进行热量交换的换热器。如冷却塔、冷却冷凝器等。为增加两流体的接触面积，以达到充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构。直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场所。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。 蓄热式换热器这类换热器又称回热式换热器。它是借助于由固
17、体(如固体调料或多孔性格子砖等)构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。在换热器内首先由热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由冷流体通过，由蓄热体把热量释放给冷流体。由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两种流体少量混合。若两种流体不允许混合，则不能采用蓄热式换热器。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单体体积传热面积大，故较适合用于气-气热交换的场合。如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。 间壁式换热器这种换热器又称表面式换热器。它是利用间壁（固体壁面）将进
18、行热交换的冷、热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样。 中间载热体式换热器这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器。间壁式换热器分类：间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器 1这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式不同大致可以分为蛇管式换热器、套管式换热器、管壳式换热器和缠绕管式换热器等。板面
19、式换热器 2此类换热器都是以板面作为传热面，按传热板面的结构形式可分分为以下五种：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器。板面式换热器的传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材制造，在大规模组织成产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。其他型式换热器 3这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器，一般是为满足某些工艺特殊要求而设计的，如石墨换热器、聚四氟乙烯换热器和热管换热器等。1.3 换热器的防腐维护换热器表面的腐蚀磨损腐蚀介质与金属构件的表面，相对运动速度较大，导致构件局部表
20、面遭受严重的腐蚀损坏，这类腐蚀称为磨损腐蚀，简称磨损。造成腐蚀损坏的流动介质，可以是气体、液体或含有固体的颗粒、气泡的气体等。磨损腐蚀，是高速流体对金属表面已经生成的腐蚀产物的机械冲刷作用和新裸露金属表面的腐蚀作用的综合。由于石油化工中的生产介质，往往具有一定的粘连性。为了防止介质沉淀结垢，要求介质流速大于 2 m/s。高速流体，特别是含有固体细粒、气泡的高速流体冲刷传热面，引起局部表面的压力可达数十兆帕，从而造成了金属表面的疲劳剥蚀。虽然在设计中，为了防止流体进入到壳体时，使管子直接受到冲击或冲刷，在壳体进口处的管束上安装了防冲板，但由于流体或是固体颗粒的长时间冲刷，防冲板也会发生损坏。另外
21、，由于振动或微振动的原因，也常使折流板管孔处受到磨损。磨损腐蚀的外在特征常常呈现马蹄形的凹槽或深谷形状，一般按流体的流动方向切入金属表面。沉积物引起的电化学腐蚀当介质流动不均或滞留时，很容易在换热管表面形成沉积物。由于沉积物是不连续不牢固且不均匀的，在某些部位形成了裂缝和间隙，由于缝内外氧的差异而形成了电化学腐蚀。包括：阳极氧化反应，金属溶解；阴极还原反应，还原为(中性或碱性溶液)；阴极还原反应，还原为(酸溶液)；同时，由于腐蚀产物的存在，导致了缝内外的电化学不均匀性，从而引起了更大的腐蚀。换热管水侧的腐蚀由于换热器常用水做为热交换介质，因此水的腐蚀不容忽视。水的腐蚀主要是由于水中 pH 值降
22、低、水汽渗透、溶解氧的存在，以及水中有害的阴离子(Cl-，S2-等)侵蚀，而引起的化学或电化学腐蚀。因此，换热管表面防腐要求是：防腐表面具有良好的附着力、导热性、耐温变性和较大的硬度。同时要求有优良的耐化学离子侵蚀能力、较高的抗水汽渗透能力和一定的阻垢性。换热器腐蚀防护牺牲阳极保护法（1）碳素钢的电化学腐蚀。碳素钢在电解质溶液中(例如水)会形成微电池。碳素钢的基本金相组织为铁素体(Fe)和渗碳体(Fe3C)，其中铁素体的电极电位较低，而成为微电池的阳极，渗碳体则成为阴极。（2）牺牲阳极保护法。发生电化学腐蚀时，阴阳极之间产生腐蚀电流。采用电极电位比被防腐体低的金属并与被防腐体接触，利用低电位金
23、属的腐蚀电流，作为高电位被防腐体的防腐蚀电流，这种防腐蚀方法称为牺牲阳极保护法。牺牲阳极材料的选择为碳素钢，碳素钢的基本金相组织是铁素体(Fe)，由表查出比 Fe 标准电极电位低的材料。若选择铝作为阳极，容易形成氧化膜，反而不产生腐蚀电流。其他材料则比较昂贵，所以选择锌作为牺牲阳极比较合适。换热器防腐涂料及其应用一层相当薄的金属涂层和无机涂层，能够在金属和环境之间提供有效的屏障，这就是这类涂层的主要作用(除了锌一类的牺牲涂层外)。金属涂层(或称镀层)的施工方法有：电镀、火焰喷涂、包镀、热浸和蒸汽镀。无机涂层的施工方法有：喷涂、渗镀、或化学转化。喷涂后通常在高温烘烤。金属涂层往往显现出一些可变形
24、性，而无机涂层则很脆，两种涂层都必须具有完全隔离的作用，如果存在微孔或其他缺陷，则由于电偶效应，将引起金属局部腐蚀的加速。CH-784 防腐涂料系环氧氨基涂料，其特点是：耐腐蚀性能好，耐大多数酸碱，耐水，耐溶剂，耐温可达 200；漆膜物理机械性能好，硬度大，表面光滑，附着力强，抗冲击，抗摩擦。因此，对水中不溶物摩擦力小，水垢及杂质被流动的冷却水带走，不易附着管壁。漆膜有明显防腐阻垢作用；CH-784 防腐涂料底漆面漆含有金属颜料，导热系数大，漆层薄 80250m。漆层热阻只有1.66104M2hkcal，不生锈不结垢，增加水的流速，提高换热效果。由于水质腐蚀，很多工厂改用不锈钢、铜合金、钛合金换热器，但造价昂贵。用碳钢换热器涂防腐涂层，其费用仅为不锈钢换热器的 1/41/5，为钛换热器的 1/11，使用期可达 10 年。CH-784 防腐涂料及其应用（1）CH-784 防腐涂料试制。CH-784 防腐涂料系环氧胺基涂料，国外为
