浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)透析

趙艷

摘 要：本文主要介紹了浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及使用壽命所影響的因素，同時(shí)也對浮頭部分做了具體的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)的闡述。

關(guān)鍵詞：浮頭式冷卻器；浮頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；浮頭設(shè)計(jì)計(jì)算

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.002

0 引言

換熱器是廣泛應(yīng)用于化工、石油化工、動(dòng)力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工等行業(yè)的一種通用設(shè)備。在眾多類型的換熱器結(jié)構(gòu)中，管殼式換熱器是用得最為廣泛的一種換熱設(shè)備類型。管殼式換熱器制造容易，生產(chǎn)成本低，選材范圍廣，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量大，工作可靠，且能適應(yīng)高溫高壓，雖然它在結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱強(qiáng)度和單位金屬消耗方面無法與板式或板翅式換熱器相比，但它由于具有前述的一些優(yōu)點(diǎn)，因而在化工、石油、能源等行業(yè)的應(yīng)用中仍處于主導(dǎo)地位。其它的結(jié)構(gòu)一般是把管子與管板連接，再用殼體固定。它的型式大致分為固定管板式，釜式浮頭式，U型管式，滑動(dòng)管板式、填料函式及套管式等幾種，其中浮頭式換熱器受到廣泛的應(yīng)用主要特點(diǎn)是浮頭端，其實(shí)形式可分為填料函式、鉤圈式、帶有套環(huán)的填料函式三種：①填料函式浮頭是為解決溫差膨脹而設(shè)計(jì)的。②鉤圈式浮頭中，管板夾在可拆卸的部分環(huán)和蓋板之間。③帶有套環(huán)的填料函浮頭，其套環(huán)填料由后端封頭的螺栓壓緊，管束與殼體之間的間隙比較小。現(xiàn)在要介紹的就是鉤圈式浮頭換熱器。

1 浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 浮頭的結(jié)構(gòu)

浮頭式換熱器，兩端管板中有一端是兩個(gè)容器法蘭對夾式連接的，另一端可相對管板自由移動(dòng)，這端稱為浮頭。浮頭由浮動(dòng)管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，結(jié)構(gòu)是可以拆連接。管束可從對夾式容器法蘭那側(cè)抽出（也有設(shè)計(jì)成不可拆的），這種結(jié)構(gòu)的好處在于管束與殼體不受熱變形的約束，更不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，相對來說為檢修、清洗提供了方便。在鉤圈與浮頭法蘭依靠凹凸密封面配合，之間鉆孔并套絲或焊設(shè)多個(gè)螺柱均布，分程隔板與浮頭法蘭密封面相通并位于同一端面并且管板凹面相匹配，該浮頭法蘭與無折邊球面封頭組配焊接為浮頭蓋。其法蘭螺孔與浮頭管板的螺孔或螺柱相組配，用螺栓或螺帽緊固壓緊浮頭管板凹型與浮頭法蘭凹型槽及分程凹槽及其墊片，該結(jié)構(gòu)必要時(shí)可適當(dāng)加在浮頭自由端那部分管板的厚度，和直徑及圓筒的內(nèi)徑，可根據(jù)熱力計(jì)算確定流速來其調(diào)整。同時(shí)也加大相關(guān)零部件的尺寸。

1.2 浮頭的特點(diǎn)

浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)主要是浮頭部分的設(shè)計(jì)，針對于固定管板式換熱器的缺陷在結(jié)構(gòu)上做了改進(jìn)。殼體與管速對熱膨脹是自由的，當(dāng)冷介質(zhì)與熱介質(zhì)溫差大時(shí)，管束與殼體之間也不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，浮頭端的設(shè)計(jì)可拆式結(jié)構(gòu)，使管間和管內(nèi)清洗方便。其優(yōu)點(diǎn)是：適用于高溫高壓下工作；一般溫度小于450度；壓力小于等于6.4MPa；可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合；可用于管程易腐蝕場合。缺點(diǎn)是：但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比其他的換熱器要高，相對笨重些，材料消耗也比較量大。浮頭密封的部分易發(fā)生內(nèi)漏，浮頭端小蓋在操作時(shí)無法知道泄漏情況，所以在安裝時(shí)要特別注意其密封，金屬耗材方面也提高了20%的成本， 由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致管束和殼體的間隙較大，故有害E流路較嚴(yán)重的問題，同時(shí)殼程的壓力也受到滑動(dòng)接觸面的密封限制。

2 浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)需求

2.1 浮頭蓋設(shè)計(jì)

2.1.1 球冠形封頭厚度

一下預(yù)緊狀態(tài)值，然后法蘭厚度與之大者，且不小于球冠形封頭名義厚度的兩倍。

2.2 鉤圈厚度設(shè)計(jì)

2.2.1 管板的厚度

2.2.2 鉤圈厚度

鉤圈分為A與B兩種結(jié)構(gòu)，由于A型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸大，通常選用B種。

2.3 管板設(shè)計(jì)因素

管板是換熱中主要的受力元件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開，避免管程和殼程的冷熱流體混合，并同時(shí)受管程、殼程壓力和溫度的作用。對于浮頭式冷卻器，其固定端的一塊管板的周邊大多是以螺栓、墊片夾持在殼程法蘭和管箱法蘭之間。其計(jì)算模型是把管板的布管區(qū)視為彈性基礎(chǔ)上，受管孔均勻削弱的圓平板，管板外周不布管部分視為環(huán)板，整個(gè)管板周邊為簡支，承受均勻載荷。當(dāng)換熱器承受高溫、高壓時(shí)，高溫和高壓對管板的要求是矛盾的，增大管板的厚度，可以提高承壓能力，但當(dāng)管板兩側(cè)介質(zhì)溫差很大時(shí)，管板內(nèi)部沿厚度方向的熱應(yīng)力增大，減薄管板厚度，可以降低應(yīng)力，但承壓能力降低。此外，在開車、停車時(shí)，由于厚管板的溫度變化慢，換熱管的溫度變化快，在換熱管和管板連接處會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。當(dāng)迅速停車或進(jìn)氣溫度突然變化時(shí)，熱應(yīng)力往往會(huì)導(dǎo)致管板和換熱管在連接處發(fā)生破壞，因此，在滿足強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減少管板厚度。

3 影響浮頭式換熱器的壽命因素

換熱器的壽命是衡量設(shè)計(jì)完善度的重要標(biāo)志。浮頭式換熱器損壞原因有腐蝕、堵塞和折流板與換熱管間的接觸磨損等。根據(jù)具體條件和結(jié)構(gòu)，其次各不相同，但三者又是相互影響的。這樣掌握管內(nèi)與管間的流速問題就很主要，流速的大小直接影響冷卻器的換熱效果和壽命，此類的冷卻器的冷卻水一般是在管內(nèi)流動(dòng)，而氣體在管間流動(dòng)。會(huì)加速冷卻器的損壞。氣體在管間流動(dòng)的管殼式冷卻器使用壓力大于等于3到5MPa，氣體在管內(nèi)流動(dòng)者可達(dá)高壓范圍。采用氣體在管內(nèi)流動(dòng)的方案，可取較高流速，從而獲得較高的氣程給熱系數(shù)。對于極易污染的氣體，亦應(yīng)安排在管內(nèi)流動(dòng)。換熱管直徑主要看管里流速多少，一般氣走管的時(shí)候流速限制在10m/s左右，而水走管的時(shí)候一般在1-2m/s左右，流速主要折流板間距和筒徑大小來決定的。一般用折流板來增加氣體流速，如果流速仍然很低，難以將污染氣體中的塵埃，油污和腐蝕產(chǎn)物排除。加之氣體脈沖作用在折流板上，引起換熱管和折流板間因相對振動(dòng)而引起磨損。

4 結(jié)語

浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期的使用過程中受了廣為利用，本著提高傳熱效率，提高緊湊性，降低材料消耗，增強(qiáng)承受高溫、高壓、超低溫以及耐腐蝕能力等因素的還要進(jìn)行不斷促進(jìn)自身的發(fā)展，需要對浮頭式換熱器更深入的改進(jìn)。

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