空氣換熱器機械設(shè)計

葛昭宏，閆紹峰，錢永賀，王東瑞

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

1 設(shè)計方案的確定

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 設(shè)計方案的確定

浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間，另一端管板可以在殼體內(nèi)自由移動，殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以抽出，清洗管間和管內(nèi)方便，本次設(shè)計介質(zhì)是空氣和冷卻水，空氣的進出口溫度為100/70℃，冷卻水的進出口溫度為25/50℃，空氣的壓力為0．5MPa，冷卻水的壓力為0．2MPa，傳熱面積為70m2根據(jù)工作壓力、工作溫度、工作介質(zhì)、換熱面積以及管程殼程壓降等技術(shù)參數(shù)可知殼體與管束之間溫差較大且殼程介質(zhì)易結(jié)垢，所以本次設(shè)計選擇浮頭式換熱器為最優(yōu)方案，便能滿足本次的設(shè)計任務(wù)。

2 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 流程的選擇

在列管式換熱器中，哪種流體走管程哪種流體走殼程非常重要，直接關(guān)系到使用是否合理。一般可以從下列幾個方面考慮：不清潔或易結(jié)垢的流體宜走易清洗的一側(cè)，對于直管管束，宜走管程；對于U 形管管束，宜走殼程；腐蝕性流體宜走管程；壓力高的流體宜走管程；為增大對流傳熱系數(shù)，需要提高流速的流體宜走管程；兩流體溫差較大時，對于固定管板式換熱器，宜使對流傳熱系數(shù)大的流體走殼程，以減小管壁與殼體的溫度，減小熱應(yīng)力。

根據(jù)壓力高的流體宜走管程這條原則，可選擇空氣走管程，冷卻水走殼程。

2.2 材料的選擇

浮頭式換熱器的優(yōu)點是管間和管內(nèi)清洗方便，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力;但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時對密封要求較高。適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。根據(jù)此次熱交換器的設(shè)計和工藝條件，考慮材料的焊接性能，冷熱加工性能及容器結(jié)構(gòu)，由于本次殼程設(shè)計溫度為65℃，管程設(shè)計溫度為130℃，介質(zhì)為冷卻水和空氣，所以換熱器材料選用Q345R。

2.3 換熱管規(guī)格和排列方式

列管式換熱器中所用換熱管的管徑，對于潔凈的流體可取小些，對于不太清潔、黏度較大或易結(jié)垢的流體就取大些。正方形排列的好處是管外清洗方便，故運用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的情況，其傳熱效果較正三角形排列要差些，但如斜45°錯列排列，則傳熱效果可以適當(dāng)提高一些。本設(shè)計選用的是轉(zhuǎn)角正方形排列方式，便于清洗。

2.4 折流擋板

弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時與橫向流過管束時的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占殼體內(nèi)直徑的百分比來確定。如單弓形折流板，缺口弦高宜0．20～0．45 倍的殼體內(nèi)直徑，最常用的是0．25 倍殼體內(nèi)直徑。通常的擋板間距為50mm 的倍數(shù)，但不小于100mm。

本次設(shè)計選擇弓形折流擋板，間距200mm。

2.5 法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計

對焊法蘭具有厚度更大的頸，進一步增大了法蘭盤的剛度。平焊法蘭和對焊法蘭都有帶襯環(huán)的與不帶襯環(huán)的兩種，當(dāng)設(shè)備由不銹鋼制作時，采用碳鋼法蘭加不銹鋼襯環(huán)可以節(jié)省不銹鋼。根據(jù)以上原則，該設(shè)備選用長徑對焊法蘭。

2.6 封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計采用的是標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，是壓力容器中最常用的一種封頭。橢圓形封頭是由半個橢圓球面和一圓柱直邊段組成，它吸取了半球形封頭受力好和碟形封頭深度淺的優(yōu)點。由于橢圓部分經(jīng)線曲率平滑連續(xù)，故封頭中的應(yīng)力分布比較均勻。

3 強度設(shè)計計算

3.1 筒體壁厚的設(shè)計計算

設(shè)計壓力Pc＝2.2MPa

GB151-2011 中規(guī)定公稱直徑800mm 圓筒壁厚為8mm，故取=8mm。

3.2 封頭壁厚的設(shè)計計算

為了使筒體與封頭受力均勻，通常將封頭壁取與筒體壁厚相等，即δn=8mm

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 空氣換熱器裝配圖

5 結(jié) 語

本設(shè)備機械設(shè)計完全按照國家目前最新標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011《壓力容器》和GB151-2014《熱交換熱器》的規(guī)定，設(shè)計技術(shù)參數(shù)完全模擬錦州某公司的在役設(shè)備，設(shè)計計算結(jié)果與工程實際基本一致；圖紙結(jié)構(gòu)合理，表達清楚。

本設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；管子清洗方便，易于更換；主要應(yīng)用于管、殼程溫差較大的場合。