U形管换热器设计实例

宋林晓

摘 要：本文主要介绍U形管换热器及设计方法。

关键词：U形管换热器；管板；壳体；管箱

1、U形管换热器的概述

换热器作为节能设备之一，在国民经济中起到非常重要的作用。本文主要介绍管壳式换热器中的U形管换热器。

U形管换热器具有以下优缺点，

优点：

①同样直径情况下，换热面积最大；

②管束可抽出来机械清洗；

③壳体与管壁不受温差限制；

④可在高温、高压下工作；

⑤可用于壳程结垢比较严重的场合；

⑥可用于管程易腐蚀场合。

缺点：

①在管子的U形处易冲蚀，应控制管内流速；

②管程不适用结垢较重的场合；

③单管程换热器不适用；

④不适用于内导流筒，故死区较大。

1.1U形管换热器设计目的和意义

配套异丙醇塔排出异丙醇废液从管程流过，壳程通蒸汽加热物料，从而实现换热效果。

1.2U形管换热器鞍座的设计已知条件如下：换热器内径Di=700mm；总长3900mm；地震烈度为7度，安装地为Ⅰ类场地。

1.3材料选择：该换热器根据设计条件属于Ⅰ类压力容器；根据化工设备用材要求及客户要求，选用S30408为换热器壳体及换热管材料。鞍座及地脚螺栓可选用普通碳素钢Q235B，其中鞍座垫板选用S30408。

2、主要零部件的厚度校核和选型

2.1封头厚度校核及选型

本换热器按GB/T25198-2010选用椭圆形封头，由设计条件通过公式：及使用条件、GB150中要求的最小封头厚度综合考虑厚度取δ=6mm，再由进行水压试验时的应力校核，校核合格，并要求最小成型厚度为δ=5.5mm。

2.2筒体厚度校核

由设计条件通过公式：及使用条件、GB151-1999第5.3.2中要求的最小封头厚度，取δ=6mm，再由公式：进行水压试验时的应力校核，校核合格。

2.3分程隔板厚度选取

按GB151-1999中5.2.3.1条，本换热器公称直径：DN=700mm，隔板取δ=8mm。由于隔板只受进出口压降影响，本换热器进出口压差较小，故不校核。

2.4管箱及筒体压力容器法兰的选择

管箱采用B型封头管箱，管箱法兰通常选用长径法兰和平焊法兰，按设计条件中工作压力、温度及介质特性，选用：法兰C-FM700-0.6NB/T47021-2012，材质为16Mn（环06Cr19Ni10）。

2.5换热管数量及排列方式管间距的确定

本换热器工艺要求换热面积为90m?，换热管采用S30408不锈钢管，规格为φ19×2（因为该尺寸属于小径管，管径小，单位体积传热面积大，结构紧凑型），管束直段长2800mm，计算需275根换热管，管板开孔数为550个，换热管采用正三角形排列，按GB151-1999第5.6.3.2条换热管中心距取25mm，U型管束弯管段弯曲半径按GB151-1999第5.5.3.1条Rmin=40mm。

2.6拉杆形式及尺寸

由于换热管外径为19mm，故拉杆采用拉杆定距管结构，拉杆采用φ12圆钢，两头加工M12螺纹，管板侧加工长度为15mm，折流板侧加工长度为50mm；按GB151-1999第5.10.2条表44查的本换热器共需8根拉杆。

2.7折流板数量、尺寸及间距

本换热器折流板采用水平单弓形，h=187.5mm，直径D=DN-4.5=695.5mm，因为壳程走蒸汽，并在缺口朝上的折流板的最低处开通液口，共设置6块折流板，间距为450mm，换热管无支撑跨距l=900mm，由GB151-1999第5.9.2.2条表34查得折流板厚度为δ=6mm；折流板上换热管孔直径由GB151-1999第5.9.3.1条表35查得d=19.4mm，允许偏差+0.3/0mm；拉杆孔直径设为13mm。

2.8管板

2.8.1分程隔板槽

（1）槽深宜不小于4mm；

（2）分程隔板槽的宽度为：碳钢12mm，不锈钢11mm；

（3）分程隔板槽拐角处的倒角一般为45°倒角宽度b近似等于分程垫片的圆角半径R。

（4）隔板槽密封面应与环形密封面齐平，或略低于环形密封面（控制在0.5mm以内）。

2.8.2管板

（1）管板孔直径，由GB151-1999第5.6.4.1查表16得19.25mm允许偏差：+0.15/0mm。

（2）拉杆孔尺寸，由GB151-1999第5.10.1查表43得dn=12mm，加工M12螺纹，螺纹深度l=18mm，l2>la=22mm。

（3）最大布管圆直径：Di-2b3=700-2×0.25×19=690.5mm。

（4）管板与壳体及管箱的连接采用将管板夹在壳体法兰和管箱法兰之间构成可拆式连接，可是壳程清洗方便。

（5）管板的厚度

由公式计算并考虑隔板槽深度，管板名义厚度取δ=45mm。

（6）换热管与管板连接方式有胀接、焊接、胀焊并用等型式，由于本换热器工作时振动较小且物料无间隙腐蚀，故本换热器采用强度焊，结构形式采用GB151-1999第5.8.3.2条图34中（a）型，查表33得换热管伸出长度l1=1.5mm，坡口深度l3=2mm。

2.9支座

换热器的鞍式支座按JB/T4712-2007选用，根据换热器总重选择标准鞍座：鞍座BI700-F/S。鞍式支座的布置：两鞍座间距L=2500mm，高度为200mm，本换热器采用固定F型和滑动S型鞍式支座各一个，靠近管箱侧的为固定鞍座，鞍座底板、筋板、腹板采用Q235B板材，鞍座垫板采用S30408板材。

参考文献：

[1]国家质检总局，《固定式压力容器安全技术监察规程》TSGR0004-2009，新华出版社，2009

[2]国家质检总局，GB150-2011《钢制压力容器》，中国标准出版社，2011

[3]国家质量技术监督局，GB151-1999《管壳式换热器》，中国标准出版社，1999

[4]化工设备设计全书编辑委员会，化工设备设计全书——压力容器，北京：化学工业出版社，2003