塔顶冷却器的机械设计

王子健 闫绍峰 王双林 张亮

摘 要：换热器是被广泛应用于石油和化学等工业部门工业生产中进行热交换操作的，它的主要作用是使冷热介质之间发生温度转换。本设计为塔顶冷却器机械设计，综合考虑给定的介质、温度和压强等因素，确定了换热器结构为U型管式换热器，设计的主要内容有工艺设计、强度设计计算、零件结构形式的选择及换热器的检验和验收等。该换热器具有结构凑性、传热效率高、流体阻力小、性能安全可靠、材料消耗少、制造费用低，安装和检修方便等特点，并能承受高温高压的复杂工况的特点。

关键词：换热器；工艺设计计算；强度设计计算

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.035

1 引言

换热器是在化工生产、炼油工艺、生产食品、原子能工艺、制药工艺、航空航天以及其他许多部门都在使用的设备。在工业生产中，换热器的主要作用是使冷热介质之间发生温度转换，让需要的介质达到设计规定的温度，以满足生产过程需要的条件。近几年由我国经济发展而带动的良好发展，同时进口产品很大方面的可转化性等等，都已经表明我国的换热器行业将来到一波新的高潮。为了跟上发展的脚步，我国对一些工艺生产中常用到的换热器已经建立了一系列的标准。

2 设计主要参数与要求

2.1 设计参数

2.2 设计要求

设计方案的选择：由于管壳式换热器它有稳定性好，结构坚固、适应范围较广、材料可以广泛应用等优点，因此被广泛的应用于炼油、化工和石油化工等行业里。因此根据工程实际的要求，本次设计中的换热器采用U型管式换热器，U型管式换热器的特点是管子管束可以来回收缩，不会出现管子和壳体间壁因温差而发生的温差应力这样的情况，结构简单，管束可以抽出清洗管间，而且管束的重量最轻。U型管式换热器由于管程清洗困难所以适合换热管内走清洁干净而不易产生结垢的介质，同时管程还适合走耐高温、高压并且腐蚀性较大的物料。所以，此方案合理可行。

选择换热器类型；工艺设计计算；机械设计计算；结构设计计算；制造加工；选择材质；确定管程和壳程数。此外，再设计之前先对换热器的类型、流体流动空间等进行说明。

工艺设计计算：确定换热管管束；计算流体流量；估算传热面积；确定工艺结构尺寸；核算压降和传热系数。

机械设计计算：管箱设计；圆筒设计；法兰设计；封头设计；鞍座设计等。

3 主要设计内容

3.1 工艺设计计算

3.1.1 确定换热管管数

选φ19mm2mm的不锈钢钢管，管长6000mm。因为φ19mm2mm属于小管径，传热面积大，结构紧凑，金属消耗量少等优点。管子材料采用不锈钢材料。换热管在管板上的排布方式有正三角形、转正三角形和正方形、转角正方形。在同样的管板面积上正三角形排列的管数是最多的，故采用正三角形排列。本次设计的换热管的分布方法采用正三角形排列。

由传热面积可得：

根

管子排布方式：正三角形，取管间距a=25mm。如图1所示。

3.1.2 换热器筒体直径校核

式中：换热管间距，由上可知a=25mm；

换热管横向、纵向管数，取b=28根；

最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取。

则，故选用双壳程设计。

3.2 强度设计计算

由于所设计的换热器属于常规容器，在壳体工作压力和温度满足要求前提下，根据经济型原则，本次设计筒体材料选用Q345R。且换热器的壳体和管箱公称直径为，所以可以使用由板材卷制而成的筒体。焊接接头系数在设计中用来表示焊缝热影响区金属与母材强度的比值，来表示容器强度的被削弱程度。由受压元件焊接接头的特点和无损检测长度的比值来确定焊接接头系数的大小。对焊接接头的无损检测的射线探伤或超声波探伤是指按照有关规定所进行，探伤分为全部探伤和局部探伤两种。在《压力容器安全技术监察规程》中对容器检测方法的选择、无损检测的要求、检验验收的标准等都作出了一些具体的规程。具体如表2。

3.2.1 换热器筒体壁厚校核

取设计压力=1.1×1.0=1.1MPa，钢板厚度负偏差，腐蚀裕量，，为焊缝系数，采用双面焊，局部无损探伤，取=0.85，许用应力，根据GB151-2014，查得=185 MPa。

故设计壁厚为：

取名义壁厚：。

3.2.2 法兰的设计计算

按内压计算：按照螺栓直径及经验公式计算，螺栓中心圆直径：

式中：

U形管法兰的外直径，，mm；

换热器圆筒内直径，mm；

U形管管板外直径，，mm。

3.3 法兰结构设计

根据JB4700-2014查得，压力容器法兰可选用长颈对焊法兰为固定端的壳体法兰并且管箱的法兰也为长颈对焊法兰，选择凹凸面的方式进行密封，材料选用锻件20MnMo，如图2。

接管法兰：由接管的公称直径、公称压力，查相应的钢制管法兰、紧固件和垫片，其中的带颈对焊钢制管法兰符合要求，选用凹凸面方式进行密封，选其材料为Q345R。如图3所示。

4 封头的选择

椭圆形封头可以看做是椭圆面加短圆筒组合而成的，其锻造直边的是为了避免封头和圆筒的连接地方焊缝出现问题，来改善两者之间焊缝的受力情况。由于椭圆形封头应力分布比较均匀，且深度较半球形封头小得多，椭圆形封头易于冲压成型，是目前较为普遍的封头之一，适用范围较广。

选用标准椭圆形封头，为了便于焊接封头及经济性要求，采用材料为Q345R。

封头名义壁厚计算：

式中： —材料的许用应力，（单位MPa）；

查材料可得；

—焊缝系数，（其采用双面焊，全部探伤，。）

名义厚度：

按照GB151-2011对U形管换热器最小壁厚的规定，。

有效壁厚计算：

5 结论

换热器是被广泛应用于石油和化学等工业部门工业生产中进行热交换操作的，主要作用是使冷热介质之间发生温度转换，让需要的介质达到设计规定温度的一种通用工艺，许多化工生产部门都在使用的设备。U型管式换热器与其他换热器的区别就在于管束结构的不同，由于管程清洗困难所以适合换热管内走清洁干净而不易产生结垢的介质，同时管程还适合走耐高温、高压并且腐蚀性较大的物料。该换热器具有结构凑性、传热效率高、流体阻力小、性能安全可靠、材料消耗少、制造费用低，安装和检修方便等特点，并能承受高温高压的复杂工况的特点。

参考文献：

[1]GB 150-2012.压力容器[M].北京：中国标准出版社，2012.

[2]GB 151-99.钢制管壳式换热器[M].北京：学苑出版社，1999.

[3]钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.

[4]朱有庭，曲文海，于浦义.化工设备设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004.

[5]刘道德.化工设备的选择与工艺设计[M].湖南：中南工業大学出版社，1992.

[6]刘志军，喻健良，李志义.过程机械[M].北京：中国石化出版社，

2002.

[7]ASME Boiler&Pressure; Vessel Code，Section.Rules for Construction of Pressure Vessels，Division 1，1998.

[8]ASME Boiler&Pressure; Vessel Code，Section.Rules for Construction of Pressure Vessels，Division 2，1998.