原料水
——凈化水一級換熱器的設計

王志強

（丹東市中等職業技術專業學校，遼寧丹東 118000）

原料水
——凈化水一級換熱器的設計

王志強

（丹東市中等職業技術專業學校，遼寧丹東 118000）

隨著我國化工、石油等許多工業部門的快速發展，換熱器在生產中占有越來越重要地位。浮頭式換熱器在工業制造中重要應用廣泛，它們的設計得到了快速發展。S503原料水——凈化水一級換熱器的作用是將硫化氫從33℃加熱到65℃。雖然樣式繁多的換熱器很大程度上拓寬了人們的選擇范圍 ，但管殼式這一傳統的換熱設備在化工生產中仍占據著主要地位 ，在高溫高壓或有腐蝕性介質的作業中更能顯示其優勢。

換熱器 原料水 凈化水

隨著工業的迅速發展，能源消耗量不斷增加，能源緊張已成為一個世界性的問題。為了緩和能源的緊張狀況，世界各國要競相采取各種節能措施，大力發展節能技術。換熱器在節能技術改革中具有很重要的作用，表現在兩個方面：一是在生產工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器效率，顯然可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來回收工業余熱，可以顯著的提高設備的熱效率。

雖然樣式繁多的換熱器很大程度上拓寬了人們的選擇范圍，但管殼式這一傳統的換熱設備在化工生產中仍占據著主要地位，在高溫高壓或有腐蝕性介質的作業中更能顯示其優勢。本文僅從機械設計的層面闡述原料水——凈化水一級換熱器的設計。

1 管子設計

傳熱管的形狀、尺寸和布置對換熱器性能和經濟影響很大，管子設計內容包括管形、管徑、管束排列方式及管材的決定。

管子外形采用采用 Φ25×2.5的無縫光管，其經濟易得和安裝、檢驗、清洗方便。材料選用10號鋼長6.0m，管子總數為91根。

管子與管板的聯接必須牢固，不泄露，不產生大的變形和英里。本設計由于工作壓力不太高，工作溫度不太高，而且采用轉角正方形的布管方式，間隙較大，易產生間隙腐蝕，故采用脹接方式聯接。

總傳熱面積由文獻［3］查得

其中 d0——換熱管外徑m

L——換熱管長度m

n——換熱管根數

0.03 ——為兩塊管板的厚度之和

F=3.14×0.025×（4.5-0.3）×91=76m2

管子排列方式為正三角形，盡管排列最不緊湊，但便于機械清洗，常用于浮頭式換熱器。

2 換熱流程設計

本設備采用殼方單程，管方四程的換熱器。由于換熱器尺寸不太大，可以用一臺，未考慮采用多臺組合使用，管程分程隔板4管程的結構。

3 管板設計

管板的作用是固定作為傳熱面的管束，并作為換熱器兩端的間壁將管程和殼程流體分隔開來。

管板直徑與殼體直徑一致。管板厚度與材料強度、介質壓力、溫度和壓差、溫差以及管子外殼的固定方式和受力狀況因素有關。

管板與殼體的連接有可拆和不可拆兩種，浮頭式換熱器為殼程清洗方便，常將管板夾在殼體法蘭和頂蓋法蘭之間構成可拆連接。

4 折流板設計

殼程空間的截面積比殼程的流通截面為大，為了增大殼程流體的流速設置折流板，同時由于殼程流體的流動方向垂直于管束中心線方向，也可增大殼程流體的給熱系數。

本設備選用了弓形折流板和環形折流板，其中弓形折流板的弓形缺口高度為25% Ds.對于臥式換熱器的弓形折流板布置方式有三種：水平方向，垂直方向，傾斜方向，本設備采用水平方向布置（缺口上下布置）。這樣可以造成液體劇烈擾動，增大傳熱系數。

折流板的管孔大小對傳熱性能，機械性能和加工制造影響很大。因此管孔的確定很重要。若管孔過大，殼程流體從間隙走短路，影響傳熱效果。而且間隙過大，管孔對管子的約束作用小，容易引起管束的震動損壞。但間隙太小，又會給穿管帶來困難，因而根據GB151—1999對于 φ25× 2.5的管子，管孔直徑為25.8mm，允許差為+0.40mm。

折流板的厚度：橫向折流板的厚度與殼體直徑和折流板間距有關，且對換熱器的震動也有影響。一般情況下，其最小厚度按文獻［5］表4—25選取，故取δ=4mm。

折流板間距：弓形折流板的間距一般不應小于殼體內徑的五分之一。既400/5=80mm，且不小于50mm。折流板的最大間距由文獻［5］查得不大于1900mm。而前面工藝設計已初定出折流板間距為150mm。由于弓形折流板第一塊和最后一塊應在殼程兩接管之間。但這樣殼程兩頭死壓太大。應而在兩接管處增設導流筒。

折流板的材料選用Q235。

5 鉤圈設計

為了防止浮頭端殼程介質的死角區增大，以及鍛造方便與經濟的目的，本浮頭式換熱器采用鉤圈。選取鉤圈應注意控制管板的外徑和鉤圈內徑之間的公差在0.4mm之內，從而保證使螺栓起到有效的密封作用。其材料與浮頭管板相同即 16MnR，鉤圈與浮頭管板相配合的尺寸允許偏差按文獻［5］圖3—41，鉤圈選用 B型是因為其結構緊湊、密封好、傳熱效率高，而 A型厚度大之間隙大，死角壓大，螺桿也較長。

鉤圈的設計厚度 δ

其中δ1為浮動管板厚度。

6 拉桿與定距管設計

6.1 拉桿的數量

由文獻［5］表3—24查得拉桿數為4根。

6.2 拉桿的結構形式

拉桿的結構形式有兩種：

a.拉桿定距結構；b.拉桿與折流板點焊結構。

其中拉桿定距管結構適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束。故本設備拉桿采用拉桿定距結構。

6.3 拉桿的布置

拉桿的布置應盡量均勻分布在管束的外邊緣。拉桿的尺寸：拉桿螺紋公稱直徑為16mm。

7 進出口管的設計

7.1 管程進出口的設計

進出口管的位置對換熱器性能有重要的影響，實踐表明水平布置的進出口不利于管程流體的均勻分布。使部分傳熱管不能很好發揮作用。甚至因流速太低而被堵塞，進出口管分布在換熱器底部和頂部使流體向上流動比布置在兩側水平流動為佳。

殼程流體進出口接管，取接管內流體流速為 u2=1.2m/ s，則接管內徑 D2為

取接管內徑為76mm。

7.2 殼程進出口管的設計

殼程接管設計的優劣對管束壽命影響較大。殼程流體入口橫向沖刷管束，對管束產生磨損和振動，當流速高特別是含固體顆粒時尤為嚴重。本設備在進出口管處加裝導流筒可起緩沖作用，保護管束不受沖擊。同時能引導流體垂直地流過管子端部，使傳熱改善。

殼程接管位置最小尺寸：

依據參考文獻得無補強圈接管：

其中，b為管板厚度。

向上取整得85mm

管程流體進出口接管，取接管內流體流速為 u1=2.5m/ s，則接管內徑 D1為

由參考文獻取接管內徑為76mm。管程接管位置最小尺寸：

依據參考文獻得無補強圈接管：

其中，1h為接管法蘭的接管厚度。

由參考文獻得取76mm。

8 導流筒設計

由于管程進出口外管板的距離都比較大，造成一定的死區，使得靠近兩端管板的傳熱面程利用率很低，為了克服這一缺點，可采取導流筒結構，導流筒除有把殼程流體引導管板方向，以消滅死區的作用外，還起緩沖擋板作用。保護管束免受沖擊。

由文獻［5］規定h一般應大于d/3，既50mm導流筒端部至管板的距離以內感滿足使該處的環形流通面積不小于導流筒外側的流通截面積。為此選導流筒內徑640mm，導流筒厚度為3mm，

參考文獻:

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王志強（1975—），男，漢族，高級講師，研究方向：數控加工。