浮頭式換熱器的設計

張濤 閆紹峰 傘慧洋 韓家金

摘 要：本文介紹了浮頭式換熱器的設計過程，主要包括設計方案的選擇、工藝設計計算、強度設計計算和結構設計等，根據設計計算結果利用Auto-CAD繪制了裝配圖和零部件圖。

關鍵詞：浮頭式換熱器;工藝設計;強度設計;Auto-CAD

1 設計方案的選擇

1.1 主要技術參數

1.2 設計方案的選擇

浮頭式換熱器管束可從殼體內抽出，便于清洗，不產生熱應力。適用于管殼程溫差應力比較大的情況，介質不易清潔的場合。本次設計的介質是石油液化氣和水。其中石油液化氣的入口溫度是120℃，出口溫度是89℃，流量為500kg/s，工作壓力是0.69MPa;水的入口溫度是70℃，出口溫度是95℃;工作壓力是0.4MPa。由于兩種介質的溫差較大，會產生很大的溫差應力，而且石油液化氣是清洗介質，水是容易結垢的介質，所以選用浮頭式換熱器，一可以消除溫差應力，二便于清洗。再者，考慮工藝要求，該設計的主要目的是冷卻石油液化氣，故選擇石油液化氣走殼程，可以更好的散熱;水走管，可以起到更好的冷卻效果。

2 工藝設計計算

2.1 計算傳熱面積

熱負荷

Q=WcCpc（t2-t1）=1.84×106W

根據兩流體的情況，設：

K=150W/（m2·℃）Δtm=0.9× 43.7=39.3℃

2.2 計算換熱管數

選φ19×2mm無縫鋼管，材質10號鋼，管長6m。

拉桿數為10，因此實際換熱管數為1826個。

2.3 殼體直徑的確定

Di=a（b-1）+2l=25（52-1）+2×38=1351mm

取Di=1400mm

2.4 核算壓強降

管程壓強降

ΣΔPi=（ΔP1+ΔP2）FtNP=8175.4+2180.1=10355.5Pa

殼程壓強降

ΣΔP0=（ΔP1+ΔP2）FsNs=（1.7×105+1.63×105）×1.115×1=3.83×105Pa

換熱器的壓強降在10×100kPa范圍內，滿足工藝要求，從上面計算可知，該換熱器管程與殼程的壓強降均滿足題設要求，故所設計換熱器工藝參數合理。

3 強度設計計算

3.1 筒體壁厚的設計計算

設計壓力

P=0.15×1.1=0.165MPa

對于16MnR鋼，最小壁厚δemin=3+2.19=5.19mm，根據

鋼材規格取δn=10mm。

3.2 封頭壁厚的設計計算

同理：

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=10mm。

4 結構設計

4.1 總體結構設計

4.2浮頭和右封頭結構設計

4.3焊接結構設計

4.4爆破片結構

反拱型爆破片的厚度是正拱形爆破片的幾倍，厚度偏差對爆破壓力的影響相對較小，故制造精度較高。正常操作直至失穩時，反拱型爆破片工作時的應力均在彈性范圍內，抗疲勞性能好。適用于中低壓、承受背壓或脈動載和的工況（見圖5）。

5 小結

本設備設計按照國家目前最新標準GB150-2011《壓力容器》和GB151-2014《熱交換熱器》的規定，設計技術參數完全模擬錦州某公司的在役設備，設計計算結果與工程實際基本一致;圖紙結構合理，表達清楚。通過本次設計，設備結構有所改進，傳熱效果明顯提高，流體阻力比原設備大大下降，達到了高效節能的目的。本設備結構簡單、緊湊;管子清洗方便，易于更換;主要應用于管、殼程溫差較大的場合。

參考文獻：

[1] GB 150-2011.壓力容器[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2012.

[2] GB/T151-2014.熱交換器[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2015.

[3]錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002.

[4]鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設備設計[M].北京：化學工業出版社，2005.

[5]陳敏恒等.化工原理[M].北京：化學工業出版社，2005.

[6]化工機械手冊編輯委員會.化工機械手冊[M].天津：天津大學出版社，1991.

作者簡介：

張濤（1995- ），男，漢族，寧夏回族自治區固原市人，本科學歷，過程裝備與控制工程專業。

閆紹峰（1963- ），男，漢族，遼寧興城人，碩士學歷，遼寧工業大學副教授，研究方向：過程裝備與控制工程專業教學與設計。

傘慧洋（1996- ），男，滿族，遼寧葫蘆島興城人，本科學歷，過程裝備與控制工程專業。

韓家金（1998- ），男，漢族，遼寧沈陽人，本科學歷，過程裝備與控制工程專業。