浅析浮头式换热器设计

王宁

（宁波华中工程设计有限公司，浙江 宁波 315000）

浮头式换热器应按照标准GB150-2011《压力容器》、GB/T151-2014《热交换器》的要求进行选材、设计、制造、检验、验收及安装和使用。

浮头式换热器一端管板与壳体固定，另一端管板可以在壳体内自由浮动；其优点如下。（1）因这种结构管束和壳体之间不会产生温差应力，因此管壳程介质温差不受限制。（2）浮头盖和钩圈可以拆卸，管束可以抽出，方便设备的维修和管束的清洗。（3）可用于结垢比较严重的场合。（4）可用于管程易腐蚀场合。

但浮头式换热器结构比较复杂，而且在浮头盖和浮动管板密封垫处发生泄漏（无法知道泄漏情况）；因此，如果管壳程介质成分要求比较严格时，尽量不要选用浮头式换热器。浮头式换热器如图1所示，是为宁波某化工企业节能降耗项目而设计的一台双壳程双管程浮头式换热器。该换热器主要是将塔侧采出的成品热二氯乙烷（～97℃）与裂解炉进料冷二氯乙烷进行充分热交换后，达到降低成品二氯乙烷的温度，提高裂解炉进料端二氯乙烷的温度，从而减少系统中蒸汽消耗和循环水的使用量，以减少生产成本。

图1 浮头换热器

1 浮头式换热器设计计算

1.1 工艺计算

换热器的工艺计算有三种计算模式，即设计、模拟和校核计算。常用的是设计与校核计算模式；设计计算的目的是根据给定的工艺参数选择换热器类型并计算热负荷，确定换热面积和部分换热器结构尺寸；校核计算的目的是对已有的换热器，校核它是否满足预定的换热要求，这是属于换热器的性能计算问题。我们选择设计计算模式对浮头式换热器进行工艺计算，工艺参数详见表1。

表1 工艺参数

设备的结构数据如下：换热器型式BFS，材质为碳钢，换热器直径1000mm，换热管选用φ19×2。换热管的排列形式为正三角形排列。折流板的弓形缺口可取0．2～0．45倍的圆筒内直径。数据输入完成后，设计计算并查看计算结果。在reports中查看计算结果，首先看runtime messages，看有没用输入错误或操作问题；然后再查看rating data sheet计算结果数据，在该数据表中可以查看换热器型式、换热器的换热面积、总热负荷、管壳程压降、设计裕量（overdesign）等参数。（表2是计算结果数据表的一部分）。

表2

查看工艺计算结果数据时要重点看以下几个地方：（1）换热器型式及换热面积 。（2）管壳程压降。管程或壳程压降太大会造成整个系统压力的增大，造成能源的浪费。（3）换热器设计裕量（overdesign）当该值为负，则计算结果不能用；解决办法是需增加换热面积（增加换热管数量、长度），因此结果中的设计裕量（overdesign）需为正值。如果工艺没有要求该值一般在15%～20%；（4）振动。振动消除的措施：减少无支撑跨距、调整折流板间距或采用弓形区不布管。（5）管壳程流速。如果对计算结果不满意，可以通过调整换热器的结构数据（如换热管数量、长度、直径、管间距，折流板形式、间距及弓形缺口高度），来实现浮头式换热器的最优化设计。

1.2 结构设计

1.2.1 强度计算

表3是工艺计算后确定的浮头式换热器筒体内径，换热管尺寸、数量，折流板形式、间距等参数；壳程工作压力 0．89MPa ，工作温度进出口 97℃ /59．31℃；管程工作压力2．12MPa ，工作温度进出口44℃ /77℃；壳体材质为Q345R(GB713-2008)，管程材质为20无缝钢管（GB9948-2006）和Q345R。

表3

浮头式换热器的管板（固定、浮动管板）、钩圈、浮头法兰设计可以按照GB/T151-2014《热交换器》中规定的结构尺寸进行设计计算；设备法兰可以按标准NB/T47023-2012《长颈对焊法兰》来选取；接管法兰按标准HG/T20592～20635-2009选用。使用SW6-2011软件进行浮头式换热器的强度计算，主要对筒节、封头、管板（固定、滑动）、浮头盖与钩圈、浮头法兰、法兰及开孔补强等受压元件进行计算。换热器设计过程中还需注意介质的影响。本台换热器管壳程均为易爆介质（二氯乙烷），因此设计中需注意以下几点。（1）选设备法兰时建议选择长颈对焊法兰。（2）接管法兰的公称压力等级选用应不低于1．6MPa。（3）接管与壳体之间的焊接接头应采用全焊透结构。（4）需设置静电接地板（材质为不锈钢）。

1.2.2 纵向隔板密封结构

在标准 GB/T151-2014《热交换器》第 6．8．4 节 双壳程结构中有纵向隔板的相关规定。纵向隔板厚度设计为8mm厚，它与固定管板是采用焊接结构。纵向隔板的密封结构在（见图2）中弹簧片1与弹簧片2材质为1Cr13；每块压板有两个螺栓固定，纵向隔板两侧对称。维修、更换弹簧片时压板可以拆掉。纵向隔板密封是为了防止流体短路，提高传热效率而设置的。

图2

图3

1.2.3 旁路挡板

壳体的流路大体可以分为五路，其中B流路是管束热传递的有效流路（越大对换热越有利）；C、F流路的存在不利于传热（注1）；增设旁路挡板就是为了防止流体由壳体和管束之间旁流（C流路）。旁路挡板应与折流板焊接牢固（见图3）；折流板上加工出相应的槽（见图4）。DN≥1000mm，旁路挡板可设置三对挡板。旁路挡板也可作为滑板用，方便管束安装和抽出。

图4

1.2.4 前端管箱

前端管箱带分程隔板，所以要进行热处理；并且设备法兰和分程隔板密封面加工要放在消应力热处理以后进行。这里要注意前端管箱设备法兰的第一次机加工密封面要留一定的余量，以备热处理后有足够的加工量。

2 结语

浮头换热器设计可以分为工艺设计和设备结构设计两部分；工艺设计主要是浮头换热器热负荷计算、换热器的选型及主要结构参数的确定；设备结构设计可以按照标准GB/T151-2014《热交换器》的规定进行结构设计，进行强度计算，生成计算书。注1：C流路——管束外围与壳体内壁之间的旁流流路。在可拆卸管束的换热器，特别是浮头式换热器中，此流路的流通面积可能很大。

[1]GB/T151-2014，热交换器[S]．中国标准出版社出版．

[2]GB150-2011，压力容器[S]．中国标准出版社出版．

[3]钱颂文主编．换热器设计手册[M]．化学工业出版社．

[4]中国石化集团上海工程有限公司组织编写．石油化工设备设计选用手册[M]．化学工业出版社．