TEMA(列管式换热器制造商协会标准)规格的管壳式换热器设计原则

TEMA规格的管壳式换热器设计原则——摘引自《PERRY’SCHEMICALENGINEER’SHANDBOOK1999》设计中的一般考虑流程的选择在选择一台换热器中两种流体的流程时，会采用某些通则。管程的流体的腐蚀性较强，或是较脏、压力较高。壳程则会是高粘度流体或某种气体。当管壳程流体中的某一种要用到合金结构时，碳钢壳体加合金质壳程元件比之壳程流体接触部件全用合金加碳钢管箱的方案要较为节省费用。清晰管子的内部较之清洗其外部要更为容易。假如两侧流体中有表压超过2068KPa(300Psig)的,较为节约的结构形式是将高压流体安排在管侧。对于给定的压降，壳侧的传热系数较管侧的要高。换热器的停运最通常的原因是结垢、腐蚀和磨蚀。建造规则“压力容器建造规则，第一册”也就是《ASME锅炉及压力容器规范SectionVIII,Division1》,用作换热器的建造规则时提供了最低标准。一般此标准的最新版每3年出版发行一次。期间的修改以附录形式每半年出一次。在美国和加拿大的很多地方，遵循ASME规则上的要求是强制性的。最初这一系列规范并不是为换热器制造所准备的。但现在已添加了固定管板式换热器上管板与壳体间的焊接接头的有关规定，并且还包含了一个非强制性的有关管子－管板接头的附件。目前ASME正在研究有关换热器的其他规定。列管式换热器制造商协会标准,第6版.,1978(通常引称为TEMA标准*),用作在除套管式换热器而外的所有管壳式换热器的应用中对ASME规则的补充和说明。TEMA“R级”设计就是“用于石油及相关加工应用的一般性苛刻要求。按本标准制造的设备是设计目的在于在此类应用中严苛的保养和维修条件下的安全性、持久性。”TEMA“C级”设计是“用于商用及通用加工用途的一般性适度要求。”而TEMA“B级”是“用于化学加工用途”*译者注：这已经不是最新版的，现在已经出到1999年第8版3种建造标准的机械设计要求都是一样的。各TEMA级别之间的差异很小，并已由Rubin在HydrocarbonProcess.,59,92(June1980)上做了归列。TEMA标准所讨论的主题是：命名原则、制造公差、检验、保证、管子、壳体、折流板和支撑板，浮头、垫片、管板、管箱、管嘴、法兰连接端及紧固件、材料规范以及抗结垢问题。APIStandard660,4thed.,1982*，一般炼油用途的管壳式换热器是由美国炼油协会出版的，以补充TEMA标准和ASME规范。很多从事化学和石油加工的公司都有其自己的标准以对以上各种要求作出补充。关于规范、标准和个客户的规定之间的关系已由F.L.Rubin编辑结集，由ASME在1979年出版了(参见佩里化学工程师手册第6章关于压力容器规定的讨论)。*译者注：这已经不是最新版的，现在已经出到2001年第6版换热器的设计压力和设计温度通常都在确定时都在预计的工作条件上又给了一个安全裕量。一般设计压力比操作中的预计最高压力或关泵时的最高压力要高大约172KPa(25Psi)；而设计温度则通常较最高工作温度高14°C(25°F)。管束振动随着折流板换热器被设计用于流量和压降越来越高的场合，由管子振动带来的损坏日益严重。处理这种问题最为有效的办法就是通过采用只会有助于纵向流动的管子支撑档板而避免出现错流情况。但是即使如此，仍需对壳程管嘴入口下方的管束区严加注意：此处的流动是从壳体侧面引入的。TEMA标准中专门为此设立了一章。一般说来，管子的振动机理是：漩涡脱体流体错流流过管子时的漩涡脱体频率可能会与管子的固有频率相符，进而激发起很大的共振振幅。流体弹性耦合流过管子的流体导致管子发生涡动式的振动。当流速超过某临界值时，流体弹性耦合的机制出现，振动就变为自激振动，振幅增长。这一机理在遭受振动破坏的工艺换热器上经常发生。压力脉动由紧随在圆柱体之后或由上游带往圆柱体而发生的湍流压力波动会给管子的振动造成潜在的机理。管子会对接近其固有频率的那部分能谱作出响应。声耦合当壳程流体为低密度的气体时,假如壳程驻波的相位和从管子上脱落的漩涡频率相位相同，声学共振或耦合就会发生。驻波垂直于管子的轴线和错流的方向。管子的损坏很少会发生，但是其噪声会非常令人难受。检查当预制完毕或是维护期间，如能对列管式换热器的壳程做水压试验以便在管头侧做外观检验则是很理想的。这样就很容易地确定泄漏管子的位置并做出维修。假如确定出的漏点无法从管端接近，则有必要对所有的管子－管板连接做再轧制或重焊接，而这有可能给完好的连接处带来损害。换热器泄漏的测试已有Rubin在Chem.Eng.,68,160–166(July24,1961)上做了研究。性能换热器的性能测试已由美国化学工程师学会在“换热器测试标准程序第一部分：管壳式设备的显热传导”中做了描述。主要的结构形式图11-36所示为TEMA规格的管壳式换热器的结构细节。有关此类及其他类型的换热器的详细讨论见下面数节。固定管板式换热器固定管板式换热器(图.11-36b)的使用频率较其他各种换热器要高，并且其使用频率近年来日益提高。其管板式焊在壳体上的。一般其管板会在壳体上延伸出去兼做为与管侧联箱相紧固连接的法兰。这种结构的换热器需要壳体与管板的材料可以相互焊接。假如两部分的材质不能相互焊接，则使用一种“盲死的”垫片结构。一旦设备制造好，这种盲垫片在维修时无法接触和更换。这种结构的换热器可用于操作在真空下的蒸汽表面冷凝器。管程的联箱(或管箱)可能会是如图11-35所示的C型或N型式焊到管板上的。焊上以后的结构比B/M或A/L型管箱的优势在于花钱更少，并且可在不必扰动管侧连接的情况下对换热管做检测和更换。对于管侧的程数没有限制。而壳程的程数可以取1也可以更多—尽管多于两程的壳体比较少见应用。布管可以完全填满换热器的壳体。在布管区最外层和壳体之间所留的间隙仅是为了制造时的最低需要。而在壳体内部与折流板之间也必须留有一定的间隙以便折流板可以滑入壳体。由于制造公差的缘故在折流挡板的外缘和布管区最外层之间还要留有一定的附加间隙。在外管限(OTL)和折流挡板直径间的边距必须留的足够以防止管子因为振动而穿透挡板上开孔。布管区最外层的管子必须限制在OTL之内。在壳体内径和OTL之间的间隙：对壳体内径为635mm及以上的，间隙为13mm；对内径为254至610mm的钢管制壳体，间隙为11mm；对于更小的钢管制壳体间隙可取得更小些。管子是可以更换的。管侧联箱，管箱盖板，垫片等都是易于检修和更换的。而壳程的挡板结构和盲垫片则是不可拆卸的。移走管子时管子可能会在壳体内断裂，假如有此情况发生，则想再移走或是更换此管子都是极为困难的。通常采取的做法是将管板上的相应洞口堵死。由于热膨胀的长度不同会使课题和管子的长度产生差异，引发不均匀膨胀。可以使用各种膨胀节以消除由于膨胀引起的过剩的应力。是否需要使用膨胀节取决于不均匀膨胀的量以及预期的操作循环工况。可以使用的膨胀节有很多种。(图.11-37).a.Flatplates(平板式).两块同心的平行板，其外边缘处有一连杆。平板可以挠曲以对局部膨胀作出某些修正。此种设计通常用于真空及表压低于103Kpa的场合。局部膨胀发生时所有的焊点都受到危险应力。b.Flanged-onlyheads（凸缘接头式?）.两片平板是凸缘式的，或弧形的。接头的直径一般要比壳体直径大203mm(或以上).局部膨胀发生时在壳体上的焊点仍承受前述的应力，但是连接接头的部分所受应力则因为弧形的形状而要小一些。c.Flaredshellorpipesegments(扩径壳体或扩口管段).壳体扩径以连接一管段，或管段剖半或一剖四以做成一个环。d.Formedheads(成型加工头).可用形式为：一对碟型或椭圆型或凸缘碟型头。两部分焊在一起或是用一环形连接。该连接形式类似于凸缘接头式膨胀节但所受应力明显要小。e.Flangedandfluedheads(凸缘接头加烟道孔式).一对凸缘式接头上带有两个同心反向烟道孔。由于此烟道操作这对接头的费用较高。接头呈弧形降低了壳体上和连接部焊点所承受的应力。f.Toroidal(环形膨胀节).环形膨胀节在数学上可以预期有一个较低量级的平滑的应力模型。其最大应力点在波纹的侧壁，最小应力点在波纹的顶部和底部。前述设计已经由Kopp和Sayre在“ExpansionJointsforHeatExchangers”(ASMEMisc.Pap.,vol.6,no.211)中作为环形膨胀圈加以研究过。所有的对象都属于静不定问题，但通过引进各种简化假定而做了分析。目前工业上使用某些膨胀节比之于上文中所讨论的模型属于更薄壁的结构。g.Bellows(波纹管).有众多生产厂家制造薄壁型波纹管膨胀节。此类设计用于局部膨胀场合并针对轴向位移、横向位移和循环寿命做了测试。波纹管材质可能是不锈钢、镍基合金或紫铜的(铝，蒙奈尔，磷青铜和钛质波纹管也有见制造。)一般还提供与换热器壳体材质相同的焊接短管。波纹管可能是用一张板材液压制造的或是有几个部分焊成的。通常也会提供碳钢制保温包壳以保护轻型波纹管换热器免于损坏。此包壳也能防止保温材料对波纹管位移的妨碍(见h).h.Toroidalbellows(环形波纹管).波纹管膨胀节做了一些改进以适应高压工况，其位移被薄壁小直径的环形波纹管所吸收。因此高压部件的厚度相应的降低。(见f).带有薄壁波纹管或环形膨胀节的换热器在制造、运输、安装和维修中的不当处理都会损坏其膨胀节。在大型设备上此类薄壁膨胀节特别易于受损，某些设计人员更乐于使用厚壁的成型加工头型膨胀节。化工装置上所需要的膨胀节的是凸缘接头加烟道孔式膨胀节。但使用薄壁型波纹管膨胀节的趋势日益明显。U型管换热器(图.11-36d)此类管束包括一个固定端管板和U型管(发夹管)，以及折流挡板和支撑板，相应的拉杆合定距器。管束可以从壳体中抽出。此外还有管程联箱(固定端管箱)以及壳体和焊在壳体上的整体式壳盖。每根换热管都可以自由膨胀，或者都可以不受彼此影响的易于维护。U型管束的优势在于：有可拆卸管束结构的换热器中U型管束的外管限(OTL)与壳体内径之间间隙最小。其间隙与固定管板换热器的间隙相同。对于给定的管板，U型管束的管子开孔数比固定管板换热器的要少，因为将管子弯成小半径弯头是有限度的。U型管的设计还有一个好处就是降低了膨胀节的使用数目。对于高压设备结构，这一特性对于降低初始费用和维护费用都是非常重要的。液体清洗技术可以脱除换热管中U型段和直管段的污垢残渣，U型管换热器的使用随着液体清洗技术的发展而日趋增长。U型管内部的机械清洗已由John在[Chem.Eng.,66,187–192(Dec.14,1959)做了描述。杆子和常规的机械换热管清洗工具不能从U型管的一头通到另一头。可以采用机械驱动式换热管清洗器，以清洗U型管的直管和弯头部分。使用冲压式雾化喷嘴的高压水射流以清洗可拆卸式管束的内部和外部表面已由Canaday在“HydraulicJeingToolsforCleaningHeatExchangers,”(ASMEPap.58-A-217,unpublished)中做了报道。储罐抽吸加热器示如图.11-38,即带有U型管束。这种设计经常用于室外储藏重燃料油和焦油或糖浆的储罐，这些流体的粘度必须降低以后才便于泵送。通常管侧的加热介质是蒸汽。加热器壳体的一端是开放式的，被加热的液体就通过管子的外侧。不必对整个储罐的介质加热就可以降低了泵送的费用。如果是光管或整体式低翅片管，则会使用则流荡办，如使用的是纵向低翅片管，就不必使用折流挡板。使用翅片管通常是为了尽量减小这类流体的结构问题。釜式再沸器，蒸发器等经常是使用U型管束而截面放大外壳以利于汽-液分离的换热器。在此U型管束替代了图.11-36e中的浮头式管束。使用紫铜管子、铸铁联箱、其余部分为碳钢的U型管换热器经常用于办公楼、学校、医院和宾馆等处的水－汽加热。非铁基管板或海军铜或90-10铜－镍合金管是最常用的代用材料。标准型号的此类换热器有众多制造厂家，其价格比起客户定制的加工工业设备要低得多。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