I. Clasificación de intercambiadores de calor:
Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos se pueden dividir en las dos categorías siguientes según sus características estructurales.
1. Estructura rígida del intercambiador de calor de carcasa y tubos: este intercambiador de calor se ha convertido en un tipo de tubo y placa fijos, que generalmente se divide en dos tipos: monotubo y multitubo. Sus ventajas son una estructura simple y compacta, un bajo costo y un uso generalizado; la desventaja es que los tubos no se pueden limpiar mecánicamente.
2. Intercambiador de calor de carcasa y tubos con dispositivo de compensación de temperatura: permite la libre expansión de la parte calentada. La estructura se puede dividir en:
① Intercambiador de calor de cabezal flotante: este intercambiador de calor permite la expansión libre de un extremo de la placa tubular, lo que se conoce como "cabezal flotante". Se utiliza cuando existe una gran diferencia de temperatura entre la pared del tubo y la pared de la carcasa, y el espacio entre los haces de tubos requiere limpieza frecuente. Sin embargo, su estructura es más compleja y los costos de procesamiento y fabricación son más elevados.
② Intercambiador de calor de tubo en forma de U: solo tiene una placa tubular, por lo que el tubo puede expandirse y contraerse libremente al calentarse o enfriarse. La estructura de este intercambiador de calor es simple, pero la curvatura es compleja y requiere un radio de curvatura específico. Esto limita el aprovechamiento de la placa tubular, dificultando la limpieza mecánica y el desmontaje y reemplazo de los tubos. Por lo tanto, es necesario que el fluido que circula por los tubos esté limpio. Este intercambiador de calor se puede utilizar para grandes cambios de temperatura, altas temperaturas o altas presiones.
③ Intercambiador de calor tipo caja de empaquetadura: existen dos formas. Una consiste en que cada extremo de la placa tubular tiene un sello de empaquetadura independiente para asegurar la libre expansión y contracción del tubo. Esta estructura se utilizaba cuando el número de tubos en el intercambiador de calor era muy pequeño, pero la distancia entre los tubos era mayor que en los intercambiadores de calor convencionales, lo que resultaba en una estructura compleja. La otra forma consiste en una estructura flotante en un extremo del tubo y la carcasa, donde se utiliza un sello de empaquetadura completo. Esta estructura es más simple, pero no es fácil de usar en el caso de diámetros grandes y alta presión. El intercambiador de calor tipo caja de empaquetadura se utiliza poco actualmente.
II. Revisión de las condiciones de diseño:
1. Para el diseño del intercambiador de calor, el usuario debe proporcionar las siguientes condiciones de diseño (parámetros del proceso):
① Presión de funcionamiento del programa de tubo y carcasa (como una de las condiciones para determinar si el equipo pertenece a la clase, debe proporcionarse)
② Temperatura de funcionamiento del programa de tubo y carcasa (entrada/salida)
③ Temperatura de la pared metálica (calculada por el proceso (proporcionado por el usuario))
④Nombre y características del material
⑤Margen de corrosión
⑥El número de programas
⑦ área de transferencia de calor
⑧ Especificaciones y disposición de los tubos del intercambiador de calor (triangular o cuadrada)
⑨ placa plegable o número de placas de soporte
⑩ material y espesor del aislamiento (para determinar la altura que sobresale del asiento de la placa de identificación)
(11) Pintura.
I. Si el usuario tiene requisitos especiales, deberá proporcionar la marca y el color.
II. Los usuarios no tienen requisitos especiales, los propios diseñadores los seleccionaron.
2. Varias condiciones clave de diseño
① Presión de funcionamiento: como una de las condiciones para determinar si el equipo está clasificado, debe proporcionarse.
② Características del material: si el usuario no proporciona el nombre del material, debe proporcionar el grado de toxicidad del material.
Debido a que la toxicidad del medio está relacionada con el monitoreo no destructivo del equipo, el tratamiento térmico, el nivel de forjas para la clase superior de equipo, pero también está relacionada con la división del equipo:
a, GB150 10.8.2.1 (f) Los dibujos indican que el contenedor contiene un medio extremadamente peligroso o altamente peligroso con una toxicidad del 100% RT.
b, 10.4.1.3 Los dibujos indican que los contenedores que contienen medios extremadamente peligrosos o altamente peligrosos por su toxicidad deben someterse a un tratamiento térmico posterior a la soldadura (las juntas soldadas de acero inoxidable austenítico no pueden someterse a tratamiento térmico).
c. Forjas. El uso de toxicidad media para forjas extremadamente peligrosas o altamente peligrosas debe cumplir con los requisitos de la Clase III o IV.
③ Especificaciones de la tubería:
Acero al carbono comúnmente utilizado φ19×2, φ25×2.5, φ32×3, φ38×5
Acero inoxidable φ19×2, φ25×2, φ32×2,5, φ38×2,5
Disposición de los tubos del intercambiador de calor: triángulo, triángulo de esquina, cuadrado, cuadrado de esquina.
★ Cuando se requiera limpieza mecánica entre los tubos del intercambiador de calor, se debe utilizar una disposición cuadrada.
1. Presión de diseño, temperatura de diseño, coeficiente de junta de soldadura
2. Diámetro: DN < 400 cilindro, uso de tubería de acero.
Cilindro DN ≥ 400, fabricado con chapa de acero laminada.
Tubo de acero de 16" ------ con el usuario para discutir el uso de la chapa de acero laminada.
3. Diagrama de distribución:
Según la zona de transferencia de calor y las especificaciones de los tubos de transferencia de calor, se debe dibujar el diagrama de distribución para determinar el número de tubos de transferencia de calor.
Si el usuario proporciona un diagrama de tuberías, pero también para revisar que las tuberías estén dentro del círculo límite de tuberías.
★Principio de instalación de tuberías:
(1) en el círculo límite de la tubería debe estar lleno de tubería.
② El número de tubos de múltiples carreras debe tratar de igualar el número de carreras.
③ Los tubos del intercambiador de calor deben estar dispuestos simétricamente.
4. Material
Cuando la placa tubular tiene un hombro convexo y se conecta al cilindro (o cabezal), se debe utilizar forjado. Debido a que esta estructura se usa generalmente en aplicaciones de alta presión, inflamables, explosivas y tóxicas, en situaciones extremas y de alto riesgo, los requisitos para la placa tubular son más exigentes y, por lo tanto, más gruesa. Para evitar la formación de escoria y la delaminación en el hombro convexo, mejorar las condiciones de tensión de las fibras del hombro convexo, reducir la cantidad de procesamiento y ahorrar material, se forja directamente el hombro convexo y la placa tubular a partir de la pieza forjada completa para fabricar la placa tubular.
5. Conexión del intercambiador de calor y la placa tubular
En el diseño de intercambiadores de calor de carcasa y tubos, el tubo en la conexión de la placa tubular es una parte fundamental de la estructura. No solo procesa la carga de trabajo, sino que, durante el funcionamiento del equipo, cada conexión debe garantizar que el fluido no tenga fugas y que soporte la presión necesaria.
La conexión entre el tubo y la placa tubular se realiza principalmente de las siguientes tres maneras: a) expansión; b) soldadura; c) soldadura por expansión.
La expansión de la carcasa y los tubos en caso de fuga de fluido no provocará consecuencias adversas, especialmente si la soldabilidad del material es deficiente (como en el caso de los tubos de intercambiadores de calor de acero al carbono) y la carga de trabajo de la planta de fabricación es demasiado grande.
Debido a la expansión del extremo del tubo durante la deformación plástica por soldadura, se genera una tensión residual. Con el aumento de la temperatura, esta tensión residual desaparece gradualmente, lo que reduce la capacidad de sellado y unión del extremo del tubo. Por lo tanto, la expansión de la estructura está sujeta a limitaciones de presión y temperatura, siendo generalmente aplicable a una presión de diseño ≤ 4 MPa, una temperatura de diseño ≤ 300 grados y, durante el funcionamiento, sin vibraciones violentas, cambios excesivos de temperatura ni corrosión por tensión significativa.
La soldadura ofrece ventajas como una producción sencilla, alta eficiencia y una conexión fiable. Mediante la soldadura, se mejora la fijación del tubo a la placa tubular; además, reduce los requisitos de mecanizado de los orificios, ahorra tiempo de procesamiento y facilita el mantenimiento, entre otras ventajas. Por ello, su uso debe considerarse prioritario.
Además, cuando la toxicidad del medio es muy alta, la mezcla entre el medio y la atmósfera puede provocar explosiones. Si el medio es radiactivo o la mezcla de materiales dentro y fuera de la tubería tiene un efecto adverso, para asegurar el sellado de las juntas, a menudo se utiliza el método de soldadura. Si bien este método tiene muchas ventajas, no puede evitar por completo la corrosión por hendidura ni la corrosión bajo tensión en los nodos soldados, y resulta difícil obtener una soldadura fiable entre paredes de tubería delgadas y placas de tubería gruesas.
El método de soldadura permite alcanzar temperaturas más elevadas que la expansión, pero bajo la acción de esfuerzos cíclicos a alta temperatura, la soldadura es muy susceptible a fisuras por fatiga, y la separación entre el tubo y el orificio del tubo, al exponerse a medios corrosivos, acelera el deterioro de la junta. Por lo tanto, se utilizan juntas soldadas y de expansión simultáneamente. Esto no solo mejora la resistencia a la fatiga de la junta, sino que también reduce la tendencia a la corrosión por hendidura, prolongando así su vida útil en comparación con el uso exclusivo de la soldadura.
No existe un estándar uniforme sobre en qué ocasiones es apropiado realizar soldaduras y juntas de expansión. Generalmente, cuando la temperatura no es muy alta, pero la presión es muy elevada o el medio es propenso a fugas, se utiliza una soldadura de expansión reforzada y una soldadura de sellado (la soldadura de sellado simplemente evita fugas y facilita la aplicación de la soldadura, sin garantizar su resistencia).
Cuando la presión y la temperatura son muy elevadas, se utiliza soldadura de refuerzo y expansión con pasta (la soldadura de refuerzo, incluso si la soldadura es firme, garantiza que la junta tenga una alta resistencia a la tracción; generalmente se refiere a que la resistencia de la soldadura sea igual a la resistencia de la tubería bajo carga axial durante la soldadura). La función principal de la expansión es eliminar la corrosión por hendidura y mejorar la resistencia a la fatiga de la soldadura. Las dimensiones estructurales específicas están estipuladas en la norma (GB/T151), por lo que no se entrará en detalles aquí.
Para los requisitos de rugosidad de la superficie del orificio de la tubería:
a) Cuando se realiza la conexión soldada entre el tubo del intercambiador de calor y la placa tubular, el valor de rugosidad superficial del tubo Ra no es mayor que 35 µm.
b, una conexión de expansión de placa y tubo de intercambiador de calor simple, el valor de rugosidad de la superficie del orificio del tubo Ra no es mayor que 12,5 µm de conexión de expansión, la superficie del orificio del tubo no debe afectar la estanqueidad de la expansión de defectos, como ranuras longitudinales o espirales.
III. Cálculo del diseño
1. Cálculo del espesor de pared de la carcasa (incluyendo sección corta de caja de tubería, cabeza, cálculo del espesor de pared del cilindro del programa de carcasa) El espesor de pared de la tubería, el cilindro del programa de carcasa debe cumplir con el espesor de pared mínimo en GB151, para acero al carbono y acero de baja aleación, el espesor de pared mínimo es de acuerdo con el margen de corrosión C2 = 1 mm, consideraciones para el caso de C2 mayor que 1 mm, el espesor de pared mínimo de la carcasa debe aumentarse en consecuencia.
2. Cálculo del refuerzo de agujeros abiertos
Para la carcasa que utiliza un sistema de tubos de acero, se recomienda utilizar todo el refuerzo (aumentar el espesor de la pared del cilindro o utilizar tubos de pared gruesa); para la caja de tubos más gruesa en el orificio grande, se debe considerar la economía general.
Ningún otro refuerzo debería cumplir con los requisitos de varios puntos:
① presión de diseño ≤ 2,5 MPa;
② La distancia entre los centros de dos agujeros adyacentes no debe ser inferior al doble de la suma de los diámetros de los dos agujeros;
③ Diámetro nominal del receptor ≤ 89 mm;
④ El espesor mínimo de pared debe cumplir con los requisitos de la Tabla 8-1 (considerar un margen de corrosión de 1 mm).
3. Brida
Al utilizar bridas estándar, se debe prestar atención a que la brida y la junta coincidan, y que los sujetadores sean compatibles; de lo contrario, se debe recalcular la brida. Por ejemplo, una brida plana de soldadura tipo A estándar con su junta correspondiente para juntas blandas no metálicas; si se utiliza una junta de bobinado, se debe recalcular la brida.
4. Placa de tubería
Es necesario prestar atención a los siguientes aspectos:
① Temperatura de diseño de la placa tubular: Según las disposiciones de GB150 y GB/T151, debe tomarse no menos que la temperatura del metal del componente, pero en el cálculo de la placa tubular no se puede garantizar el papel del medio de proceso de la carcasa del tubo, y la temperatura del metal de la placa tubular es difícil de calcular, por lo que generalmente se toma en el lado superior de la temperatura de diseño para la temperatura de diseño de la placa tubular.
② Intercambiador de calor multitubo: en el rango del área de tuberías, debido a la necesidad de establecer la ranura espaciadora y la estructura de la varilla de unión y no fue soportado por el área del intercambiador de calor Ad: fórmula GB/T151.
③El espesor efectivo de la placa tubular
El espesor efectivo de la placa tubular se refiere a la separación del rango de tuberías del espesor de la ranura del mamparo inferior de la placa tubular menos la suma de las dos cosas siguientes
a, margen de corrosión de la tubería más allá de la profundidad de la ranura de partición del rango de profundidad de la tubería
b, margen de corrosión del programa de la carcasa y placa tubular en el lado del programa de la carcasa de la estructura de la profundidad de la ranura de las dos plantas más grandes
5. Conjunto de juntas de dilatación
En el intercambiador de calor de tubos y placas fijo, debido a la diferencia de temperatura entre el fluido en el interior de los tubos y la conexión fija entre la carcasa y los tubos, se produce una diferencia de dilatación entre la carcasa y los tubos, lo que genera una carga axial. Para evitar daños en la carcasa y el intercambiador de calor, su desestabilización y el desprendimiento de los tubos de la placa, se deben instalar juntas de dilatación para reducir la carga axial.
Generalmente, en la diferencia de temperatura entre la carcasa y la pared del intercambiador de calor es grande, por lo que es necesario considerar la colocación de la junta de expansión. En el cálculo de la placa tubular, de acuerdo con la diferencia de temperatura entre las diversas condiciones comunes calculadas σt, σc, q, si alguna de ellas no cumple los requisitos, es necesario aumentar la junta de expansión.
σt - tensión axial del tubo del intercambiador de calor
σc - proceso de la carcasa tensión axial del cilindro
q--La conexión del tubo del intercambiador de calor y la placa tubular de la fuerza de extracción
IV. Diseño estructural
1. Caja de tuberías
(1) Longitud de la caja de tubería
a. Profundidad interior mínima
① En la abertura del único conducto de la caja de tubos, la profundidad mínima en el centro de la abertura no debe ser inferior a 1/3 del diámetro interior del receptor;
② La profundidad interior y exterior del tramo de tubería debe garantizar que el área de circulación mínima entre los dos tramos no sea inferior a 1,3 veces el área de circulación del tubo del intercambiador de calor por tramo;
b, la profundidad interior máxima
Considere si resulta conveniente soldar y limpiar las partes internas, especialmente para el diámetro nominal del intercambiador de calor multitubo más pequeño.
(2) Partición de programa separada
Espesor y disposición de la partición según la Tabla 6 y la Figura 15 de GB151: para un espesor de partición superior a 10 mm, la superficie de sellado debe recortarse a 10 mm; para el intercambiador de calor de tubos, la partición debe colocarse sobre el orificio de drenaje, cuyo diámetro suele ser de 6 mm.
2. Paquete de tubos y carcasa
①Nivel del haz de tubos
Los haces de tubos de nivel I y II, que cumplen con las normas nacionales para tubos de intercambiadores de calor de acero al carbono y acero de baja aleación, aún se distinguen por sus niveles "superior" y "ordinario". Una vez que los tubos de intercambiadores de calor nacionales puedan utilizar tuberías de acero de "nivel superior", los haces de tubos de intercambiadores de calor de acero al carbono y acero de baja aleación ya no tendrán que dividirse en niveles I y II.
La diferencia entre los haces de tubos I y II radica principalmente en que el diámetro exterior del tubo del intercambiador de calor, la desviación del espesor de la pared es diferente, y el tamaño y la desviación del orificio correspondiente son diferentes.
Paquete de tubos de grado 1 con requisitos de precisión más altos; para tubos de intercambiadores de calor de acero inoxidable, solo paquete de tubos de grado 1; para tubos de intercambiadores de calor de acero al carbono de uso común.
② Placa tubular
a, desviación del tamaño del orificio del tubo
Observe la diferencia entre el haz de tubos de nivel I y II.
b, la ranura de partición del programa
La profundidad de la ranura Ⅰ generalmente no es inferior a 4 mm.
Ⅱ Ancho de la ranura de partición del subprograma: acero al carbono 12 mm; acero inoxidable 11 mm
El chaflán de la esquina de la ranura de partición del rango de minutos III es generalmente de 45 grados, y el ancho del chaflán b es aproximadamente igual al radio R de la esquina de la junta del rango de minutos.
③Placa plegable
a. Tamaño del orificio de la tubería: diferenciado por nivel del haz
b, altura de la muesca de la placa plegable del arco
La altura de la muesca debe ser tal que el fluido a través del espacio con un caudal a través del haz de tubos similar a la altura de la muesca generalmente se toma de 0,20 a 0,45 veces el diámetro interior de la esquina redondeada, la muesca generalmente se corta en la fila de tuberías debajo de la línea central o se corta en dos filas de orificios de tubería entre un pequeño puente (para facilitar la comodidad de colocar una tubería).
c. Orientación de la muesca
Sistema unidireccional de fluido limpio con muesca hacia arriba y hacia abajo;
Si el gas contiene una pequeña cantidad de líquido, mueva la muesca hacia arriba, hacia la parte inferior de la placa plegable, para abrir el puerto de líquido;
Líquido que contiene una pequeña cantidad de gas, baje la muesca hacia la parte más alta de la placa plegable para abrir el puerto de ventilación.
Coexistencia gas-líquido o el líquido contiene materiales sólidos, disposición de muescas izquierda y derecha, y apertura del puerto de líquido en el lugar más bajo.
d. Espesor mínimo de la placa plegable; luz máxima sin soporte
e. Las placas plegables en ambos extremos del haz de tubos están lo más cerca posible de los receptores de entrada y salida de la carcasa.
④ Barra de acoplamiento
a) el diámetro y el número de tirantes
Diámetro y número según la selección de la Tabla 6-32, 6-33, para asegurar que el área de la sección transversal de la barra de acoplamiento sea mayor o igual a la dada en la Tabla 6-33 bajo la premisa de que el diámetro y el número de barras de acoplamiento pueden cambiarse, pero su diámetro no debe ser menor de 10 mm, el número no debe ser menor de cuatro
b) La barra de sujeción debe estar dispuesta de la forma más uniforme posible en el borde exterior del haz de tubos. Para intercambiadores de calor de gran diámetro, en la zona de la tubería o cerca del espacio de la placa de plegado debe disponerse un número adecuado de barras de sujeción. Cada placa de plegado debe tener al menos 3 puntos de apoyo.
c. Tuerca de la barra de acoplamiento, algunos usuarios requieren lo siguiente: una tuerca y soldadura de placa plegable
⑤ Placa anti-descarga
a. La instalación de la placa anti-flujo tiene como objetivo reducir la distribución desigual del fluido y la erosión del extremo del tubo del intercambiador de calor.
b. Método de fijación de la placa antilavado
En la medida de lo posible, se fija en el tubo de paso fijo o cerca de la placa tubular de la primera placa plegable, cuando la entrada de la carcasa se encuentra en la varilla no fija en el lateral de la placa tubular, la placa antivuelco se puede soldar al cuerpo del cilindro.
(6) Instalación de juntas de dilatación
a. Ubicado entre los dos lados de la placa plegable
Para reducir la resistencia del fluido en la junta de expansión, si es necesario, en la junta de expansión en el interior de un tubo de revestimiento, el tubo de revestimiento debe soldarse a la carcasa en la dirección del flujo del fluido. Para intercambiadores de calor verticales, cuando la dirección del flujo del fluido es ascendente, se deben instalar orificios de descarga en el extremo inferior del tubo de revestimiento.
b. Juntas de expansión del dispositivo de protección para evitar que el equipo se dañe durante el proceso de transporte o durante el uso de tracción.
(vii) la conexión entre la placa del tubo y la carcasa
a. La extensión también funciona como brida.
b. Placa de tubería sin brida (GB151 Apéndice G)
3. Brida de tubería:
① Si la temperatura de diseño es mayor o igual a 300 grados, se debe utilizar una brida a tope.
② para el intercambiador de calor no se puede utilizar para tomar sobre la interfaz para renunciar y descargar, debe colocarse en el tubo, el punto más alto del curso de la carcasa del purgador, el punto más bajo del puerto de descarga, el diámetro nominal mínimo de 20 mm.
③ El intercambiador de calor vertical puede tener un puerto de rebose.
4. Soporte: Especies GB151 de acuerdo con lo dispuesto en el artículo 5.20.
5. Otros accesorios
① Orejetas de elevación
Las cajas oficiales de mayor calidad que 30 kg y las tapas de las cajas de tuberías deben tener orejetas de sujeción.
② cable superior
Para facilitar el desmontaje de la caja de tuberías, la tapa de la caja de tuberías debe colocarse en el tablero oficial, cable superior de la tapa de la caja de tuberías.
V. Requisitos de fabricación e inspección
1. Placa de tubería
① Juntas a tope de placas de tubos empalmados para inspección por rayos al 100% o UT, nivel calificado: RT: Ⅱ UT: Ⅰ nivel;
② Además del acero inoxidable, tratamiento térmico de alivio de tensiones en la placa de tubería empalmada;
③ Desviación del ancho del puente de orificios de la placa del tubo: según la fórmula para calcular el ancho del puente de orificios: B = (S - d) - D1
Ancho mínimo del puente de agujeros: B = 1/2 (S - d) + C;
2. Tratamiento térmico de la caja de tubos:
Acero al carbono, acero de baja aleación soldado con una partición de rango dividido de la caja de tuberías, así como la caja de tuberías de las aberturas laterales más de 1/3 del diámetro interior de la caja de tuberías del cilindro, en la aplicación de soldadura para tratamiento térmico de alivio de tensiones, la superficie de sellado de la brida y la partición deben procesarse después del tratamiento térmico.
3. Prueba de presión
Cuando la presión de diseño del proceso de la carcasa es menor que la presión del proceso de los tubos, para comprobar la calidad de las conexiones de los tubos y las placas del intercambiador de calor
① El programa de presión de la carcasa aumenta la presión de prueba con el programa de tuberías, de acuerdo con la prueba hidráulica, para verificar si hay fugas en las juntas de las tuberías. (Sin embargo, es necesario asegurar que la tensión de la película primaria de la carcasa durante la prueba hidráulica sea ≤0,9ReLΦ).
② Cuando el método anterior no sea apropiado, la carcasa puede someterse a una prueba hidrostática según la presión original después de pasar, y luego la carcasa para una prueba de fugas de amoníaco o una prueba de fugas de halógeno.
VI. Algunos aspectos a tener en cuenta en los gráficos
1. Indique el nivel del haz de tubos.
2. El tubo del intercambiador de calor debe tener escrito el número de etiqueta.
3. Línea de contorno de la tubería de la placa tubular fuera de la línea sólida gruesa cerrada.
4. Los planos de montaje deben estar etiquetados con la orientación del espacio entre las placas plegables.
5. Orificios de descarga de juntas de expansión estándar, orificios de escape en las juntas de las tuberías, los tapones de las tuberías deben quedar fuera de la imagen.
Fecha de publicación: 11 de octubre de 2023