管殼式換熱器的設(shè)計(jì)

王萌萌 李彩霞 許世峰 王斯民 文 鍵

(西安交通大學(xué)，a. 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院；b. 能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

管殼式換熱器的應(yīng)用歷史悠久，具有選材范圍廣、清洗較方便、適應(yīng)性強(qiáng)、處理能力大、易制造、成本低及能承受高溫、高壓等特點(diǎn)。因此在化工、石油、能源、冶金、機(jī)械及建筑等行業(yè)的應(yīng)用中仍處于主導(dǎo)地位[1]，達(dá)到換熱器使用總量的90%。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管殼式換熱器做了大量研究，分析了影響管殼式換熱器性能的各種設(shè)計(jì)過(guò)程和幾何結(jié)構(gòu)因素，如管板間隙、支座的設(shè)置、折流板間距、折流板開口率及換熱管排列方式等問(wèn)題。但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中依然存在很多問(wèn)題是標(biāo)準(zhǔn)中不常提到的，這些也需要引起注意。

換熱器設(shè)計(jì)的好壞直接影響到它是否可以長(zhǎng)期安全穩(wěn)定的操作。筆者介紹了管殼式換熱器設(shè)計(jì)的基本步驟和設(shè)計(jì)過(guò)程中幾個(gè)需要注意的問(wèn)題。

1 管殼式換熱器的設(shè)計(jì)步驟

1.1 傳熱設(shè)計(jì)

傳熱設(shè)計(jì)首先應(yīng)該根據(jù)已知的工藝條件(管殼程的流動(dòng)介質(zhì)、進(jìn)出口溫度及流體流量等)確定冷熱流體的物性參數(shù)，即由介質(zhì)的定性溫度查取密度、定壓比熱、熱導(dǎo)率和動(dòng)力粘度。初步確定換熱器的換熱面積和結(jié)構(gòu)尺寸，并對(duì)換熱器的管程換熱系數(shù)和殼程換熱系數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算。

然后是工藝數(shù)據(jù)的確定：如未知流體流量、流徑、流速、污垢熱阻、總的換熱系數(shù)及允許的壓力降等。由熱負(fù)荷的確定計(jì)算出未知流體的流量。流徑的選取要考慮到壓力、溫度、結(jié)垢和清潔性的問(wèn)題。壓力、溫度較高和易結(jié)垢的流體走管程，可以減少殼體的厚度，節(jié)省材料，便于控制和清洗，且高溫流體會(huì)降低材料的許用應(yīng)力，高溫流體走管程可節(jié)省保溫層、減少殼體的厚度。對(duì)于流速的選擇，不同的流體與相應(yīng)的流速范圍，可參考相關(guān)書籍[2]。一般來(lái)說(shuō)，流速越高，換熱系數(shù)越高且可以防止結(jié)垢。但是流速越高會(huì)引起相應(yīng)的壓力降增大，設(shè)備的動(dòng)力消耗增大，同時(shí)在高流速橫向流的沖擊下，管子容易發(fā)生振動(dòng)。因此應(yīng)結(jié)合各側(cè)的換熱系數(shù)和壓力降情況進(jìn)行綜合考慮。污垢熱阻可參考GB 151-1999附錄F中污垢熱阻的值確定[3]。傳熱系數(shù)的確定可根據(jù)查取的物性參數(shù)按照設(shè)計(jì)手冊(cè)上相關(guān)的公式進(jìn)行計(jì)算核對(duì)，有相變的傳熱膜系數(shù)可參考有相變換熱器殼程介質(zhì)換熱系數(shù)來(lái)確定，這里不再詳述。

進(jìn)一步需要確定換熱器的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：殼體形式、管程數(shù)、管子排列及折流板形式等。這些參數(shù)的確定在GB 151-1999和設(shè)計(jì)手冊(cè)中都有明確的標(biāo)準(zhǔn)。在管程流量較小的情況下，可以增加管程數(shù)，增大管程流體流速，得到更好的換熱效果。布管方式主要有等邊三角形、正方形及同心圓布管等，等邊三角形布管時(shí)管子數(shù)目更多，相應(yīng)換熱面積更大，而正方形布管時(shí)，管子數(shù)量相對(duì)較少，便于清洗。折流板的形式有單弓形、雙弓形及三弓形等，在工程中一般換熱器用單弓形折流板的較多[4]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)傳熱設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行換熱器結(jié)構(gòu)的確定，主要包括：管箱、管板、接管、支座、膨脹節(jié)及靜電板等的設(shè)計(jì)[5]。主要依據(jù)GB 151-1999和錢頌文主編的《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。管箱的作用是把由管道來(lái)的管程流體均勻分布到各傳熱管并把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還起到改變流體流向的作用。管箱主要結(jié)構(gòu)形式有：A 型(平蓋管箱)、 B型(封頭管箱)、 C型管箱(用于可拆管束與管板做成一個(gè)整體)和N型管箱(與管板制成一體的固定管板管箱)。其中B型管箱方便制造，適于高壓、清潔介質(zhì)，可省掉一塊造價(jià)高的盲板、法蘭和幾十對(duì)螺栓，且橢圓型封頭受力情況要比平端蓋好得多。所以在一般設(shè)計(jì)過(guò)程中，DN≤400mm時(shí)選取平蓋管箱，500mm≤DN≤800mm時(shí)為平蓋管箱和封頭管箱，推薦使用封頭管箱。DN≥900mm時(shí)為封頭管箱[6]。管板的設(shè)計(jì)中，管孔中心距的設(shè)計(jì)一般不得小于1.25倍的換熱管外徑。對(duì)于分程隔板槽兩側(cè)相鄰管孔中心距要求不小于中心距加上隔板槽寬度。布管區(qū)的最大直徑必須小于布管限定圓的要求，以便于安裝和制造。

膨脹節(jié)是由一個(gè)或幾個(gè)波紋管及結(jié)構(gòu)件組成的用來(lái)吸收由于熱脹冷縮等原因引起的設(shè)備尺寸變化的部件。在管板的計(jì)算中，按有溫差的各種工況計(jì)算出的殼體軸向力、換熱管軸向應(yīng)力、換熱管和管板之間的連接拉脫力中，有一個(gè)不能滿足強(qiáng)度條件時(shí)，就需要設(shè)置膨脹節(jié)。對(duì)于立式換熱器，膨脹節(jié)應(yīng)盡量設(shè)置于支座的下方，使設(shè)備重心盡量低于支座支撐平面，以提高設(shè)備的穩(wěn)定性。對(duì)于管束和管板的連接設(shè)計(jì)，有脹接和焊接兩種，脹接一般用于溫度和壓力略低的情況下，焊接則要求材料具有可焊接性，常用的還有脹接和焊接并用的情況[7～10]。

2 管殼式換熱器設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題

2.1 負(fù)壓換熱器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

當(dāng)殼程壓力為負(fù)壓時(shí)，管程設(shè)計(jì)壓力大于殼程設(shè)計(jì)壓力，因此首先涉及到一個(gè)殼程試驗(yàn)壓力的選取問(wèn)題。一般用0.9φReL(φ為焊接接頭系數(shù)，ReL為筒體材料的屈服強(qiáng)度)的應(yīng)力值計(jì)算殼程的試驗(yàn)壓力，以盡量提高殼程試驗(yàn)壓力使其達(dá)到管程試驗(yàn)壓力，此時(shí)必須對(duì)殼程其他受壓元件是否也能承受在此試驗(yàn)壓力下的強(qiáng)度及密封性能等進(jìn)行核算。同時(shí)也需要對(duì)管程壁厚和靠空補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行校核。再在殼程用氨滲漏試驗(yàn)[11]。

2.2 相變換熱器殼程介質(zhì)的傳熱系數(shù)的確定

GB 151-1999中關(guān)于大多數(shù)管程和殼程傳熱系數(shù)的參考都是以介質(zhì)無(wú)相變?yōu)榍疤岬?。而蒸汽冷凝變成液體或液體沸騰變成蒸汽都是有相變的傳熱過(guò)程，例如蒸汽冷凝作為一種加熱方法在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。這類傳熱過(guò)程的特點(diǎn)是在流體溫度保持不變的情況下相變流體要放出或吸收大量的潛熱，因而對(duì)流傳熱膜系數(shù)比無(wú)相變時(shí)要大得多。

對(duì)于垂直管外的冷凝膜系數(shù)的確定，1916年，Nusselt W首先提出了純凈蒸汽層流膜狀冷凝計(jì)算式。他假定生成的冷凝液沿壁面呈層流流動(dòng)，壁溫是恒定的，且氣液界面無(wú)溫差，壁面和蒸汽之間保持一定的溫差[6，12]。由上述假設(shè)，推導(dǎo)出計(jì)算垂直管上的冷凝傳熱膜系數(shù)的方程式為：

(1)

式中l(wèi)——管長(zhǎng)，m；

Δt——飽和蒸汽溫度t0與壁面溫度tw的差值，℃；

γ——冷凝潛熱，J/kg；

λL——膜溫下凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

μL——膜溫下凝液的粘度，Pa·s；

ρL——膜溫下凝液的密度，kg/m3。

冷凝潛熱按膜溫tb查取，其余物性按液膜溫度tL查取。

(2)

(3)

當(dāng)Re>2100，式(1)可表示為：

(4)

式中G——冷凝負(fù)荷；

g——重力加速度；

α——冷凝傳熱膜系數(shù)。

另外，垂直管內(nèi)冷凝傳熱膜系數(shù)也可通過(guò)查表圖1進(jìn)行計(jì)算。

圖1 有相變的垂直管內(nèi)冷凝傳熱膜系數(shù)圖

對(duì)于純蒸汽冷凝，冷凝膜系數(shù)主要取決于液膜的厚度和冷凝液的性質(zhì)，在流體不變的情況下，強(qiáng)化傳熱的主要方法即是減薄液膜的厚度，例如在垂直管上開縱向的溝槽以及安裝翅片等方法均可以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的作用。

2.3 耳式支座墊板材料的選取

耳式支座中墊板的材料之所以要與殼體材料相近或相同，是因?yàn)橐苊庳氥t現(xiàn)象的發(fā)生，貧鉻是指不銹鋼中的C元素與晶界處的Cr結(jié)合，形成Cr23C6并析出，使晶界處的 Cr 含量降低。形成不銹鋼表面或內(nèi)部局部鉻含量低于平均含量的區(qū)域。貧鉻區(qū)的出現(xiàn)，通常是碳化鉻析出的結(jié)果。由于鉻是保證不銹鋼耐腐蝕性的元素，貧鉻區(qū)往往優(yōu)先發(fā)生腐蝕。如果筒體材料為不銹鋼，不銹鋼中沿晶界析出碳化鉻后導(dǎo)致晶界附近貧鉻，從而容易發(fā)生晶間腐蝕。

2.4 靜電板位置的設(shè)計(jì)

對(duì)于容器內(nèi)容易產(chǎn)生靜電的介質(zhì)，例如低電導(dǎo)率的液化烴、可燃液體(如石腦油、汽油、煤油、柴油及液化石油氣等)，在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中都可能因靜電而導(dǎo)致燃燒爆炸[13]。液體在貯運(yùn)、生產(chǎn)過(guò)程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起電荷的分離、積累和放電，而成為一種引火源。在實(shí)踐中，如設(shè)計(jì)、操作不當(dāng)，液體靜電將形成一種潛在的火災(zāi)隱患。因此應(yīng)在設(shè)備上設(shè)置靜電板以防止意外的發(fā)生。如果管程介質(zhì)是危險(xiǎn)介質(zhì)，則對(duì)靜電板的位置并無(wú)太大要求，一般置于設(shè)備偏下部；但是如果殼程介質(zhì)是危險(xiǎn)介質(zhì)，則將靜電板置于筒體上而非管箱上，因?yàn)橥搀w和管箱之間的法蘭中的橡膠墊片，隔斷了靜電的傳遞，容易發(fā)生危險(xiǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析可知，殼程壓力為負(fù)壓時(shí)，一般可以采取增加殼體厚度或者采用殼程所能承受最大壓力作為試驗(yàn)壓力的措施以盡量提高殼程試驗(yàn)壓力以接近管程試驗(yàn)壓力，另外還需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核，使p<[p]，則設(shè)備穩(wěn)定性校核合格。有相變時(shí)的傳熱系數(shù)要根據(jù)冷凝傳熱膜系數(shù)方程或冷凝傳熱膜系數(shù)圖來(lái)確定。耳式支座墊板材料之所以要選取與殼體材料相近或相同，是為了防止筒體材料為不銹鋼時(shí)，兩者連接界面處發(fā)生貧鉻現(xiàn)象。而靜電板的位置一般處于筒體偏下方而不置于管箱上。這樣才能盡量釋放靜電，保證設(shè)備的安全性。以上問(wèn)題的分析，為換熱器的設(shè)計(jì)提供了更多的理論依據(jù)和實(shí)際方法，保證設(shè)備能更加安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

[1] 董其伍，張奎.換熱器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

[2] 梁潞華.管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討[J].化學(xué)工程與裝備，2009，(6)：33～35.

[3] GB 151-1999，管殼式換熱器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[4] 鄭津洋，董其伍，桑芝富.過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5] GB 150-1999，鋼制壓力容器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[6] 錢頌文，朱冬生，李慶領(lǐng)，等.管式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[7] 王海波，劉鵬，王曉明.管殼式換熱器殼程流動(dòng)分析與部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)備，2005，34(4)：22～25.

[8] JB 4732-1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[9] 李珍，李桂菊，欒學(xué)軍.管殼式換熱器設(shè)計(jì)中的幾個(gè)常見問(wèn)題[J] .化學(xué)工程與裝備，2012，(4)：94～95，104.

[10] 白志國(guó).管殼式換熱器的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)造船，2002，43(z1)：256～258.

[11] 袁文，張文華.關(guān)于換熱器畢業(yè)設(shè)計(jì)中常見的問(wèn)題探討[J].黑龍江科技信息，2010，(36)：38.

[12] 董其伍，劉敏珊，蘇立建.管殼式換熱器研究進(jìn)展[J].化工設(shè)備與管道，2006，43(6)：18～22.

[13] 鄧先和，張亞君.殼側(cè)多通道并流進(jìn)出口結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器[P].中國(guó)：1719176，2006-01-11