對列管式換熱器設(shè)計問題的探討

于　鵬　王二龍

（國家熱交換產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，吉林四平　136000）

對列管式換熱器設(shè)計問題的探討

于鵬王二龍

（國家熱交換產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，吉林四平136000）

換熱器是建筑行業(yè)采暖必備裝置之一，也是節(jié)能措施中比較重要的裝置。近些年，一些新技術(shù)、新工藝及新材料的應用，使換熱器得到廣泛應用。所以，不管是從工作發(fā)展的角度，還是從能源利用方面，對換熱器進行科學合理的設(shè)計、分析具有重要意義。本文首先對列管式換熱器基本結(jié)構(gòu)及其類型進行介紹，對列管式換熱器設(shè)計進行研究。

列管式換熱器設(shè)計冷卻器節(jié)能

1　引言

列管式換熱器是換熱器中的一種，隨著新技術(shù)的發(fā)展，在石油、化工行業(yè)取得比較廣泛的應用。本文對有關(guān)列管式換熱器設(shè)計進行研究和探討，不足之處，敬請指正。

2　列管式換熱器基本結(jié)構(gòu)及其類型

2.1基本結(jié)構(gòu)

列管式換熱器的基本結(jié)構(gòu)包括殼體、管板、換熱管及封頭等，其中最為核心的部位是傳熱管，數(shù)根傳熱管進行組合就是傳熱管束，將其固定于管殼中，即形成列管式換熱器。列管式換熱器的工作原理是把熱流體由進口傳入熱管內(nèi)部，和冷流體之間交匯后換熱，溫度下降后經(jīng)過出口排出，冷流體經(jīng)過空氣進口傳入末節(jié)換熱器，通過橫流的方式換熱，經(jīng)過隔流板發(fā)生折流，然后經(jīng)過第二節(jié)換熱器，繼而是第二次折流，然后經(jīng)過換熱器，最后溫度較高的冷流體進入需熱裝置。

2.2類型

列管式換熱器的類型一般是按照管板和管殼之間的聯(lián)結(jié)方式進行劃分，包括固定管板式、U形管式、浮頭式、雙管板式及插管式。其中，固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)較為簡單，制造成本相對較低，在小型爐上有廣泛應用，但是管道外側(cè)難以清掃，而且冷熱流體溫度的差異較大，管殼材質(zhì)很容易發(fā)生熱膨脹而產(chǎn)生斷裂，比如KFW型爐換熱器為典型代表；U形管式換熱器是以其傳熱管形狀命名，一頭是管板，另外一頭是懸空的狀態(tài)，管子能夠自由膨脹，管板及管束也能夠隨意取出，便于清掃，但是傳熱管道內(nèi)部無法清掃，更換也較困難；浮頭式換熱器下端管板和管殼是連接在一起的，上端管板為浮動式，能夠自由移動。具有結(jié)構(gòu)牢靠、便于安裝、無熱膨脹效果等優(yōu)點，但是造價較高，浮動管板密封性要求高。

3　列管式換熱器設(shè)計

列管式換熱器設(shè)計，一方面要確保傳熱需求，另一方面還要求傳熱效率達到設(shè)計規(guī)范，而且體積小、質(zhì)量輕、消耗材料少、制造成本經(jīng)濟、便于維護及安全性能等，所以列管式換熱器設(shè)計要先按照化工生產(chǎn)工藝條件及其相關(guān)要求對化工工藝進行計算，得出換熱器的傳熱面積，然后逐個確定管徑、管長、管數(shù)、管程數(shù)以及殼程數(shù)，最后進行機械設(shè)計。機械設(shè)計的主要內(nèi)容包括：

（1）殼體直徑、客體壁厚；（2）換熱器封頭型號、壓力容器法蘭；（3）管板尺寸；（4）管子拉脫力計算；（5）折流板計算；（6）溫差應力；（7）接管、接管法蘭、開孔補強。

3.1設(shè)計過程

表1　設(shè)計參數(shù)

首先，對換熱器類型進行選擇，按照表1相關(guān)設(shè)計參數(shù)，可以得知兩種不同的流體溫度變化，換熱器選用自來水進行冷卻，同時也考慮到換熱器管壁溫度和殼體溫度之間的溫差會比較大，所以初步?jīng)Q定使用U型管式換熱器。

因為冷卻水比較容易產(chǎn)生水垢，為了方便清洗，要確保循環(huán)水走管程，空氣走殼程，按照管內(nèi)流體流速范圍參數(shù)值，選擇管內(nèi)流速為1m/s。因為熱流體是空氣，而冷流體是水，都是沒有腐蝕性的物質(zhì)，因此可以選擇經(jīng)濟適用的碳鋼作為換熱器的材質(zhì)，即是碳鋼管。

3.2設(shè)計計算

首先，計算換熱器的熱負荷。通過熱流體對熱負荷進行計算：

其次，計算平均傳熱溫差：

然后，可以確定冷卻水用量為

最后，得出總傳熱系數(shù)0K，管壁導熱系數(shù)為45W/（m2℃），0K為660.1W/（m2℃），傳熱面積進行計算，得到S=1.15× S′=1.15× 43.86=50.44（m2）。

3.3工藝結(jié)構(gòu)尺寸

經(jīng)過設(shè)計和計算的環(huán)節(jié)，確定換熱器管程的數(shù)量是2管程；傳熱管總根數(shù)是356根；管程排列每程內(nèi)是按照正方形進行排列，隔板周圍也是按照正方形排列，管心距是32mm；橫過管束中心線管數(shù)是23根；殼體內(nèi)徑是900mm；拆流板間距是500mm；拆流板數(shù)量是3塊；殼程流體接管內(nèi)徑是0.451m，管程流體接管內(nèi)徑是0.218m。

3.4換熱器內(nèi)流體流動阻力

因此，可以得到管程流動阻力式：

殼體阻力：

總阻力：

確保流動阻力始終處于允許的范圍之內(nèi)，從而達到設(shè)計要求，結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)計符合相關(guān)技術(shù)標準。

4　結(jié)語

綜上所述，列管式換熱器具有結(jié)構(gòu)牢靠、耐高壓的特點，而且制造工藝相對比較成熟，具有很強的適應性，且材料選擇范圍比較廣泛，因此在諸多工業(yè)行業(yè)中都有應用。本文對列管式換熱器設(shè)計進行研究，按照設(shè)計參數(shù)，對換熱器的熱負荷、平均傳熱溫差、冷卻水用量、總傳熱系數(shù)進行計算，得出傳熱面積，經(jīng)過設(shè)計和計算的環(huán)節(jié)確定工藝結(jié)構(gòu)尺寸，最后經(jīng)過換熱器內(nèi)流體流動阻力驗證發(fā)現(xiàn)，列管式換熱器設(shè)計確保流動阻力始終處于允許的范圍之內(nèi)，從而達到設(shè)計要求，結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)計符合相關(guān)技術(shù)標準。

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