浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

于鴻洲 張守偉

（山東旭洋機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，臨沂 276023）

浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

于鴻洲 張守偉

（山東旭洋機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，臨沂 276023）

本文分析浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)，通過分析流體在浮頭式換熱器中的流動(dòng)過程，探討結(jié)構(gòu)局部過熱問題的產(chǎn)生原因，并提出結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。經(jīng)過分析，得到了利用旁路連接浮頭端和殼程的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法，從而有效解決了浮頭式換熱器的局部過熱問題。

浮頭式換熱器 結(jié)構(gòu) 改進(jìn)

引言

在現(xiàn)實(shí)生活中，使用浮頭式換熱器容易出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，這與其內(nèi)部存在結(jié)垢和堵塞等故障有著直接關(guān)系。而在化工生產(chǎn)中使用該種設(shè)備，則容易出現(xiàn)浮頭端局部過熱和結(jié)焦問題。分析導(dǎo)致設(shè)備故障的原因可以發(fā)現(xiàn)，該種換熱器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，容易導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)故障，繼而導(dǎo)致局部因流體滯留而出現(xiàn)過熱問題。

1 浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)分析

圖1為換熱器機(jī)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)組成上來看，浮頭式換熱器可以被劃分成管束、殼程進(jìn)口、折流板、浮頭端管箱和殼程出口等幾部分。其中，管束結(jié)構(gòu)可以抽出，所以換熱器具有清洗方便和適應(yīng)性較強(qiáng)的特點(diǎn)。而浮頭端結(jié)構(gòu)是較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，由浮頭蓋、圓筒、浮頭管板、外頭蓋側(cè)法蘭、外頭蓋及絲孔、鉤圈、鋼圈等組成[1]。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)

2 基于浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

2.1 改進(jìn)思路

在殼程中流體流動(dòng)的過程中，浮頭式換熱器的能量交換滿足質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律。根據(jù)實(shí)際工程中換熱器的幾何尺寸和計(jì)算工況，則可以分析換熱器內(nèi)部的流體流動(dòng)情況。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)可知，換熱器長(zhǎng)度為2500mm，殼體直徑為600mm，折流板間距為500mm，管間距為44mm，浮頭端法蘭與管箱內(nèi)壁的距離為10mm，換熱管直徑為25mm，折流板厚度為5mm。換熱器共有64個(gè)換熱管，采取的是正三角形排列方式，流體為水，密度和動(dòng)力粘度分別為998.2kg/m3和0.001003MPa/s。而殼程的入口壓力為1.45MPa，直徑為150mm；殼程出口壓力為1.35MPa，直徑為150mm[2]。

2.2 流體流動(dòng)過程分析

完成流體流動(dòng)情況分析可以發(fā)現(xiàn)，流體在流經(jīng)折流板缺口時(shí)，會(huì)受到折流板的作用。對(duì)殼程流體速度矢量分布情況進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)流體在折流板作用下會(huì)在殼程內(nèi)反復(fù)擾流。流經(jīng)法蘭與浮頭管箱內(nèi)壁和勾圈的間隙后，流體會(huì)進(jìn)入浮頭端管箱，并且出現(xiàn)明顯的速度變化。具體來講，就是在入口的位置時(shí)，流體擁有較快的流速，而到了浮頭端管箱后，流體速度會(huì)因?yàn)槿莘e擴(kuò)展而明顯降低。這種條件下，浮頭端管箱內(nèi)將有低流速的區(qū)域形成。而隨著流體流速的降低和壓力的損失，流體會(huì)在管箱內(nèi)出現(xiàn)滯留情況，繼而形成局部溫度升高的現(xiàn)象。

2.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法

流體滯留情況的存在，并不利于浮頭式換熱器進(jìn)行熱量的交換。所以，要通過改進(jìn)換熱器結(jié)構(gòu)消除浮頭端的流體滯留現(xiàn)象。為達(dá)成這一目標(biāo)，可以采取兩種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法。首先，可以使用旁路進(jìn)行浮頭端和殼程入口連接，同時(shí)設(shè)置流出旁路，如圖2（a）所示。其次，可以利用旁路連接浮頭端和殼程，并設(shè)置流出旁路，如圖2（b）所示。

圖2 兩種結(jié)構(gòu)方案示意圖

為獲得最佳的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法，需要對(duì)使用不同方法改進(jìn)得到的浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果進(jìn)行分析。在設(shè)置旁路時(shí)，需要在確保浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，對(duì)換熱器垂直對(duì)稱面進(jìn)行水平投影。在此基礎(chǔ)上，則可以將投影當(dāng)成是旁路抽線，并在管箱上進(jìn)行開口設(shè)置。在管箱下方，可以進(jìn)行流出旁路的設(shè)置。在上方的開口處，則可以利用旁路將浮頭端和殼程連接起來。在下方開口處，可以利旁路量殼程入口與浮頭端連接起來。然而，進(jìn)行旁路加設(shè)容易導(dǎo)致?lián)Q熱器殼程流體流動(dòng)受到影響，繼而使流體的流量受到影響。為避免這一問題出現(xiàn)，還要根據(jù)殼程容積和浮頭端管箱容積進(jìn)行分析。根據(jù)二者的比值，可以將流入旁路內(nèi)徑設(shè)為50mm，流出旁路的內(nèi)徑則為40mm。

分析改進(jìn)效果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改進(jìn)的兩種結(jié)構(gòu)的流體滯留問題都得到了一定程度的改善，并且殼程流體的形態(tài)和速度基本沒有變化。與此同時(shí)，流出旁路中的流體擁有較大的速度，所以可以認(rèn)為流體在浮頭端的流動(dòng)已經(jīng)變得順暢。但是，使用旁路進(jìn)行浮頭端和殼程入口的連接，將導(dǎo)致殼程入口流量受到影響。所以，應(yīng)選擇利用旁路進(jìn)行浮頭端和殼程連接的方式進(jìn)行換熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

3 結(jié)論

總之，相較于管殼式換熱器，浮頭式換熱器具有適應(yīng)性強(qiáng)、便于清洗和選材范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，該種換熱器容易形成流體滯留浮頭管箱的問題，限制了換熱器的推廣應(yīng)用。而利用本文提出的方法進(jìn)行換熱器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，則能夠避免換熱器出現(xiàn)堵塞和結(jié)垢的問題，繼而有利于換熱器的推廣應(yīng)用。

[1]郭建章，楊茜，姜大鵬.浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及流場(chǎng)模擬分析[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版，2014，（2）：116-120.

[2]張海峰，唐平.一種浮頭式管板換熱器的設(shè)計(jì)[J].科技信息，2011，（18）：362-363.

Improved Structure of Heat Exchangers

YU Hongzhou, ZHANG Shouwei
(Shandong Asahi machinery group, Limited by Share Ltd, Linyi 276023)

This paper analyses based on floating head for the structure of heat exchanger, through the analysis of the fluid in the floating head for the flow process in the heat exchanger and explore local overheating problem of structure causes, and put forward the improvement measures of the structure. After analysis, using bypass connection floating head and the shell structure improvement method, so as to effectively solve the floating head heat exchanger of local overheating problems.

floating head heat exchanger, structure, improvement