管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計

摘 要：熱交換器是進(jìn)行熱量交換的高效設(shè)備，在許多行業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用，在實際應(yīng)用中間壁式換熱器的應(yīng)用最為廣泛。管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，工作范圍廣，應(yīng)用材料廣泛等特點，管殼式換熱器在石油化工行業(yè)等高溫高壓大型換熱設(shè)備中應(yīng)用比較廣泛。本論文對散熱器進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器 優(yōu)化 設(shè)計

1.流體在熱交換器內(nèi)流動空間的選擇

在合理設(shè)計時必須選出殼程流體和管程流體，在選擇時要遵循以下幾項原則：

（1）換熱系數(shù)受到限制的那一側(cè)必須采取有效地加強換熱的措施，才會使傳熱面兩側(cè)的傳熱條件相接近。

（2）以節(jié)省原材料為原則盡量提高經(jīng)濟性，特別是貴重部件，以降低制造成本。

（3）結(jié)構(gòu)要合理，以便進(jìn)行清洗積垢，保證運行的可靠性。

（4）當(dāng)熱交換器處于高溫時應(yīng)盡量減小熱損失。

（5）盡量減少殼體和管子之間的溫差熱應(yīng)力，簡化整體結(jié)構(gòu)。

（6）工作條件需要高壓時，應(yīng)盡量使密封簡單可靠。

（7）流體流動時，應(yīng)保證便于流體的流入、分配和排出。

符合以上原則的管程流動流體的合理情況有：容積流量小的流體；不清潔、易結(jié)垢的流體；壓力高的流體；有腐蝕性的流體；高溫流體或是低溫流體在裝置中流動。

在殼程流動流體的合理情況有：容積流量大的流體；剛性結(jié)構(gòu)熱交換器換熱系數(shù)大的流體；飽和蒸汽。

在實際的設(shè)計過程中以上原則之間總會存在一定的矛盾，在優(yōu)化設(shè)計時要充分考慮到經(jīng)濟性、實用性和合理性。

2. 流體溫度和終溫的確定

當(dāng)流體流動方式和換熱面積最終確定時，流體的終溫可由平均溫差法來確定計算。實際運行時流體的溫度對換熱器的結(jié)構(gòu)和運行有著重大影響，因此在設(shè)計時就要事先決定加工的方式。對于多流程熱交換器，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象，否則將使平均溫差下降。

合理的選擇流體溫度和換熱終溫應(yīng)遵循以下原則：

（1）熱端溫差不大于20℃

（2）冷端溫差不大于5℃

（3）冷凝器中，冷流體初溫必須高于熱流體凝固點；對于含有不凝性氣體的冷凝，冷流體的初溫要低于被冷凝氣體的露點以下5℃。

（4）空冷式熱交換器流體出口和空氣進(jìn)口之間的溫差不能低于20℃。

（5）多管程換熱器要盡量避免溫度交叉，必要時可將較小一端的溫差加大到20℃以上。

此外，逐級加熱系統(tǒng)可以有效地提高平均溫差，提高換熱效率。

3. 管子直徑的選擇

采用小直徑的管子可以有效提高設(shè)備體表比，加強傳熱。小直徑的管子可以使單位體積的傳熱面大，因此可以使單位體積的換熱面積增大。根據(jù)計算，將同殼徑的換熱器由Φ25mm改為Φ19mm時，換熱面積可以增加25%。因此可以得出傳熱面一定時，采取小直徑的管子可以節(jié)省材料。但是節(jié)省材料的同時，我們增大了流動阻力，管數(shù)的增加增大了連接處泄露的可能性。管徑減小時，積垢就會變得容易。因此選取管徑時要合理的考慮，但總的趨勢是選擇小的管徑。

選取管壁厚度時要考慮工作壓力，流體對管壁的腐蝕和脹管操作的要求等方面。選擇管子直徑和長度時要盡量選取標(biāo)準(zhǔn)化的管件，后期的運行檢修方便。

4. 流體流動速度的選擇

合理的流速對于換熱器是十分重要的，比較大的流速可以在一定限度內(nèi)提高換熱系數(shù)，但是流速增加阻力也會隨之增加，阻力增加的速率還會高于換熱系數(shù)增加的速率。由阻力計算公式 可知，壓降和流速的相關(guān)性比較大，因此流速的最大值是由壓降所決定的，當(dāng)壓降一定是時，最大流速也就確定了。

在提高流速時還要考慮機械和結(jié)構(gòu)因素，流速提高應(yīng)在避免水力沖擊、振動和沖蝕發(fā)生的前提下進(jìn)行。在結(jié)構(gòu)上，提高流速，管數(shù)減小，為了保證換熱面積就必須增加管子的長度增多程數(shù)，因此會使設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清洗維護(hù)的難度增加。實際操作中，為了達(dá)到合理的設(shè)計，流速一般都會低于最佳流速。

5. 管殼式換熱器的振動與噪音優(yōu)化

5.1 流體產(chǎn)生振動的原因

管殼式換熱器運行時都會產(chǎn)生一定的震動，振動的原因可能為：殼側(cè)和管側(cè)流體流動引起；流體速度的脈動或波動引起；通過支架或管道傳播的動力機械振動引起等等。振動有時候可以是幾個不同的因素共同誘發(fā)的，有的可以預(yù)測改善，而像流體的流動引起的振動不是很容易進(jìn)行控制。

導(dǎo)致振動的原因主要有三個方面：渦流脫落、湍流抖振和流體彈性不穩(wěn)定。

5.2 振動的預(yù)測和預(yù)防

由于振動會對設(shè)備造成很大的危害，因此在設(shè)計時就要充分考慮到誘發(fā)振動的因素，并將這種可能性降到最低。消除換熱器管束中的偏振是防止振動的主要方式。進(jìn)行防振和降振的方法有：

（1）降低殼側(cè)的流速 假如殼側(cè)的流量不變，可以增大管距。這種方法會增大殼體直徑或增加管子的長度

（2）增加管子的固有頻率 管子的固有頻率和支撐跨距的平方呈反比，因而減小支撐跨距可以增加管子的固有頻率。

（3）提高聲震頻率 在殼體中加入減震板，寬度方向和橫流方向平行同時長度方向和管子軸線平行，這樣可以提高聲震頻率，使其與渦流脫落、湍流抖振的頻率不相同。

（4）在結(jié)構(gòu)方面，增加折流板的厚度 當(dāng)孔的間隙一定時，能減輕流體對管子的剪切作用，從而增加系統(tǒng)的阻尼。通常減小振動的方法是在折流板的管孔兩邊加工一定角度的倒角。

除了以上的注意事項以外，還應(yīng)該注意運行中的操作。嚴(yán)格的控制流體流速和流量，合理分配管路等。

6. 管殼式換熱器的熱補償優(yōu)化

由于材料的熱脹冷縮的性質(zhì)，管子的兩側(cè)溫度不同時就會產(chǎn)生熱應(yīng)力，溫差越大熱應(yīng)力就會越大，這種力會引起管子的彎曲變形、管口松裂，泄露等破壞的情況發(fā)生。

為了解決熱應(yīng)力的破壞問題通常采用熱補償?shù)姆椒?，主要有?/p>

（1）減少管子與殼體的溫差，管壁溫度接近換熱系數(shù)比較大的流體的溫度，因此可以將換熱系數(shù)大的流體通過管程，溫度比較低時可以進(jìn)行保溫。

（2）裝置撓性構(gòu)件 在殼體上裝上具有膨脹結(jié)構(gòu)的膨脹節(jié)使殼體有一定的膨脹適應(yīng)作用，因此可以消除一部分的熱應(yīng)力。

（3）使殼體和管束都可以自由伸縮 殼體和管束都有膨脹機構(gòu)可以完全消除熱應(yīng)力。在浮頭式換熱器和U型管式換熱器中應(yīng)用比較多。

（4）彈性管板補償 在高溫高壓條件下工作的管板，其強度要求和減少熱應(yīng)力的要求是相互矛盾的，板厚和熱應(yīng)力的大小是此消彼長的。因此可以在管板的軸向和徑向來消除熱應(yīng)力。

（5）雙套管溫度補償 這種方法多在高溫高壓的情況下采用管程流體出入口和一個環(huán)形空間相連接，使管內(nèi)流體和殼程流體的溫差減少，完全消除熱應(yīng)力。

管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計，在設(shè)計過程中從換熱面積的優(yōu)化，換熱溫差的優(yōu)化等方面入手，結(jié)合所用材料的特性進(jìn)行優(yōu)化。作為一個廣泛應(yīng)用的換熱器，管殼式換熱器在實際的應(yīng)用運行過程中，還可以進(jìn)行運行過程的優(yōu)化。運行的優(yōu)化在工業(yè)生產(chǎn)中有十分重要的作用，本論文就是在實際運行中對換熱器進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計的。

參考文獻(xiàn)

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[4]《換熱器原理及計算》，朱聘冠，清華大學(xué)出版社。1987年第一版，252～257.

作者簡介：

宋航斌（1989-01），男，籍貫：山東省萊陽市，學(xué)歷：本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：電力工程。