淺析管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)

翟向輝 李楠

【摘要】隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)管殼式換熱器的研究及應(yīng)用得到了快速的發(fā)展，能夠進(jìn)一步滿足社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，為我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)的穩(wěn)定、可持續(xù)性發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。本文通過(guò)管殼式換熱器的產(chǎn)品概述和工作原理介紹，分析管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題，然后進(jìn)一步分析工藝設(shè)計(jì)的原理以及方法，并通過(guò)選擇并確定合理的方法完善工藝設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】管殼式換熱器；設(shè)計(jì)；問(wèn)題

隨著人們生活水平質(zhì)量日益提高，細(xì)節(jié)品質(zhì)更加受到人們的重視。熱能作為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦胁豢苫蛉钡慕M成部分，其提供方式一直受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，管殼式換熱器作為熱能提供的主要設(shè)備之一，始終受到普遍應(yīng)用和重視，其技術(shù)和發(fā)展速度又有所提高。但是還要不斷的結(jié)合先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行完善和創(chuàng)新，完善其工藝過(guò)程設(shè)計(jì)，才能夠從根本上保障熱能的穩(wěn)定性和質(zhì)量。

1、管殼式換熱器的概述

1.1 管殼式換熱器的概念。管殼式換熱器憑借其諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了人們的認(rèn)可并且廣泛的應(yīng)用到生產(chǎn)和生活中，比如化工、石油以及能源等諸多領(lǐng)域，它是以封閉在殼體中的管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。其主要由殼體、傳熱管束、管板以及折流板等部件組成，其具有操作方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且適合高溫和高壓工作等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 管殼式換熱器的工作原理。管殼式換熱器是通過(guò)傳熱管束來(lái)完成液體汽化成蒸汽或者蒸汽冷凝成液體等過(guò)程中的熱量傳遞，管殼式換熱器的殼體主要是以圓筒的形式為主，內(nèi)部有管束并且將其固定在管板的兩端，進(jìn)而將其分為兩種換熱流體。其一，管程流體，主要就是指在管束內(nèi)流動(dòng)的流體。其二，殼程流體，其主要就是指管外流動(dòng)的流體。同時(shí)，殼體內(nèi)還設(shè)置有若干擋板，擋板不僅能夠使流體根據(jù)規(guī)定的路程進(jìn)行多次橫向的流動(dòng)，還能夠有效的提高殼程流體的速度，從而有效的提高管外流體的傳熱系數(shù)。

管板上的換熱管可分為等邊三角形和正方形兩種排列方式：其中等邊三角形的排列方式是通過(guò)增加換熱管之間的緊湊程度從而提高傳熱系數(shù)，但不便于清洗；正方形的排列方式適用于比較容易產(chǎn)生結(jié)垢的流體，其優(yōu)點(diǎn)就是便于清洗。

2、管殼式換熱器設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)

2.1 存在鋼板、鋼管負(fù)偏差問(wèn)題。目前，我國(guó)管殼式換熱器結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中往往會(huì)面臨著鋼板以及鋼管負(fù)偏差的問(wèn)題，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員必須要加以重視。鋼板的負(fù)偏差會(huì)導(dǎo)致管殼式換熱器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)不足。鋼管負(fù)偏差問(wèn)題主要可以分為兩大類(lèi)：其一，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候管束存在著問(wèn)題，進(jìn)而會(huì)對(duì)管板和折流板管孔之間的公差精度造成一定的影響；其二，換熱管本身的材質(zhì)也會(huì)對(duì)管孔公差帶來(lái)一定的影響，從而在一定程度上直接影響到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的效果。

2.2 劃類(lèi)、程數(shù)問(wèn)題。我國(guó)目前的實(shí)際配件能力還比較低，對(duì)于工藝性能的結(jié)構(gòu)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工藝的基本要求。管殼式換熱器在壓力容器管理的時(shí)候，并沒(méi)有嚴(yán)格的按照相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)提出設(shè)計(jì)要求和制造技術(shù)的要求。并且在進(jìn)行類(lèi)別劃分的時(shí)候，并沒(méi)有按照相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何容積的取值，從而導(dǎo)致管殼式換熱器在劃類(lèi)和管程分程方面存在著比較大的問(wèn)題。

2.3 熱處理問(wèn)題。管殼式換熱器的浮頭蓋以及管箱在進(jìn)行熱處理的時(shí)候面臨著一定的問(wèn)題，無(wú)法對(duì)低合金鋼以及碳鋼制的浮頭蓋以及管箱的側(cè)向進(jìn)行熱處理。另外，由于冷軋換熱管并沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的熱處理工作，進(jìn)而無(wú)法提高鋼管本身的耐應(yīng)力腐蝕，黃銅等有色金屬冷軋的換熱管也沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何的熱處理工作。

3、前端管箱的選取原則

在GB151中分別列出了A、B、C、N、D五種前端管箱型式，這五種前端管箱都是固定的形式。從其結(jié)構(gòu)上看，B型管箱維護(hù)時(shí)，需要移去整個(gè)前端管箱，比較麻煩，但其造價(jià)便宜，適合清潔介質(zhì)；A、C、N型管箱都可以通過(guò)拆除前端管箱的法蘭蓋進(jìn)行維護(hù)；C型管箱的管板與管箱是集成一體的；N型管箱除管板管箱集成外，還將管板和殼體之間直接焊接，以減少泄漏；D型管箱為特殊高壓管箱。

4、換熱管的選取原則

在GB151中給出了不同材質(zhì)的常用管換熱規(guī)格和偏差。經(jīng)過(guò)計(jì)算，同樣的金屬材料和壁厚，小管徑的換熱管可以提供更大的換熱面積，管子排布更緊湊，造價(jià)更加便宜。以外徑分別為25mm和19mm，壁厚為2mm的換熱管為例計(jì)算，每立方米鋼材可以提供的換熱面積依次是0.379m2/m3和0.559m2/m3，后者比前者的換熱面積增加47.5%。因此在做換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇小外徑的換熱管。

但是當(dāng)外徑小于19mm時(shí)，進(jìn)行機(jī)械清理十分困難，只能用化學(xué)方法清理。所以易結(jié)垢結(jié)塊的物料不宜采用小外徑的換熱管，應(yīng)盡量采用外徑25mm及以上的管子。對(duì)于有汽液兩相流的物流，例如再沸器、鍋爐等，多采用32mm的外徑。

5、管殼換熱器的工藝設(shè)計(jì)原理與方法

5.1 Colburn2Donohue法。由于管殼式換熱器會(huì)受到殼側(cè)流動(dòng)以及傳熱過(guò)程中一些因素的影響，早在上個(gè)世紀(jì)三十年代由Colburn提出了以理想管排數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的殼側(cè)傳熱系數(shù)計(jì)算公式，但是由于換熱器內(nèi)部的流體傳熱和流動(dòng)阻力是同時(shí)進(jìn)行的，二者相互制約，所以導(dǎo)致這公式存在著一定的局限性。隨著時(shí)代的變化和發(fā)展，Donohue在Colburn公式的基礎(chǔ)上不斷的完善，在設(shè)計(jì)計(jì)算中加入了換熱器流體傳熱以及流動(dòng)阻力的考慮，從而提出了比較完整的管殼式換熱器綜合設(shè)計(jì)方法，即Colburn2Donohue法。

5.2 Kern法。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在Colburn2Donohue法的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的完善，由Kern對(duì)傳熱溫度的分布以及污垢結(jié)構(gòu)等方面的問(wèn)題進(jìn)行了綜合考慮，有利于管殼式換熱器的進(jìn)一步發(fā)展，被業(yè)內(nèi)廣泛的認(rèn)可，即Kern法，是目前管殼式換熱器的重要設(shè)計(jì)參考書(shū)。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，社會(huì)各個(gè)行業(yè)對(duì)管殼式換熱器的需求日益增多，并且對(duì)其要求越來(lái)越高。為了能夠滿足社會(huì)各界對(duì)管殼式換熱器的需求，換熱器在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要注重以上所提到的問(wèn)題，并選擇合適的計(jì)算方法，從根本上保障換熱器的質(zhì)量和效率。

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