淺談U形管式換熱器設(shè)計(jì)

吳成義++張磊+++曹野

摘 要：管殼式換熱器具有可靠性高、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，在各工業(yè)領(lǐng)域中得到最為廣泛的應(yīng)用。近年來盡管受到了其他新型換熱器的挑戰(zhàn)，單反過來也促進(jìn)的其自身的發(fā)展。在換熱器向高參數(shù)大型化發(fā)展的今天，管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位。根據(jù)管殼式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式和釜式重沸器等，本文主要介紹U形管式換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)和設(shè)計(jì)中需要注意的問題。

關(guān)鍵詞：換熱器；管殼式換熱器；U形管式換熱器

引言

U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，只有一塊管板，管束由多根U形管組成，換熱管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U形換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。

但由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低；殼層流體易容易形成短路，對傳熱不利，當(dāng)管子泄漏或損壞時，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不易更換，最直接的辦法就是堵死，這就相當(dāng)于壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根直管；如若更換，在工作量上就相當(dāng)巨大，就不如直接更換管束部件。

U形管式換熱器的最大特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜，承壓能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)結(jié)垢需要去清洗，又不適于采用浮頭式和固定管板的場合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的物料。

一、設(shè)計(jì)中常見問題

1、材料方面

換熱器千變?nèi)f化，其使用材料也是各種各樣，材料不同，其使用功能也有一定的差異，影響著換熱器的換熱效果，所以材料的選擇在換熱器的設(shè)計(jì)中非常重要。另一方面，在材料的選擇上，需要考慮的因素比較多，比如客戶的喜好、換熱器運(yùn)行的環(huán)境、使用人員的不同、工藝的要求、體型的差異等等。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)的時候，仍然會出現(xiàn)各種的干擾因素，影響對換熱器材料的選擇。比如用戶要求降低厚度，那么設(shè)計(jì)人員又要重新根據(jù)這一要求進(jìn)行再次的計(jì)算，檢驗(yàn)，然后重新做出設(shè)計(jì)方案；當(dāng)然，也有客戶認(rèn)為壁厚不夠要求增加的，這時候設(shè)計(jì)人員就應(yīng)該對用材進(jìn)行重新選擇，既可以滿足客戶要求，又能達(dá)到受力及耐腐蝕條件，還可以節(jié)約成本。

2、管板方面

管板是管殼式換熱器最重要的零件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷、熱流體混合，并同時受管程、殼程壓力和溫度的作用。

材料上，在選擇材料時，除力學(xué)性能外，還應(yīng)考慮管程和殼程流體的腐蝕性，以及管板和換熱管之間的電位差對腐蝕的影響。當(dāng)流體無腐蝕或輕微腐蝕時，管板一般采用壓力容器常用的碳素鋼和低合金鋼板或鍛件制造；當(dāng)流體腐蝕性較強(qiáng)時，管板應(yīng)采用不銹鋼、銅、鈦等耐腐蝕性材料，或者計(jì)算厚度較大時，采用復(fù)合管板以降低管板厚度。

結(jié)構(gòu)上，當(dāng)換熱器承受高溫、高壓時，高溫和高壓對管板的要求是矛盾的。增大厚度可以提高承壓能力，兩側(cè)流體溫差加大時，降低厚度卻又能降低管板的熱應(yīng)力，但承壓能力隨之降低。因此在滿足強(qiáng)度的前提下應(yīng)盡量降低管板厚度。

另外由于U形管受彎管曲率半徑的影響，多數(shù)管板中間隔板處基本不排管，因此在設(shè)計(jì)過程中可以在滿足最小彎曲半徑的前提下，中間可考慮斜布管以增加排管數(shù)量（如圖1），另外由于多管程排管過程中，中間不排管，應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中增加類似旁路擋板的拉桿或假管（如圖2），以防止物料在殼程中發(fā)生短路，如下圖

3、換熱管方面

換熱管的形式除了光管外，還可以采用各種各樣的強(qiáng)化傳熱管，如翅片管，螺旋槽管，螺紋管等。換熱管的尺寸主要有14，19，25，38等，采用小直徑管，可使單位體積的傳熱面積增大，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬耗量減少傳熱系數(shù)提高。經(jīng)計(jì)算，將同筒徑的換熱器的換熱管由25改為19，其傳熱面積可增加40%左右，節(jié)約金屬20%以上。但小管徑流體阻力大，不便于清洗，易結(jié)垢堵塞。所以一般大直徑管子用于黏性較大或污濁的流體，小直徑的管子用于較清潔的流體。因此如何選擇較合理的筒徑和換熱管的尺寸，從而做到既經(jīng)濟(jì)又合理，是設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)。

二、換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

很多時候設(shè)計(jì)者再換熱器的設(shè)計(jì)中出于麻煩的考慮，往往在筒徑和換熱管尺寸方面只按照自身習(xí)慣考慮，往往忽略了對換熱器尺寸的綜合考慮，比如壓降大時對折流板的選擇形式和缺口方向，以及布管角度不聞不問，這是設(shè)計(jì)者對產(chǎn)品缺少漏失，很大程度上是對材料的一種浪費(fèi)。

只有對換熱器進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，綜合全面的考慮各種可能出現(xiàn)的情況，才能最大限度的保證換熱器的質(zhì)量，保障其安全生產(chǎn)，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，直接決定著其在生產(chǎn)過程中能夠發(fā)揮的價(jià)值，對于工業(yè)來說非常重要。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)的時候，一定要考慮全面，尤其是對于容易出現(xiàn)漏洞的地方，要經(jīng)過反復(fù)的核查、檢驗(yàn)，只有這樣才能確提升換熱器的性能，在國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)揮出其應(yīng)有的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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