固定管板換熱器的設(shè)計(jì)

謝曉宇 唐維維

摘 要：換熱器是進(jìn)行熱交換操作的通用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、石油、醫(yī)藥和制冷等行業(yè)。本文對固定管板換熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：固定板；換熱器；設(shè)計(jì)

引言

固定管板式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、承壓能力強(qiáng)、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)， 但當(dāng)管束材料的線膨脹系數(shù)或管殼程溫差較大時(shí)會產(chǎn)生局部熱應(yīng)力， 影響管板與換熱管間的連接密封性。管板是其換熱器主要的承壓元件，換熱管、管箱、筒體等構(gòu)成復(fù)雜的彈性體系。

一、換熱器概述

換熱器是在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中用于物料之間進(jìn)行熱量交換的換熱設(shè)備，在大型化工廠以及石油化工企業(yè)中廣泛應(yīng)用，通過各種換熱器的組合，高效地利用各種流體的能量，使產(chǎn)品的單位能耗下降，由此可以通過生產(chǎn)成本的降低來得到更為高效的經(jīng)濟(jì)效益。最近幾年，國家對能源需求不斷提高，節(jié)約能源成為時(shí)代主流，對于換熱器節(jié)約能源的要求也與日俱增。為響應(yīng)國家號召，對于換熱器新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和增大傳熱面積，高效利用能源的研究蓬勃發(fā)展，一些新研發(fā)的換熱器被應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

二、換熱器的選擇

換熱器按照結(jié)構(gòu)形式可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器；U形管換熱器；填料函式換熱器等。固定管板式換熱器主要零部件有殼體、管箱、管板、換熱管、法蘭、封頭等一系列，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，應(yīng)用較為廣泛。

固定管板式換熱器特有優(yōu)點(diǎn)：1）旁路滲流維持在較低水平；2）用料較少，制造成本低廉；3）不易發(fā)生內(nèi)部泄漏；4）換熱面積大，較浮頭式換熱器換熱面積提高20%～30%。本設(shè)計(jì)中介質(zhì)為，水與水蒸氣，無明顯相變和腐蝕性流體，故本設(shè)計(jì)采用固定管板式換熱器。

三、固定管板換熱器傳熱效率設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員在對固定管板換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，除了需要按照相關(guān)的規(guī)定來布管外，更要考慮到換熱器的傳熱效率。影響換熱器傳熱效率因素包括介質(zhì)流動線路與防短路設(shè)置，折流板間距，殼體與管束進(jìn)、出口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及殼程接管進(jìn)、出口處流通面積。首先要求設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格相關(guān)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)來確定介質(zhì)在換熱器內(nèi)的流速，然后再根據(jù)流速狀況對折流板弓高以及間距進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提高傳熱效率。

3.1介質(zhì)流動線路與防短路設(shè)置

設(shè)計(jì)人員在對固定管板換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，只需要嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)范來確定殼程圓筒與折流板之間的間隙距離，便能顯著地避免出現(xiàn)介質(zhì)短路的狀況。一般來說，設(shè)計(jì)人員為了改變介質(zhì)的流動方向，會對殼程介質(zhì)中的流動路線采用弓形折流板的方式，主要目的在于其能垂直于管束流動，從而能夠在應(yīng)用的過程中獲得較好的傳熱效果。而折流板的弓形缺口大小能夠在一定程度上對介質(zhì)流動阻力造成影響，相關(guān)規(guī)定中對弓高尺寸的范圍規(guī)定為圓筒內(nèi)直徑的0.20倍～0.25倍。但在設(shè)計(jì)的過程中不可在此范圍內(nèi)任意地選取。這是由于，若選取值過小，會導(dǎo)致在殼體中增加介質(zhì)的流速。盡管可能會在一定程度上提高傳熱系數(shù)，但會增加流動阻力及壓力降，造成在各項(xiàng)工藝參數(shù)不變的情況下介質(zhì)通過殼程的流量減小，這就要求設(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中將其壓降控制在工藝設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。若取值過大，則會在一定程度上增加流體停滯區(qū)，并且縮小換熱管的有效換熱長度。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)折流板需要切除的弓高時(shí)，必須通過精準(zhǔn)的計(jì)算來決定。

3.2折流板間距

折流板間距的大小也會在一定程度上影響傳熱效率。若折流板間距過小，則會在一定程度上增加殼程介質(zhì)的流速，從而能夠有效地提高傳熱系數(shù)，但也會造成泄漏量增加，從而增大壓降。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮傳熱與壓降的均衡性。一般來說，折流板間距不得低于30%Di。若折流板間距過大，則會在一定程度上增加殼程介質(zhì)的軸向流，從而進(jìn)一步擴(kuò)大介質(zhì)在殼體內(nèi)的流體停滯區(qū)，最終減小換熱器的有效傳熱長度。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，折流板最小間距一般不得低于圓筒直徑的1/5，且控制在50mm以上。因此，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)產(chǎn)品的具體情況進(jìn)行合理規(guī)定，最為合理的方式是通過折流板缺口處的縱向流通面積來確定。一般來說，折流板缺口軸向流通面積需要大于或等于縱向流通面積。

3.3殼體與管束進(jìn)、出口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的過程中需要按照相關(guān)規(guī)定來對殼體進(jìn)、出口面積進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，若在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)進(jìn)、出口面積小于進(jìn)口接管的流通面積，則表明此項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。并且也說明，殼程介質(zhì)在殼體進(jìn)、出口處具有較大的流動阻力，造成流動不暢通，增加了流速，從而影響傳熱效率。這就要求設(shè)計(jì)人員對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，直至進(jìn)、出口面積大于或等于進(jìn)口接管的流通面積。設(shè)計(jì)者可以對進(jìn)、出口布管方式進(jìn)行調(diào)整，并且適當(dāng)減少布管的數(shù)量。但如果大量減少換熱管數(shù)量，仍無法滿足相關(guān)工藝的要求，則需要通過加大殼體公稱直徑以及換熱管長度等方式來合理安排殼體進(jìn)、出口面積與進(jìn)口接管的流通面積。

3.4殼程接管進(jìn)、出口處流通面積

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的過程中需要嚴(yán)格按照殼程進(jìn)、出口接管與折流板的位置來確定殼程接管的進(jìn)、出口流通面積。若發(fā)現(xiàn)殼程進(jìn)口流通面積小于進(jìn)口接管流通面積，則需要流體進(jìn)入熱換器后增大流速；若殼程出口流通面積小于進(jìn)口接管流通面積，則說明殼程介質(zhì)的流通出現(xiàn)不暢通狀況，便會對傳熱效率造成影響。這時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對進(jìn)、出口處折流板與管板之間的間距進(jìn)行調(diào)整，以此來改變殼程進(jìn)、出口接管與折流板的位置。

四、案例驗(yàn)證

本公司采購的一臺換熱器，其相關(guān)的參數(shù)如下：換熱管長度為7500mm，殼程為30%鹽水，折流板間距為300mm，弓高為400mm，換熱管為15.8mm，管中心距離為20mm，布管數(shù)量為2780根，殼程進(jìn)、出口接管公稱直徑為450mm，接管規(guī)格為480mm×10mm。換熱器投入實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)達(dá)不到設(shè)計(jì)相關(guān)要求，具有較低的效率。

由于采用的設(shè)備沒有防沖擋板，而根據(jù)其布管數(shù)量可以得知，DL=1180mm，h=（1200-1180）/2=10.0mm，F(xiàn)1與F2為1.0，管間距S=20mm，換熱管外徑d0=16.0mm。進(jìn)、出口流通面積為：AS=460×10.0×π+（460×π/4）×（20-16.0）/（12×1）=144560mm2。殼程接管進(jìn)、出口流通面積為：Ad=（460/2）2π=166190 mm2。As

五、結(jié)束語

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)固定管板換熱器殼程接管的過程中，需要嚴(yán)格相關(guān)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)來確定介質(zhì)在換熱器內(nèi)的流速，然后再根據(jù)流速狀況對折流板弓高以及間距進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來獲得最佳的傳熱效果。

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