熱交換器流通面積計(jì)算及其對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

， ，

(1.中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司， 山東 青島 266071； 2.山東天力能源股份有限公司， 山東 濟(jì)南 250101)

熱交換器作為一種在不同物料之間進(jìn)行熱量傳遞的設(shè)備，在石油、化工、冶金、電力、輕工及食品等行業(yè)均有普遍應(yīng)用。石油化工裝置中的熱交換器在設(shè)備總數(shù)量中占比40%左右，其投資費(fèi)用占總投資額的30%～45%。隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，利用熱交換器進(jìn)行熱能回收為社會(huì)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前，管殼式熱交換器是換熱設(shè)備中使用量最大、應(yīng)用最為廣泛的熱交換器型式[1-3]。

隨著裝備制造技術(shù)的日益發(fā)展，石油化工裝置規(guī)模的日益擴(kuò)大，近年來出現(xiàn)的單臺(tái)熱交換器規(guī)格也日趨大型化。大型化意味著大處理量，隨之而來的問題是熱交換器殼程接管規(guī)格、介質(zhì)流量、折流板間距等都將加大。當(dāng)內(nèi)部介質(zhì)流通不暢時(shí)，將造成局部介質(zhì)流速增加，壓降變大，由此引起的管束受沖蝕和誘發(fā)振動(dòng)的危害大、風(fēng)險(xiǎn)大，同時(shí)也會(huì)影響到整臺(tái)設(shè)備的換熱效果。目前，許多工業(yè)煉化生產(chǎn)裝置存在的熱交換器換熱效果不佳和管束振動(dòng)導(dǎo)致的設(shè)備失效問題，都是因?yàn)閮?nèi)部介質(zhì)流通受阻造成。

為了控制風(fēng)險(xiǎn)，GB/T 151—2014《熱交換器》和GB 151—1999《管殼式換熱器》中均對(duì)熱交換器殼程進(jìn)出口和管束進(jìn)出口區(qū)域流通面積提出了校核要求[4-8]。

文中針對(duì)熱交換器設(shè)計(jì)校核實(shí)踐中，重視熱交換器工藝性能和結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算校核而忽視流通面積核算的現(xiàn)象，簡要介紹標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中殼體和管束進(jìn)、出口面積的計(jì)算方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中未提及的設(shè)置內(nèi)導(dǎo)流筒熱交換器流通面積計(jì)算提出建議，并討論流通面積對(duì)熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

1 管殼式熱交換器殼體進(jìn)出口流通面積計(jì)算方法[9-12]

1.1 殼體進(jìn)出口結(jié)構(gòu)簡化

GB/T 151—2014《熱交換器》和GB 151—1999《管殼式換熱器》中將殼體進(jìn)、出口面積的計(jì)算普遍簡化為進(jìn)、出口接管內(nèi)徑與殼體圓筒內(nèi)徑相交的馬鞍形相貫線下方至第1排換熱管頂部自由高度區(qū)域面積的計(jì)算。熱交換器殼體進(jìn)、出口面積計(jì)算結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 熱交換器殼體進(jìn)出口面積計(jì)算結(jié)構(gòu)示圖

針對(duì)管束設(shè)置有防沖板布管模型(圖1a和圖1b)，殼體進(jìn)、出口面積具體為進(jìn)、出口接管內(nèi)徑與殼體圓筒內(nèi)徑相交的馬鞍形相貫線下方至防沖板頂部自由高度區(qū)域面積的計(jì)算。

針對(duì)無防沖板布管模型(圖1c和圖1d)，殼體進(jìn)、出口面積具體為進(jìn)、出口接管內(nèi)徑與殼體圓筒內(nèi)徑相交的馬鞍形相貫線下方至防沖板頂部自由高度區(qū)域面積的計(jì)算，包括接管內(nèi)徑投影到第1排換熱管的面積區(qū)域內(nèi)的管束間隙面積。

1.2 殼體進(jìn)出口流通面積計(jì)算方法

管殼式熱交換器殼體進(jìn)、出口最小面積AS的近似值按下式計(jì)算。

(1)

式中，AS為殼體進(jìn)、出口的最小面積，mm2；di為接管內(nèi)徑，d為換熱管外徑，h為管束上方或防沖板上方自由高度的平均值，S為換熱管中心距，mm；F1為防沖結(jié)構(gòu)系數(shù)，有防沖板時(shí)F1=0，無防沖板時(shí)F1=1；F2為換熱管排列形式和流體流動(dòng)方向的相對(duì)位置系數(shù),F2=1.0用于正方形排列(90°)和正三角形排列(30°),F2=0.866用于轉(zhuǎn)角正三角形排列(60°),F2=0.707用于轉(zhuǎn)角正方形排列(45°)。

2 管殼式熱交換器管束進(jìn)出口流通面積計(jì)算方法[9-12]

2.1 管束進(jìn)出口結(jié)構(gòu)簡化

管束進(jìn)、出口流通面積計(jì)算式中涉及的參數(shù)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 熱交換器管束進(jìn)出口面積計(jì)算結(jié)構(gòu)示圖

管束進(jìn)出口面積主要指介質(zhì)由殼程進(jìn)口接管進(jìn)入熱交換器后，或介質(zhì)由殼程出口接管流出熱交換器前，能夠在進(jìn)、出口處的折流板間距范圍內(nèi)自由進(jìn)出管束間隙的流通面積，同時(shí)還應(yīng)考慮管束設(shè)置防沖或?qū)Я鹘Y(jié)構(gòu)對(duì)介質(zhì)進(jìn)出管束間隙的阻礙作用，有時(shí)還應(yīng)計(jì)入因折流板切口產(chǎn)生的無限制縱向流動(dòng)面積(通常在折流板切口平行于進(jìn)出口接管中心線時(shí)產(chǎn)生)。

2.2 管束進(jìn)出口流通面積計(jì)算方法

管殼式熱交換器殼體管束進(jìn)、出口流通面積At的近似值一般按下式計(jì)算。

(2)

式中，At為熱交換器殼體管束進(jìn)、出口的最小流通面積，AP為防沖板的面積，AL為無限制的縱向流動(dòng)面積，mm2；BS為進(jìn)、出口處折流板間距，K為橫過管束的有效弦長(圖2a)，LP為防沖板直徑或邊長，mm。

AP=0用于無防沖板，AP=πLP2/4用于圓形防沖板，AP=LP2用于正方形防沖板。AL=0用于折流板切口垂直于接管中心線，AL=0.5ab用于折流板切口平行于接管中心線(圖2a)，AL=0.5(Di-DL)c用于折流板切口平行于接管中心線(圖2b)。上述公式中的a、b、c表示的結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。對(duì)圖2b，K=di。

3 設(shè)置內(nèi)導(dǎo)流筒熱交換器流通面積計(jì)算

當(dāng)熱交換器近管板的進(jìn)、出口接管距離管板較遠(yuǎn)時(shí)，為了防止介質(zhì)流通短路和提高換熱效果，一般需在進(jìn)、出口處設(shè)置導(dǎo)流筒，通過加大介質(zhì)在殼程中的有效流通距離，充分利用管束的換熱面積。常見內(nèi)置導(dǎo)流筒熱交換器管束結(jié)構(gòu)見圖3[13]。

圖3 內(nèi)置導(dǎo)流筒熱交換器管束結(jié)構(gòu)示圖

在采用式(1)和式(2)計(jì)算內(nèi)置導(dǎo)流筒熱交換器的進(jìn)、出口流通面積時(shí)，需要考慮導(dǎo)流筒與防沖板在結(jié)構(gòu)上的差別，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行修正。以圖3中內(nèi)導(dǎo)流筒-局部布管的結(jié)構(gòu)為例，提出合理的計(jì)算方法，采用其它導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的流通面積計(jì)算時(shí)，也可參考借鑒。

3.1 殼體進(jìn)出口流通面積

因采用圖3內(nèi)導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)與圖1b的防沖板結(jié)構(gòu)的殼體進(jìn)、出口面積含義相同，均指進(jìn)、出口接管至導(dǎo)流筒(防沖板)間自由高度區(qū)域的面積，故其計(jì)算方法相互適用，即均可采用式(1)進(jìn)行計(jì)算，無需對(duì)公式進(jìn)行修正。

3.2 管束進(jìn)出口流通面積

比較圖3內(nèi)導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)與圖2a中局部布管-有防沖板的結(jié)構(gòu)，可以看出式(2)在對(duì)圖2a結(jié)構(gòu)的管束進(jìn)、出口流通面積的計(jì)算過程中，考慮到防沖板一般設(shè)置于靠近進(jìn)口接管的第1排換熱管頂部，無論其采用圓形還是方形結(jié)構(gòu)，對(duì)介質(zhì)進(jìn)入管束間流通的影響均是局部的，且僅限于對(duì)第1排換熱管間隙的影響。而圖3中設(shè)置的導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)，在折流板間距BS范圍內(nèi)，對(duì)LP′區(qū)域的管束外圍是整體覆蓋的，此區(qū)域的介質(zhì)進(jìn)出管束間的流通整體受阻，因此在計(jì)算流通面積時(shí)，不應(yīng)簡單套用式(2)進(jìn)行計(jì)算，而需將式(2)修正為式(3)：

(3)

式中，LP′為導(dǎo)流筒軸向長度，mm。

4 流通面積對(duì)熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

GB 151—1999《管殼式換熱器》對(duì)流通面積提出的要求為，殼程和管束進(jìn)、出口處流體流通面積應(yīng)不小于進(jìn)、出口接管截面積。此規(guī)定可以解讀為，介質(zhì)以恒定的流量在管道與熱交換器殼體各部位間流通，當(dāng)經(jīng)過熱交換器殼程和管束進(jìn)、出口區(qū)域時(shí)，只要保證此處流通面積不小于其在管線內(nèi)的流通面積，即可使介質(zhì)在此區(qū)域的傳輸過程中流速不會(huì)急劇增大，進(jìn)而起到控制介質(zhì)壓降和降低管束振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的作用。這是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)工程實(shí)際做出的簡單量化，既可使設(shè)計(jì)人員在工作中有據(jù)可依，又能達(dá)到減小風(fēng)險(xiǎn)的目的，是符合工程實(shí)際的[14]。

近年來隨著石油化工裝置處理規(guī)模的擴(kuò)大，大直徑進(jìn)、出口接管的熱交換器結(jié)構(gòu)時(shí)常出現(xiàn)。按照GB 151—1999要求設(shè)計(jì)熱交換器時(shí)，滿足流通面積要求需要大量減少換熱管的布置數(shù)量，要保證換熱面積需求則需加長換熱管長度，導(dǎo)致熱交換器殼體設(shè)計(jì)長度增加，造成設(shè)計(jì)出來的熱交換器結(jié)構(gòu)不夠緊湊，經(jīng)濟(jì)性也差，因此這種單純比較流通面積大小的做法已逐漸不合時(shí)宜。

GB/T 151—2014《熱交換器》中對(duì)流通面積大小的判別要求作了改進(jìn)，主要參照TEMA RCB-4.62，修改為，殼體進(jìn)口或者出口區(qū)域面積AS和管束進(jìn)口或者出口區(qū)域面積At應(yīng)使ρv2的數(shù)值不超過5 950 kg/(m· s2)。此處ρ為進(jìn)口或出口區(qū)域的流體密度，kg/m3；v為按AS或At計(jì)算的流體速度，m/s。此規(guī)定可以解讀為一種對(duì)介質(zhì)流經(jīng)殼體和管束進(jìn)、出口時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)壓的判定[9,15]。

這種判定方式是熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重大進(jìn)步，改變了以往關(guān)于流通面積校核過于保守的設(shè)計(jì)方法，對(duì)管束振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的控制更有針對(duì)性，量化的數(shù)據(jù)也更精確。在進(jìn)行熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以更自由地根據(jù)工藝需求對(duì)換熱管布置進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)熱交換器因布管過多而導(dǎo)致流通面積減小時(shí)，只要保證介質(zhì)通過時(shí)的ρv2值能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求即可。

5 結(jié)語

GB 151—1999中給出了計(jì)算管殼式熱交換器殼體進(jìn)、出口和管束進(jìn)、出口流通面積的公式和熱交換器進(jìn)、出口處的幾種常見結(jié)構(gòu)形式。這些計(jì)算公式對(duì)采用其它進(jìn)、出口結(jié)構(gòu)形式的熱交換器的設(shè)計(jì)仍然具有指導(dǎo)作用。但在當(dāng)將其應(yīng)用于大直徑的進(jìn)、出口接管時(shí)，應(yīng)特別注意充分理解公式中各項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容的具體含義，并在工作中根據(jù)實(shí)際情況對(duì)公式加以合理修正。

GB/T 151—2014沿用了上述熱交換器進(jìn)、出口處常見結(jié)構(gòu)的流通面積計(jì)算公式，但修改了對(duì)流通面積的校核要求。這符合近年來生產(chǎn)裝置規(guī)模擴(kuò)大和設(shè)備大型化的進(jìn)程需要，有利于促進(jìn)熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。正確執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不僅要求設(shè)計(jì)人員掌握標(biāo)準(zhǔn)修訂的內(nèi)容，還需要進(jìn)一步了解其修訂的原因，將標(biāo)準(zhǔn)制定的真實(shí)意圖貫徹到位。