浮頭式換熱器的設(shè)計與研究

陳國艷 沈 錚 馬尚禎

（1、河南理工大學(xué)，河南 焦作454000 2、陜西富源煤業(yè)有限公司，陜西 延安727502）

隨著經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，不同種類的換熱器在不斷的發(fā)展，被廣泛用于工業(yè)的方方面面。過去的幾年間，浮頭式換熱器依靠性能穩(wěn)定，環(huán)境惡劣的條件下依然能良好運轉(zhuǎn)的特點，引起了行業(yè)內(nèi)的關(guān)注。在資源日益缺乏的當(dāng)下，怎樣改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化整體設(shè)計，使浮頭式換熱器更加迎合各個領(lǐng)域的需求，是目前急需要解決的問題[1-4]。

1 浮換熱器簡介

浮頭式換熱器是由管箱、殼體、管束、浮頭蓋、外頭蓋等零部件組成。管板一端的管束可以自由的浮動是其最大的特點，由于在使用過程中受溫差變化影響較小，因此不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力，即不受溫差應(yīng)力的影響，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)浮頭密封困難、鍛件多、造價高。因此設(shè)計換熱器，必須從實際出發(fā)，同時考慮到各種情況的發(fā)生：制造工藝的限制、設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性和安全性，同時還要考慮控制生產(chǎn)成本和維修時的便利，從這些應(yīng)用設(shè)計的各方面因素分析來看，浮頭式換熱器的優(yōu)點較為顯著，其主要體現(xiàn)在：配置了管束設(shè)計能夠進(jìn)行抽出式清洗，且能夠保障流體溫差并不會對整體工作穩(wěn)定性造成實質(zhì)性的影響，高溫高壓下可以穩(wěn)定運行，在結(jié)垢較為嚴(yán)重和管程發(fā)生腐蝕的工作環(huán)境下正常運行[1-2]。

浮頭式換熱器在同樣的殼體半徑下，布管的數(shù)目越多，換熱面積越大。殼程封頭接管與浮頭接管間通過填充進(jìn)行密封，為了保證內(nèi)部密封，浮頭封頭接管外壁上的擋板與殼程封頭接管內(nèi)壁之間的膨脹間隙只有1mm 左右，在工作期間易發(fā)生摩擦碰撞。因此對于這些問題，我們需要重新優(yōu)化設(shè)計[1]。

2 換熱器制造工藝優(yōu)化

2.1 箱體的優(yōu)化制造：換熱器前端可以采用封頭式管箱，其優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、方便制造、適于高壓、清潔介質(zhì)，可省掉一塊造價高的管板、法蘭，且橢圓封頭相比平端蓋的受力情況要好得多。換熱器后端一般采用帶鉤圈的浮頭結(jié)構(gòu)的管箱[2]。

2.2 管束的優(yōu)化排布：換熱器內(nèi)部管束的排布有四種排列方式：等邊三角形排列、正方形排列、轉(zhuǎn)角三角形錯列排列、圓形排列。等邊三角形排列與介質(zhì)流向垂直，是比較常見的排列方式，和正方形排列方式相比，等邊三角形排列管束之間距離相等，在相同的管板面積下，能夠排布更多的換熱管，但是等邊三角形排列不易清洗。轉(zhuǎn)角三角形錯列排布（圖1）介于正三角形和正方形排列之間，因為換熱管的外部易形成影響傳熱的冷凝膜，適用于內(nèi)部介質(zhì)易結(jié)垢的換熱器，這種排布易于清洗，適合用于浮頭式換熱器[2-3]。

2.3 換熱管的優(yōu)化制造：在換熱器內(nèi)部，換熱管起到支撐隔板作用，防止纏繞。換熱管的強度與外徑影響換熱器的使用效率。從圖2 來看，在相同功率下，管束的外徑越小，換熱器的重量越低，越節(jié)約制造成本，因此使用外徑R19mm 的換熱管，性價比更高。換熱管可以采用卷制焊接后接精密切削的工藝，使熱管的誤差在±1mm，直線度的偏差要求接近0，壁厚1.5mm,可以使換熱效果更加明顯，同時增加了換熱管的使用壽命[3]。

圖1 換熱管管板和管束排布

圖2 管束長度與換熱器重量的關(guān)系

3 浮頭式換熱器的問題以及改進(jìn)

浮頭式換熱器在使用的過程中，由于操作不當(dāng)、溫度變化、密封較差等，嚴(yán)重影響換熱器的正常工作，因此我們要分析常見的問題以及改進(jìn)的措施：

表1 浮頭式換熱器的創(chuàng)新發(fā)展

3.1 密封泄露

在換熱器進(jìn)行工作時，管箱與管板處易發(fā)生密封泄露，影響清潔工作和內(nèi)部換熱管的運行。很多換熱器都會使用耐油橡膠墊或者打密封膠的辦法來防止泄露，但是耐油橡膠墊因其制造工藝的原因，內(nèi)部會有許多微小的間隙，在密封的過程中，由于介質(zhì)的腐蝕，內(nèi)部的液體會慢慢從間隙中泄露出來，失去作用。密封膠有著同樣的問題，在噴涂密封膠的時候，由于空氣的存在，無法保證完全的密封，也會出現(xiàn)上面的情況。因此，我們可以采用不銹鋼包石墨墊的方法，由于石墨性質(zhì)穩(wěn)定，具有分布均勻、不易與內(nèi)部的介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)、使用壽命長等優(yōu)點，可以防止頻繁泄露。

3.2 腐蝕穿孔

在換熱的過程中，高溫蒸汽從入口進(jìn)入換熱器內(nèi)部，用來加熱介質(zhì)，在完成換熱循環(huán)后，隨著溫度的降低，蒸汽逐漸變?yōu)槔淠驗樯a(chǎn)不是連續(xù)的，會造成大量二氧化碳和氧氣進(jìn)入換熱管之中，工業(yè)上的高溫蒸汽含有很多的雜質(zhì)，遇冷形成冷凝水的時候會造成氧腐蝕和酸腐蝕，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全，需要格外重視。首先，改變鍋爐中水的PH 值，研究表明PH 值在9.5～10 之間效果最好，采用熱力除氧、海綿鐵除氧等方法來改變鍋爐蒸汽中氧氣的含量，同時，也可以保持連續(xù)性生產(chǎn)，避免間隙生產(chǎn)，在關(guān)鍵零部件上可以選用不銹鋼產(chǎn)品。

3.3 連接螺栓失效

浮頭式換熱器的連接螺栓失效是一個較為常見的問題，螺栓的失效會對換熱器的運轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的影響，會造成換熱器停止工作，給接下來的生產(chǎn)活動帶來阻礙。因此，要仔細(xì)查找螺栓失效的原因。螺栓制造的時候，部分熱處理工藝沒有達(dá)到國家的標(biāo)準(zhǔn)要求，在使用時易發(fā)生扭曲斷裂；螺栓的工作環(huán)境同樣也是失效的原因之一，氫是造成螺栓韌性下降的重要因素；處于連接處的螺栓，由于換熱器的工作，不可避免的會產(chǎn)生振動，導(dǎo)致螺栓隨之振動，在這個過程中，螺栓內(nèi)部較為脆弱的部分在振動時會產(chǎn)生裂紋，隨著時間的推移導(dǎo)致整個螺栓發(fā)生斷裂。遇到這種情況時，選用可靠廠家生產(chǎn)的螺栓，仔細(xì)閱讀說明書，確認(rèn)氫的含量，保證材料萬無一失；經(jīng)常檢查螺栓的緊固程度，可以采用定扭矩緊固螺栓，防止振動出現(xiàn)裂紋以及松動；定期檢查清潔換熱器，在運行前保證沒有失效的螺栓。

4 新型浮頭換熱器的創(chuàng)新發(fā)展

浮頭式換熱器的發(fā)展與創(chuàng)新都是從實踐中得來的，創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)是為了解決出現(xiàn)的特定問題（如表1 所示）。

5 結(jié)論

浮頭式換熱器在很長的時間內(nèi)得到大量的研究與創(chuàng)新，本文對近些年的創(chuàng)新發(fā)展做出了綜述。浮頭式換熱器是一種效果較好的換熱器，但是還有一些創(chuàng)新的地方仍然需要研究：

5.1 換熱器的制造較耗費材料，因此需要設(shè)計新型材料來替代傳統(tǒng)的不銹鋼箱體。

5.2 換熱器內(nèi)部管束強化傳熱和創(chuàng)新大多數(shù)關(guān)注于殼程上，管束內(nèi)部介質(zhì)因其自身物性，易對管壁造成腐蝕，因此優(yōu)化管束之間的導(dǎo)流系統(tǒng)是非常有效的手段，也可以嘗試研究管外折流板來提高換熱效率。

5.3 換熱器管程與殼程發(fā)展出了許多傳熱模型，隨著浮頭式換熱器新型結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)有的傳熱模型在解決問題的時候，會遇到困難，因此對于新型換熱結(jié)構(gòu)的傳熱模型的構(gòu)建仍需進(jìn)一步的研究。