雙管板冷卻器的設計

毛 薦 王尚峰 張玉輝 洪 俊

（沈陽鼓風機集團壓力容器有限公司)

1 設計開發的出發點

就一般的管殼式換熱器而言，換熱管與管板的連接處通常是換熱器容易滲漏的地方，若連接質量不好，會直接影響工藝操作的正常進行，甚至迫使機組停車，影響正常的生產。為保證管子與管板的連接強度和密封性能，可采用各種連接方法，但這些方法都不能保證絕對不泄漏。即使水壓試驗、氣密性試驗完全合格，單在操作中由于介質腐蝕、溫度和壓力的作用，特別是壓力、溫度的波動或突然變化 （如開、停車，不正常操作），往往會使管子與管板連接處產生不同程度的泄漏。少量的泄漏在一般的化工工藝中或許影響不大，就整套機組的運行而言或許是允許的，但是在兩種介質混合后會燃燒或爆炸等嚴禁管、殼程介質混合的場合，這是絕對不允許的。因此，這種場合可以考慮采用雙管板換熱器。雙管板的作用并不是消除泄漏，而是防止殼程 （或管程）漏出的流體混進管程 （或殼程）。

沈陽鼓風機集團壓力容器有限公司與山東華魯恒升化工股份有限公司簽訂空分機組項目及氮壓機項目時，用戶堅持采用雙管板結構，其目的是要確保生產的連續進行和操作人員的人身安全。該公司以前在雙管板換熱器方面還是空白，這次以該項目為契機，設計開發出了雙管板冷卻器。

該雙管板冷卻器由管束、管箱和殼體等組成，換熱管為U形管，管程介質為熱流體，殼程介質為冷流體。

2 冷卻器的有關計算和結構設計

2.1 熱力計算和強度計算

雙管板換熱器的熱力計算與一般的管殼式換熱器并沒有太大的區別，其與普通的U形管式換熱器相比，只是在計算換熱管的有效長度時應扣除兩管板之間的換熱管長度。

強度計算時，殼體、管箱的計算基本等同于一般的U形管式換熱器。相對而言，管板部分是比較有特點的，應分別根據兩管板各自所接觸的介質和所受的壓力、溫度來確定管板厚度、管板材料和熱片直徑等。

以該雙管板設計計算為例，殼側管板兩側所受的壓力一邊為殼側壓力，另一邊為大氣壓力；而管側管板兩側一邊為管側壓力，另一邊為大氣壓力。該項目管側壓力遠高于殼側壓力，其設計壓力分別為 5.0 MPa和 0.6 MPa。

根據上述設計壓力計算，殼程管板較薄，厚度為50 mm，而管程管板相對較厚，厚度為100 mm。

2.2 結構設計

結構設計是此次設計的難點和重點，尤其是確定兩管板間一個合適的距離更是 “難中之難”。其原因如下所述。

（1）為了便于穿管，兩塊管板在制造時通常是重疊在一起鉆孔的。但在鉆孔過程中，不可避免地會存在偏斜，因而雙管板相同位置的孔存在一定的錯位。當管束裝配后，這種錯位就會在管束上引起一定的彎曲應力和剪切應力。

（2）由于兩管板各自接觸的流體溫度不同，每塊管板具有不同的壁溫。不同的熱膨脹也會使相同位置的孔產生錯位，當兩管板壁溫差較大時，在管束上會引起可觀的彎曲應力和剪切應力。這些彎曲應力和剪切應力將影響管子的強度，也影響管子和管板連接處的強度和密封性能。如果壁溫變化是周期性的，則管束會產生疲勞破壞。管板間距則用來保證管板存在錯位的情況下管束不致被破壞。對于相同數值的錯位來說，板間距越大，彎曲應力和剪切應力就越小。但板間距太大會造成換熱管與管板間的焊接 （或脹接）困難，同時還會導致結構不緊湊。因此在滿足上述諸多限制的條件下，確定了一個比較合理的板間距。

此外，換熱器其他部位的結構設計也需要充分予以考慮。為了保證兩管板間的管束不至于裸露在空氣中，在兩管板間用連接板環 （即短筒節）進行連接。在短筒節最上端、最下端靠近管程管板處分別開有半圓孔，另半圓孔開在管程管板上，分別連接兩接管，最上端的為泄漏氣口，最下端的為泄漏液口，以方便及時發現管程或殼程的泄漏。對于該換熱器的材料選用，殼程管板采用了碳鋼管板（16MnR），管程管板采用了碳鋼與不銹鋼的復合管板 （16MnII+0Cr18Ni9），而換熱管材料為0Cr18Ni9，這樣既降低了成本，也可以保證管程焊接的可靠性和管板的抗腐蝕性能。

殼體的設計采用兩殼程結構，為冷卻水下進上出。在殼體最下端、兩鞍式支座間設有排液口，以便在停車或檢修清潔時使用；在殼體最上端、靠近筒體中心處設有排氣口，以方便排除冷卻水中的氣泡；在殼體最上端設有兩個爆破片接口，以便在發生氣體泄漏時能夠及時發現。殼體的材料為碳鋼。

管箱的設計采用兩管程結構，為熱流體上進下出，中間使用分程隔板將管箱一分為二。這樣設計可以使冷、熱流體近似于逆流，從而獲得較好的換熱效果。

所設計的雙管板冷卻器結構如圖1所示。

圖1 雙管板冷卻器

3 結論

雙管板換熱器的設計開發，主要的難點是管束及其與管板連接部位的結構設計，尤其是確定兩管板間的合適的距離。在兩管板間采用連接板環 （短筒節）進行連接，可以保證兩管板間的這部分管束不至于裸露在空氣中，同時若有泄漏發生，也能保證管內介質和殼程介質不接觸，使換熱器處于一個安全的運行狀態。雙管板換熱器結構使不能發生直接接觸的介質相互換熱成為可能，這在工藝流程上就可以解決很多實際的問題。