對(duì)列管式換熱器設(shè)計(jì)問題的探討

于鵬　王二龍

【摘 要】換熱器是建筑行業(yè)采暖必備裝置之一，也是節(jié)能措施中比較重要的裝置。近些年，一些新技術(shù)、新工藝及新材料的應(yīng)用，使換熱器得到廣泛應(yīng)用。所以，不管是從工作發(fā)展的角度，還是從能源利用方面，對(duì)換熱器進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)、分析具有重要意義。本文首先對(duì)列管式換熱器基本結(jié)構(gòu)及其類型進(jìn)行介紹，對(duì)列管式換熱器設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】列管式換熱器 設(shè)計(jì) 冷卻器 節(jié)能

1引言

列管式換熱器是換熱器中的一種，隨著新技術(shù)的發(fā)展，在石油、化工行業(yè)取得比較廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)有關(guān)列管式換熱器設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和探討，不足之處，敬請(qǐng)指正。

2列管式換熱器基本結(jié)構(gòu)及其類型

2.1 基本結(jié)構(gòu)

列管式換熱器的基本結(jié)構(gòu)包括殼體、管板、換熱管及封頭等，其中最為核心的部位是傳熱管，數(shù)根傳熱管進(jìn)行組合就是傳熱管束，將其固定于管殼中，即形成列管式換熱器。列管式換熱器的工作原理是把熱流體由進(jìn)口傳入熱管內(nèi)部，和冷流體之間交匯后換熱，溫度下降后經(jīng)過出口排出，冷流體經(jīng)過空氣進(jìn)口傳入末節(jié)換熱器，通過橫流的方式換熱，經(jīng)過隔流板發(fā)生折流，然后經(jīng)過第二節(jié)換熱器，繼而是第二次折流，然后經(jīng)過換熱器，最后溫度較高的冷流體進(jìn)入需熱裝置。

2.2 類型

列管式換熱器的類型一般是按照管板和管殼之間的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行劃分，包括固定管板式、U形管式、浮頭式、雙管板式及插管式。其中，固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造成本相對(duì)較低，在小型爐上有廣泛應(yīng)用，但是管道外側(cè)難以清掃，而且冷熱流體溫度的差異較大，管殼材質(zhì)很容易發(fā)生熱膨脹而產(chǎn)生斷裂，比如KFW型爐換熱器為典型代表；U形管式換熱器是以其傳熱管形狀命名，一頭是管板，另外一頭是懸空的狀態(tài)，管子能夠自由膨脹，管板及管束也能夠隨意取出，便于清掃，但是傳熱管道內(nèi)部無法清掃，更換也較困難；浮頭式換熱器下端管板和管殼是連接在一起的，上端管板為浮動(dòng)式，能夠自由移動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)牢靠、便于安裝、無熱膨脹效果等優(yōu)點(diǎn)，但是造價(jià)較高，浮動(dòng)管板密封性要求高。

3列管式換熱器設(shè)計(jì)

列管式換熱器設(shè)計(jì)，一方面要確保傳熱需求，另一方面還要求傳熱效率達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范，而且體積小、質(zhì)量輕、消耗材料少、制造成本經(jīng)濟(jì)、便于維護(hù)及安全性能等，所以列管式換熱器設(shè)計(jì)要先按照化工生產(chǎn)工藝條件及其相關(guān)要求對(duì)化工工藝進(jìn)行計(jì)算，得出換熱器的傳熱面積，然后逐個(gè)確定管徑、管長(zhǎng)、管數(shù)、管程數(shù)以及殼程數(shù)，最后進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：

（1）殼體直徑、客體壁厚；（2）換熱器封頭型號(hào)、壓力容器法蘭；（3）管板尺寸；（4）管子拉脫力計(jì)算；（5）折流板計(jì)算；（6）溫差應(yīng)力；（7）接管、接管法蘭、開孔補(bǔ)強(qiáng)。

3.1 設(shè)計(jì)過程

首先，對(duì)換熱器類型進(jìn)行選擇，按照表1相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，可以得知兩種不同的流體溫度變化，換熱器選用自來水進(jìn)行冷卻，同時(shí)也考慮到換熱器管壁溫度和殼體溫度之間的溫差會(huì)比較大，所以初步?jīng)Q定使用U型管式換熱器。

因?yàn)槔鋮s水比較容易產(chǎn)生水垢，為了方便清洗，要確保循環(huán)水走管程，空氣走殼程，按照管內(nèi)流體流速范圍參數(shù)值，選擇管內(nèi)流速為1m/s。因?yàn)闊崃黧w是空氣，而冷流體是水，都是沒有腐蝕性的物質(zhì)，因此可以選擇經(jīng)濟(jì)適用的碳鋼作為換熱器的材質(zhì)，即是碳鋼管。

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸

經(jīng)過設(shè)計(jì)和計(jì)算的環(huán)節(jié)，確定換熱器管程的數(shù)量是2管程；傳熱管總根數(shù)是356根；管程排列每程內(nèi)是按照正方形進(jìn)行排列，隔板周圍也是按照正方形排列，管心距是32mm；橫過管束中心線管數(shù)是23根；殼體內(nèi)徑是900mm；拆流板間距是500mm；拆流板數(shù)量是3塊；殼程流體接管內(nèi)徑是0.451m，管程流體接管內(nèi)徑是0.218m。

3.4換熱器內(nèi)流體流動(dòng)阻力

4結(jié)語

綜上所述，列管式換熱器具有結(jié)構(gòu)牢靠、耐高壓的特點(diǎn)，而且制造工藝相對(duì)比較成熟，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，且材料選擇范圍比較廣泛，因此在諸多工業(yè)行業(yè)中都有應(yīng)用。本文對(duì)列管式換熱器設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，按照設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)換熱器的熱負(fù)荷、平均傳熱溫差、冷卻水用量、總傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出傳熱面積，經(jīng)過設(shè)計(jì)和計(jì)算的環(huán)節(jié)確定工藝結(jié)構(gòu)尺寸，最后經(jīng)過換熱器內(nèi)流體流動(dòng)阻力驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，列管式換熱器設(shè)計(jì)確保流動(dòng)阻力始終處于允許的范圍之內(nèi)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求，結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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