淺析管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)

翟向輝 李楠

【摘要】隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)管殼式換熱器的研究及應(yīng)用得到了快速的發(fā)展，能夠進(jìn)一步滿足社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，為我國社會(huì)生產(chǎn)的穩(wěn)定、可持續(xù)性發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。本文通過管殼式換熱器的產(chǎn)品概述和工作原理介紹，分析管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)過程中存在的問題，然后進(jìn)一步分析工藝設(shè)計(jì)的原理以及方法，并通過選擇并確定合理的方法完善工藝設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】管殼式換熱器；設(shè)計(jì)；問題

隨著人們生活水平質(zhì)量日益提高，細(xì)節(jié)品質(zhì)更加受到人們的重視。熱能作為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦胁豢苫蛉钡慕M成部分，其提供方式一直受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，管殼式換熱器作為熱能提供的主要設(shè)備之一，始終受到普遍應(yīng)用和重視，其技術(shù)和發(fā)展速度又有所提高。但是還要不斷的結(jié)合先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對其進(jìn)行完善和創(chuàng)新，完善其工藝過程設(shè)計(jì)，才能夠從根本上保障熱能的穩(wěn)定性和質(zhì)量。

1、管殼式換熱器的概述

1.1 管殼式換熱器的概念。管殼式換熱器憑借其諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了人們的認(rèn)可并且廣泛的應(yīng)用到生產(chǎn)和生活中，比如化工、石油以及能源等諸多領(lǐng)域，它是以封閉在殼體中的管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。其主要由殼體、傳熱管束、管板以及折流板等部件組成，其具有操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，并且適合高溫和高壓工作等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 管殼式換熱器的工作原理。管殼式換熱器是通過傳熱管束來完成液體汽化成蒸汽或者蒸汽冷凝成液體等過程中的熱量傳遞，管殼式換熱器的殼體主要是以圓筒的形式為主，內(nèi)部有管束并且將其固定在管板的兩端，進(jìn)而將其分為兩種換熱流體。其一，管程流體，主要就是指在管束內(nèi)流動(dòng)的流體。其二，殼程流體，其主要就是指管外流動(dòng)的流體。同時(shí)，殼體內(nèi)還設(shè)置有若干擋板，擋板不僅能夠使流體根據(jù)規(guī)定的路程進(jìn)行多次橫向的流動(dòng)，還能夠有效的提高殼程流體的速度，從而有效的提高管外流體的傳熱系數(shù)。

管板上的換熱管可分為等邊三角形和正方形兩種排列方式：其中等邊三角形的排列方式是通過增加換熱管之間的緊湊程度從而提高傳熱系數(shù)，但不便于清洗；正方形的排列方式適用于比較容易產(chǎn)生結(jié)垢的流體，其優(yōu)點(diǎn)就是便于清洗。

2、管殼式換熱器設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)

2.1 存在鋼板、鋼管負(fù)偏差問題。目前，我國管殼式換熱器結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中往往會(huì)面臨著鋼板以及鋼管負(fù)偏差的問題，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員必須要加以重視。鋼板的負(fù)偏差會(huì)導(dǎo)致管殼式換熱器開孔補(bǔ)強(qiáng)不足。鋼管負(fù)偏差問題主要可以分為兩大類：其一，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候管束存在著問題，進(jìn)而會(huì)對管板和折流板管孔之間的公差精度造成一定的影響；其二，換熱管本身的材質(zhì)也會(huì)對管孔公差帶來一定的影響，從而在一定程度上直接影響到開孔補(bǔ)強(qiáng)的效果。

2.2 劃類、程數(shù)問題。我國目前的實(shí)際配件能力還比較低，對于工藝性能的結(jié)構(gòu)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工藝的基本要求。管殼式換熱器在壓力容器管理的時(shí)候，并沒有嚴(yán)格的按照相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)提出設(shè)計(jì)要求和制造技術(shù)的要求。并且在進(jìn)行類別劃分的時(shí)候，并沒有按照相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何容積的取值，從而導(dǎo)致管殼式換熱器在劃類和管程分程方面存在著比較大的問題。

2.3 熱處理問題。管殼式換熱器的浮頭蓋以及管箱在進(jìn)行熱處理的時(shí)候面臨著一定的問題，無法對低合金鋼以及碳鋼制的浮頭蓋以及管箱的側(cè)向進(jìn)行熱處理。另外，由于冷軋換熱管并沒有進(jìn)行相應(yīng)的熱處理工作，進(jìn)而無法提高鋼管本身的耐應(yīng)力腐蝕，黃銅等有色金屬冷軋的換熱管也沒有經(jīng)過任何的熱處理工作。

3、前端管箱的選取原則

在GB151中分別列出了A、B、C、N、D五種前端管箱型式，這五種前端管箱都是固定的形式。從其結(jié)構(gòu)上看，B型管箱維護(hù)時(shí)，需要移去整個(gè)前端管箱，比較麻煩，但其造價(jià)便宜，適合清潔介質(zhì)；A、C、N型管箱都可以通過拆除前端管箱的法蘭蓋進(jìn)行維護(hù)；C型管箱的管板與管箱是集成一體的；N型管箱除管板管箱集成外，還將管板和殼體之間直接焊接，以減少泄漏；D型管箱為特殊高壓管箱。

4、換熱管的選取原則

在GB151中給出了不同材質(zhì)的常用管換熱規(guī)格和偏差。經(jīng)過計(jì)算，同樣的金屬材料和壁厚，小管徑的換熱管可以提供更大的換熱面積，管子排布更緊湊，造價(jià)更加便宜。以外徑分別為25mm和19mm，壁厚為2mm的換熱管為例計(jì)算，每立方米鋼材可以提供的換熱面積依次是0.379m2/m3和0.559m2/m3，后者比前者的換熱面積增加47.5%。因此在做換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇小外徑的換熱管。

但是當(dāng)外徑小于19mm時(shí)，進(jìn)行機(jī)械清理十分困難，只能用化學(xué)方法清理。所以易結(jié)垢結(jié)塊的物料不宜采用小外徑的換熱管，應(yīng)盡量采用外徑25mm及以上的管子。對于有汽液兩相流的物流，例如再沸器、鍋爐等，多采用32mm的外徑。

5、管殼換熱器的工藝設(shè)計(jì)原理與方法

5.1 Colburn2Donohue法。由于管殼式換熱器會(huì)受到殼側(cè)流動(dòng)以及傳熱過程中一些因素的影響，早在上個(gè)世紀(jì)三十年代由Colburn提出了以理想管排數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的殼側(cè)傳熱系數(shù)計(jì)算公式，但是由于換熱器內(nèi)部的流體傳熱和流動(dòng)阻力是同時(shí)進(jìn)行的，二者相互制約，所以導(dǎo)致這公式存在著一定的局限性。隨著時(shí)代的變化和發(fā)展，Donohue在Colburn公式的基礎(chǔ)上不斷的完善，在設(shè)計(jì)計(jì)算中加入了換熱器流體傳熱以及流動(dòng)阻力的考慮，從而提出了比較完整的管殼式換熱器綜合設(shè)計(jì)方法，即Colburn2Donohue法。

5.2 Kern法。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在Colburn2Donohue法的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的完善，由Kern對傳熱溫度的分布以及污垢結(jié)構(gòu)等方面的問題進(jìn)行了綜合考慮，有利于管殼式換熱器的進(jìn)一步發(fā)展，被業(yè)內(nèi)廣泛的認(rèn)可，即Kern法，是目前管殼式換熱器的重要設(shè)計(jì)參考書。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，社會(huì)各個(gè)行業(yè)對管殼式換熱器的需求日益增多，并且對其要求越來越高。為了能夠滿足社會(huì)各界對管殼式換熱器的需求，換熱器在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要注重以上所提到的問題，并選擇合適的計(jì)算方法，從根本上保障換熱器的質(zhì)量和效率。

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