四管程熱交換器管板分程處面積的計算**

任 園 張衛義 孫笠鋒 夏 莉

(1.北京石油化工學院機械工程學院；2.中國石化工程建設有限公司)

四管程熱交換器管板分程處面積的計算**

任 園**1張衛義1孫笠鋒1夏 莉2

(1.北京石油化工學院機械工程學院；2.中國石化工程建設有限公司)

給出了管板分程處面積的定義，介紹了四管程熱交換器3種不同流動形式下換熱管正方形排列時管板分程處面積的計算方法，并區分了U形管式與其他類型熱交換器管板分程處面積的計算方法。

四管程熱交換器 管板分程處面積 正方形排列 流動形式

管板是熱交換器主要受壓元件中最危險的部件，因此其開孔結構、設計厚度及整臺設備金屬材料的用量等對熱交換器的安全運行十分重要。

在用SW6軟件進行熱交換器管板設計計算時，當管程為兩程或兩程以上時，設計者需輸入管板的分程隔板槽面積。GB/T 151-2014給出了管板分程處面積的定義和雙管程熱交換器4種不同排列方式換熱管孔的管板分程處面積計算公式[1]，但對于管程為兩程以上時的管板分程處面積并未給出明確的計算方法。管板分程處面積的計算正確性對管板厚度的計算具有一定影響，尤其對于換熱器直徑較小、管程數又較多的管板[2～4]。為此，筆者以正方形排列的換熱管為例，對3種不同流動形式的四管程熱交換器管板分程處面積進行了計算，并區分了U形管與其他類型熱交換器的管板分程處面積計算方法，以期為壓力容器設計人員提供一定的參考。

1 管板分程處面積的定義

GB/T 151-2014定義，管板分程處面積是指在布管區范圍內，因設置分程隔板和拉桿結構的需要，而未能被換熱管支承的面積(Ad)。由于拉桿結構數量有限且占據的面積相對隔板開槽面積很小，故拉桿結構占據的面積可忽略不計。

2 管板分程處面積的計算

正方形排列的換熱管如圖1所示，正方形排列的換熱管對管板支承作用的面積是以換熱管管孔中心為圓心，以換熱管中心距離為邊長的正方形面積。

圖1 正方形排列的換熱管

GB/T 151-2014中四管程熱交換器的流動形式有3種(圖2)，No.1～No.3分別表示3種不同形式的隔板結構。

圖2 四管程熱交換器的前后端隔板結構

2.1No.1管板分程處面積

固定管板式、浮頭式和填料函式的熱交換器，由于前后端管板上的開槽結構不同，用于計算管板厚度的管板分程處面積應是前后端管板分程處面積的“并集”。管板分程處面積為圖3中的陰影部分，管孔的排列方式是上下對稱結構。計入的管孔數遵循的原則為：隔板槽兩側的排管根數不一致時，以多者計入。則Ad的計算式為：

Ad=2n′S(Sn-S)+n″S(Sn1-S)

式中n——管板布管區內的管孔數；

n′、n″——隔板槽(橫向或縱向)一側的排管根數；

S——換熱管的中心距，mm；

Sn、Sn1——隔板槽兩側相鄰管的中心距，mm。

Sn、Sn1可相同可不同，在此只是為了區分。

圖3 No.1管板分程處面積示意圖

U形管熱交換器存在特殊的彎管結構，即只存在前端管板，因此只需計算前端管箱隔板管板分程處面積即可。U形管熱交換器管板分程處面積為圖4中的陰影部分，則Ad的計算式為：

Ad=2n′S(Sn-S)

圖4 U形管熱交換器No.1管板分程處面積示意圖

2.2No.2管板分程處面積

當固定管板式、浮頭式、填料函式和U形管式的熱交換器為No.2流動順序時，管板分程處面積Ad為圖5中的陰影部分。需要說明的是，由于U形管式熱交換器只存在前端管板隔板結構，所以隔板槽設計形式為圖5中的雙陰影部分。另外，圖5中的管板結構右側雖未設置隔板槽，但是由于熱交換器布管的對稱性，右側的陰影面積也屬于未被換熱管支承的面積[5]。則Ad的計算式為：

Ad=2n′S(Sn2-S)+2n″S(Sn1-S)+(Sn1-S)(Sn2-S)

式中Sn2——隔板槽兩側相鄰管的中心距，mm。

圖5 No.2管板分程處面積示意圖

2.3No.3管板分程處面積

當固定管板式、浮頭式和填料函式的熱交換器為No.3流動順序時，管孔左右上下對稱布置，管板分程處面積Ad為圖6中的陰影部分，其計算式為：

Ad=4n′S(Sn1-S)+[n″S+2(Sn1-S)](Sn2-S)

圖6 No.3管板分程處面積示意圖

U形管式熱交換器管板結構無法采用No.3流動順序，因此不存在此種形式的管板分程處面積計算。

3 結束語

熱交換器在化工和石油化工生產中應用廣泛，管板是熱交換器中的關鍵受壓元件，因此，合理、可靠又經濟的熱交換器管板結構是熱交換器設計中的重要環節。筆者以正方形排列換熱管孔為例，對GB/T 151-2014中四管程熱交換器3種不同流動方式隔板槽結構的管板分程處面積進行了計算，并區分了U形管式熱交換器與其他類型熱交換器的管板分程處面積的選擇和計算方法。筆者雖然只給出了正方形排列換熱管孔的四管程管板分程處面積的計算公式，但其他換熱管孔排列形式的四管程管板分程處面積仍可參照上述方法計算。

[1] GB/T 151-2014,熱交換器[S].北京:國家標準化管理委員會,2014.

[2] 劉瑩,趙鑫,李愛秋,等.換熱器分程隔板槽面積的計算[J].遼寧化工,2013,42(7):800～801.

[3] 蔣小文,丘波.管板分程隔板槽面積的計算與分析[J].化工設備與管道,2012,49(1):9～14.

[4] 張娟,錢宏利.管殼式換熱器管板分程隔板槽面積的計算與探討[J].純堿工業,2013,(4):32～34.

[5] 畢庶力,何志萍.U形管換熱器管板隔板槽面積計算[J].石油化工設備,2009,38(1):53～55.

CalculationofBulkheadTankAreainHeatExchangerwithFour-tubeSides

REN Yuan1, ZHANG Wei-yi1, SUN Li-feng1, XIA Li2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology,Beijing102617,China; 2.SinopecEngineeringIncorporation,Beijing100101,China)

The definition of bulkhead tank area was implemented and the calculation method of bulkhead tank area arranged squarely and with three different flow ways was described, including the difference in calculating the bulkhead tank area of U-type heat exchangers and other types of heat exchangers.

heat exchanger with four-tube sides, bulkhead tank area, squarely arranged, flow ways

**任 園，男，1988年11月生，碩士研究生。北京市，102617。

*北京市教委科研面上項目(KM201010017001)。

TQ051.1

A

0254-6094(2016)05-0602-03

2015-10-12)

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