管殼式換熱器結構設計與強度計算中的重要問題

楊瑞嶺

摘? ? 要：隨著改革開放的進一步深化，我國各個行業不斷崛起，很多行業都是從無到有，一步步發展起來的，在發展的過程中難免會遇到各種各樣的困難，所以到目前為止，許多行業雖然在發展，但是發展并不完善。一個企業的發展需要一個優秀的領導者，而一個行業的發展靠的是細致詳盡的完備制度。本文中探討的管殼式換熱器行業中雖然做出了相應的規定，但是在許多問題上仍然不能有有效的解決，尤其是在結構設計和強度計算這兩方面。接下來，就這些問題進行探討、分析和解決。

關鍵詞：管殼式換熱器;設計結構;強度計算;問題解決

1? 引言

雖然有了GB/T 151—2014《熱交換器》這樣的標準，但執行起來還是有很多不合理情況。

2? 管殼式換熱器概述

管殼式換熱器又被人稱為列管式換熱器，主要是因為它的整體形狀從外觀看起來就像陳列的管子一樣。它的工作原理是在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。管殼式換熱器的主要結構有：殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件。管殼式換熱器的工作原理主要是對冷熱兩種氣流進行交換，一種氣流在管內流動，被稱為管程流體;另外一種氣體在管外流動，被稱為殼程流體。擋板的作用是提高管外流體的傳熱分系數，通常擋板會安裝在殼體內部，迫使流體按規定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流程度。管殼式換熱器是目前應用最為廣泛，主要原因是管殼式換熱器的結構十分的簡單，而其安全性能卻相比較之下更為可靠，并且它十分百搭，可以廣泛應用各種材料，尤其是對金屬材料，能夠耐的住高溫，能夠在高壓狀態下使用。管殼式換熱器的種類也非常豐富包括：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器和U型管式換熱器。固定管板式換熱器的結構相對簡單，是將管束兩端的與殼體連接在一起，固定管板式換熱器因為其管板與殼體的固定，所以可以應用于清洗相對簡單，不需要經常拆卸清洗的地方。另外，固定管板式換熱器不宜使用在溫度極差大的地方。浮頭式換熱器是指管束其中的一端的管板是可以自由浮動起來的，這樣整個管束就方便從殼體中取出，便于清洗和對換熱器的維修保養。雖然浮頭式換熱器能夠彌補固定管板式換熱器的不足，但是浮頭式換熱器的結構復雜，造價也相對較高。最后的U型管式換熱器，換熱管束都被彎曲成U型，兩端均被固定在同樣管板上下區，借助管板分割成進出兩室，這種結構相對于浮頭式簡單，但是卻因為管型的形狀特殊不便于清洗[1]。

3? 管殼式換熱器結構設計問題與強度計算中的重要問題

3.1? 熱交換器筒體最小厚度

與尺寸外形相同的臥式容器相比，臥式容器的質量要大的多。因為筒式中有管束、折流板和管板等管束組件，其質量比臥式的大的多。臥式容器的是有嚴格的標準的，在GB/T 151—2014《熱交換器》中有對于臥式容器中有許多應力計算的標準，其中甚至包括了計算鞍座部位筒座的局部應力。由于熱交換器中還要安裝許多的零部件，所以熱交換器中還要有重疊安裝的要求，這樣的重疊安裝的方式還有助于后期在檢修要求下對熱容器內部核心的檢查。要滿足以上要求，就要規定筒體的厚度，來滿足其剛性能達到要求。在GB/T 151—2014《熱交換器》中有對熱容器最小厚度進行規定，但是其規定的熱交換器的最小厚度比實際生產中所要求的要大。其實熱容器最小厚度不能一概而論，這與其的材料、筒體的直徑大小都是有關系的。在同樣的材質下，GB/T1 51—2014《熱交換器》中規定的最小厚度值要比實際生產中的大，這樣會使得筒體各方位的截面所能承受住的應力降低的。不僅于此，在生產過程中還要加入各種零部件，使其情況更為復雜化，“空筒”與實際的規定并不相同，所以臥式熱容器的標準并不適用于熱容器的實際生產情況這是管殼式換熱器結構設計余強度計算中應注意的一個重要問題。

3.2? 弓形折流板缺口布置

弓形折流板的設計在管殼式換熱器結構設計中占有著重要的位置，折流板是管殼式換熱器中的重要組成部分。弓形折流板設計的重點在于折流板缺口設計的位置，弓形折流板的位置設計有兩種，一種是上下式設計，另外一種是左右式設計，設計為主要根據實際需求為主要參考。注意實際情況是要考慮進入殼體物質的形態，當進入殼體的物質是氣液并存的狀態時，弓形折流板缺口的位置必須左右設置。因為氣體總是從殼體的上方一端進入到另一端，如果折流板缺口設計成上下位置時，氣體從第一塊折流板是上方進入，就必須從下方出去。在氣液共存的狀態下，經過第二塊折流板時，溫度下降，氣體有一部分液化成為了液體，由于氣溫的驟減氣體液化成為液體的速度就會很快，一旦液化作用的速度過快，液化的液體形成的速度大于下面口排出液體的速度，就會造成管道的堵塞，使換熱器無法正常工作，極其容易造成事故。但是如果只是單相的液體時，則適宜采用上下位置設計。如果采用左右位置設計，液體不宜流通，熱的液體總是會處于上方，而溫度低的液體會一直處于下方，流體溫度場分布不均勻，會嚴重影響換熱效率。但是采用上下分布時，液體由高處流向低處，會起到一個攪拌的作用，使液體溫度趨于均勻。當流進殼體的介質是氣體時，對于折流板設計的位置要求并不高，無論從哪個方位都是從高到低均勻流入。

3.3? 立式換熱器中拉桿的固定方位

換熱器的拉桿一般是在組裝時起到固定作用的，但是立式換熱器的拉桿除了起到固定作用外，還要起著承重作用，立式換熱器的拉桿還要承擔著折流板和定距管的重量，拉桿的上端的螺紋承受著軸向的拉力。當進入殼體的氣體或液體具有腐蝕性時，就會腐蝕螺紋，使螺紋受到侵蝕，紋路淡化，螺紋松動;另一方面，因為是拉桿上的螺紋，拉桿受到外界撞擊最多，螺紋受到的振動就越多，振動的作用下會使得螺紋變松，也極有可能會因為松動使折流板下落，這兩種情況都非常容易造成更大的振動。但是如果將拉桿固定在下端的話，拉桿不需要承擔承重的壓力，不存在軸向承重的壓力，也就不會存在上面討論的問題了。

3.4? 防沖板的布置

在殼體上一般都會安裝防沖板，防沖板的安裝方法有兩種一種是將防沖板固定在上文中提到過的拉桿的定距管上;另外一種是直接將防沖板安裝在殼體的筒體上面。第一種安裝方法安裝較為復雜，涉及到的零部件也較多，不宜采用。第二種安裝方法，結構簡單安裝也相對簡單，采用較為廣泛但是值得注意的點是，在安裝時不能將防沖板安裝在拉桿的固定端與其安裝在一側，如果安裝在拉桿的固定端一側，這兩種零部件容易造成磕碰情況的發生，導致換熱器無法安裝。

3.5? 換熱管軸向壓縮

當換熱器承受軸向壓力，應按軸向壓桿失穩進行控制。在GB/T151-2014《熱交換器》中有關于對換熱器軸向壓縮的標準，其安全系數的規定是2.0。但是在實際應用中軸向失穩的承受能力是有限的。但是對換熱器來說用來校驗軸向失穩的承受能力應該校驗的是其承受壓力最為強的部分，其他換熱管的區域并沒有同樣承受巨大的壓力，甚至有些并沒有受到負向壓力，而是處于正向拉伸的狀態。所以換熱管的軸向失穩是呈區域性分布的，在這種特性之下應將換熱管的軸向失穩的安全系數放寬，放寬至1.5時其也是安全狀態。

4? 結束語

雖然管殼式換熱器結構設計與計算強度上已經出臺了相關的規定，但是不能完全按照規定進行，也要考慮實際生產當中總結出來的經驗，制定其更加完善。

參考文獻：

[1] 尚雪盛，賈亮.淺談管殼式換熱器的選用標準和設計[J].中國石油和化工標準與質量，2017（10）：181～182.

[2] 黃勇力，桑如苞.關于Waters法設計法蘭方法的考證[J].石油化工設計，2009（3）：57～59.