浮頭式換熱器的設計與研究

陳國艷 沈 錚 馬尚禎

（1、河南理工大學，河南 焦作454000 2、陜西富源煤業有限公司，陜西 延安727502）

隨著經濟的繁榮發展，不同種類的換熱器在不斷的發展，被廣泛用于工業的方方面面。過去的幾年間，浮頭式換熱器依靠性能穩定，環境惡劣的條件下依然能良好運轉的特點，引起了行業內的關注。在資源日益缺乏的當下，怎樣改進內部結構，優化整體設計，使浮頭式換熱器更加迎合各個領域的需求，是目前急需要解決的問題[1-4]。

1 浮換熱器簡介

浮頭式換熱器是由管箱、殼體、管束、浮頭蓋、外頭蓋等零部件組成。管板一端的管束可以自由的浮動是其最大的特點，由于在使用過程中受溫差變化影響較小，因此不會產生溫差應力，即不受溫差應力的影響，但其結構復雜、內浮頭密封困難、鍛件多、造價高。因此設計換熱器，必須從實際出發，同時考慮到各種情況的發生：制造工藝的限制、設備結構可靠性和安全性，同時還要考慮控制生產成本和維修時的便利，從這些應用設計的各方面因素分析來看，浮頭式換熱器的優點較為顯著，其主要體現在：配置了管束設計能夠進行抽出式清洗，且能夠保障流體溫差并不會對整體工作穩定性造成實質性的影響，高溫高壓下可以穩定運行，在結垢較為嚴重和管程發生腐蝕的工作環境下正常運行[1-2]。

浮頭式換熱器在同樣的殼體半徑下，布管的數目越多，換熱面積越大。殼程封頭接管與浮頭接管間通過填充進行密封，為了保證內部密封，浮頭封頭接管外壁上的擋板與殼程封頭接管內壁之間的膨脹間隙只有1mm 左右，在工作期間易發生摩擦碰撞。因此對于這些問題，我們需要重新優化設計[1]。

2 換熱器制造工藝優化

2.1 箱體的優化制造：換熱器前端可以采用封頭式管箱，其優點：結構簡單、方便制造、適于高壓、清潔介質，可省掉一塊造價高的管板、法蘭，且橢圓封頭相比平端蓋的受力情況要好得多。換熱器后端一般采用帶鉤圈的浮頭結構的管箱[2]。

2.2 管束的優化排布：換熱器內部管束的排布有四種排列方式：等邊三角形排列、正方形排列、轉角三角形錯列排列、圓形排列。等邊三角形排列與介質流向垂直，是比較常見的排列方式，和正方形排列方式相比，等邊三角形排列管束之間距離相等，在相同的管板面積下，能夠排布更多的換熱管，但是等邊三角形排列不易清洗。轉角三角形錯列排布（圖1）介于正三角形和正方形排列之間，因為換熱管的外部易形成影響傳熱的冷凝膜，適用于內部介質易結垢的換熱器，這種排布易于清洗，適合用于浮頭式換熱器[2-3]。

2.3 換熱管的優化制造：在換熱器內部，換熱管起到支撐隔板作用，防止纏繞。換熱管的強度與外徑影響換熱器的使用效率。從圖2 來看，在相同功率下，管束的外徑越小，換熱器的重量越低，越節約制造成本，因此使用外徑R19mm 的換熱管，性價比更高。換熱管可以采用卷制焊接后接精密切削的工藝，使熱管的誤差在±1mm，直線度的偏差要求接近0，壁厚1.5mm,可以使換熱效果更加明顯，同時增加了換熱管的使用壽命[3]。

圖1 換熱管管板和管束排布

圖2 管束長度與換熱器重量的關系

3 浮頭式換熱器的問題以及改進

浮頭式換熱器在使用的過程中，由于操作不當、溫度變化、密封較差等，嚴重影響換熱器的正常工作，因此我們要分析常見的問題以及改進的措施：

表1 浮頭式換熱器的創新發展

3.1 密封泄露

在換熱器進行工作時，管箱與管板處易發生密封泄露，影響清潔工作和內部換熱管的運行。很多換熱器都會使用耐油橡膠墊或者打密封膠的辦法來防止泄露，但是耐油橡膠墊因其制造工藝的原因，內部會有許多微小的間隙，在密封的過程中，由于介質的腐蝕，內部的液體會慢慢從間隙中泄露出來，失去作用。密封膠有著同樣的問題，在噴涂密封膠的時候，由于空氣的存在，無法保證完全的密封，也會出現上面的情況。因此，我們可以采用不銹鋼包石墨墊的方法，由于石墨性質穩定，具有分布均勻、不易與內部的介質發生反應、使用壽命長等優點，可以防止頻繁泄露。

3.2 腐蝕穿孔

在換熱的過程中，高溫蒸汽從入口進入換熱器內部，用來加熱介質，在完成換熱循環后，隨著溫度的降低，蒸汽逐漸變為冷凝水，因為生產不是連續的，會造成大量二氧化碳和氧氣進入換熱管之中，工業上的高溫蒸汽含有很多的雜質，遇冷形成冷凝水的時候會造成氧腐蝕和酸腐蝕，嚴重威脅生產安全，需要格外重視。首先，改變鍋爐中水的PH 值，研究表明PH 值在9.5～10 之間效果最好，采用熱力除氧、海綿鐵除氧等方法來改變鍋爐蒸汽中氧氣的含量，同時，也可以保持連續性生產，避免間隙生產，在關鍵零部件上可以選用不銹鋼產品。

3.3 連接螺栓失效

浮頭式換熱器的連接螺栓失效是一個較為常見的問題，螺栓的失效會對換熱器的運轉產生很大的影響，會造成換熱器停止工作，給接下來的生產活動帶來阻礙。因此，要仔細查找螺栓失效的原因。螺栓制造的時候，部分熱處理工藝沒有達到國家的標準要求，在使用時易發生扭曲斷裂；螺栓的工作環境同樣也是失效的原因之一，氫是造成螺栓韌性下降的重要因素；處于連接處的螺栓，由于換熱器的工作，不可避免的會產生振動，導致螺栓隨之振動，在這個過程中，螺栓內部較為脆弱的部分在振動時會產生裂紋，隨著時間的推移導致整個螺栓發生斷裂。遇到這種情況時，選用可靠廠家生產的螺栓，仔細閱讀說明書，確認氫的含量，保證材料萬無一失；經常檢查螺栓的緊固程度，可以采用定扭矩緊固螺栓，防止振動出現裂紋以及松動；定期檢查清潔換熱器，在運行前保證沒有失效的螺栓。

4 新型浮頭換熱器的創新發展

浮頭式換熱器的發展與創新都是從實踐中得來的，創新的結構是為了解決出現的特定問題（如表1 所示）。

5 結論

浮頭式換熱器在很長的時間內得到大量的研究與創新，本文對近些年的創新發展做出了綜述。浮頭式換熱器是一種效果較好的換熱器，但是還有一些創新的地方仍然需要研究：

5.1 換熱器的制造較耗費材料，因此需要設計新型材料來替代傳統的不銹鋼箱體。

5.2 換熱器內部管束強化傳熱和創新大多數關注于殼程上，管束內部介質因其自身物性，易對管壁造成腐蝕，因此優化管束之間的導流系統是非常有效的手段，也可以嘗試研究管外折流板來提高換熱效率。

5.3 換熱器管程與殼程發展出了許多傳熱模型，隨著浮頭式換熱器新型結構的不斷出現，現有的傳熱模型在解決問題的時候，會遇到困難，因此對于新型換熱結構的傳熱模型的構建仍需進一步的研究。