淺析管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)

謝學(xué)堅(jiān)

【摘 要】作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，管殼式換熱器在能源、石油、化工等很多工業(yè)部門中被大量使用，應(yīng)用十分廣泛，并占有一定的主導(dǎo)地位。隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展和進(jìn)步，工業(yè)裝置也逐漸向大型化和高效率化發(fā)展，使得換熱器的發(fā)展也不斷的大型化，這就對(duì)大型換熱器的產(chǎn)品質(zhì)量、系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、能量利用效率等工藝設(shè)計(jì)方面的要求越來(lái)越嚴(yán)格。本研究主要從管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)的原理入手，重點(diǎn)分析了管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題以及設(shè)計(jì)原理與方法研究。

【關(guān)鍵詞】管殼式換熱器；工藝設(shè)計(jì)；注意事項(xiàng)；研究進(jìn)展

管殼式換熱器就是指以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，也叫做列管式換熱器。具有操作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清洗方便、生產(chǎn)成本較低、易于制造、選材范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)、能適應(yīng)高溫高壓等特點(diǎn)，是現(xiàn)階段在能源、石油、化工等很多工業(yè)部門中應(yīng)用最廣的換熱器類型。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的日新月異對(duì)換熱器提出了新的要求，使得管殼式換熱器在應(yīng)用實(shí)踐和設(shè)計(jì)理念上都面臨一系列新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，本研究主要從管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)的原理入手，重點(diǎn)分析了管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題以及設(shè)計(jì)原理與方法研究，促使管殼式換熱器在21世紀(jì)的今天充滿生機(jī)與活力。

1 管殼式換熱器的基本概

1.1 管殼式換熱器的概念

管殼式換熱器是一種在輕工、化工、石油、能源、制藥等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛運(yùn)用的，以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，又叫做列管式換熱器。這種管殼式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單由殼體、管板、傳熱管束、折流板以及管箱等部件組成。管殼式換熱器操作方便、可靠、適合在高壓及高溫下使用，是目前應(yīng)用最廣的一種換熱器類型。

1.2 管殼式換熱器的工作原理

管殼式換熱器的工作原理是通過(guò)換熱器來(lái)完成液體汽化成蒸汽或者蒸汽冷凝成液體、低溫流體加熱或者高溫流體冷卻等過(guò)程中間的熱量傳遞，管殼式換熱器的殼體以圓筒形為主，內(nèi)部裝有管束，并且其兩端固定在管板上，分為兩種換熱流體：一種，是管程流體，是指流體在管內(nèi)流動(dòng)；一種，是殼程流體，是指流體在管外流動(dòng)。與此同時(shí)，殼體內(nèi)通常裝有若干擋板，不僅可以使流體按規(guī)定路程多次橫向通過(guò)管束，還能提高殼程流體速度，增強(qiáng)流體湍流程度，提高管外流體的傳熱分系數(shù)。管板上的散熱管通常分為等邊三角形或正方形兩種排列方式，前者排列方式使得散熱管之間彼此排列緊湊，進(jìn)而增大了管外流體湍動(dòng)程度和傳熱分系數(shù)。而正方形排列方式則主要適用于易結(jié)垢的流體，是以方便清洗為主。

2 管殼換熱器的工藝設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷快速發(fā)展，以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)的各種不同型式不同種類的換熱器逐漸涌現(xiàn)出來(lái)，以滿足在能源、石油、化工等很多工業(yè)部門中的應(yīng)用。現(xiàn)階段，我國(guó)已經(jīng)建立相關(guān)種類的換熱器標(biāo)準(zhǔn)，建立并完善了換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件，使得現(xiàn)有的管殼式換熱器的設(shè)計(jì)技術(shù)更具科學(xué)性，在結(jié)構(gòu)上安全可靠，在操作上也是便于操作、維修和安裝，并且在價(jià)錢上也符合基本要求，能夠得到廣泛的應(yīng)用。首先，管殼式換熱器一端的管板在殼體內(nèi)是可以自由浮動(dòng)的，而另一端管板則是與殼體固定的，能夠確保在兩種介質(zhì)的溫差較大時(shí)，管束和殼體之間不存在溫差應(yīng)力。其次，管殼式換熱器的浮頭端能更易于管束插入或抽出殼體，被設(shè)計(jì)為可拆結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)不僅能夠保證管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動(dòng)，還能確保浮頭部分在進(jìn)行安裝、清洗以及檢修的時(shí)候更加的方便。

3 管殼換熱器設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題

3.1 存在鋼板、鋼管負(fù)偏差問(wèn)題

一般情況下，管殼換熱器設(shè)計(jì)中經(jīng)常存在鋼板、鋼管負(fù)偏差問(wèn)題，必須要給予足夠的重視，一旦存在這種負(fù)偏差的問(wèn)題，就很容易導(dǎo)致管殼換熱器開孔補(bǔ)強(qiáng)不足。鋼管負(fù)偏差問(wèn)題主要分為兩大類：首先，管殼換熱器設(shè)計(jì)中管束存在級(jí)別問(wèn)題，這會(huì)對(duì)管板和折流板管孔之間的公差精度產(chǎn)生一定影響。其次，換熱管的材質(zhì)的不同也會(huì)對(duì)管孔公差產(chǎn)生一定影響，在一定程度上會(huì)影響到管殼換熱器的開孔補(bǔ)強(qiáng)效果。只有在鋼材的厚度負(fù)偏差小于0.25mm，且不超過(guò)實(shí)際厚度的6%時(shí)，鋼材厚度的負(fù)偏差值才可以省略不計(jì)。

3.2 劃類、程數(shù)問(wèn)題

受我國(guó)國(guó)內(nèi)配件實(shí)際配套能力較低的影響，現(xiàn)階段存在的對(duì)于工藝性能的結(jié)構(gòu)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工藝要求。在進(jìn)行管殼換熱器壓力腔管理過(guò)程中，沒(méi)有嚴(yán)格按照每個(gè)壓力腔各自的類別而分別提出設(shè)計(jì)要求和制造技術(shù)要求，在進(jìn)行壓力腔類別劃定時(shí)，沒(méi)有嚴(yán)格按照壓力腔的設(shè)計(jì)壓力以及壓力腔的幾何容積進(jìn)行取值，使得管殼換熱器在劃類、管程分程方面存在很大的問(wèn)題。

3.3 熱處理問(wèn)題

首先，在管殼換熱器的浮頭蓋以及管箱的熱處理方面存在問(wèn)題，沒(méi)有對(duì)低合金鋼或者碳鋼制的焊有分程隔板的浮頭蓋、管箱和管箱的側(cè)向開孔超過(guò)1/3圓筒內(nèi)徑的管箱進(jìn)行熱處理工作。其次，冷軋的強(qiáng)化換熱管缺少必要的熱處理工作，因此不能提高鋼管的耐應(yīng)力腐蝕。最后，黃銅等有色金屬冷軋的強(qiáng)化換熱管同樣缺少必要的熱處理工作。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)未明確的幾個(gè)問(wèn)題

管殼換熱器設(shè)計(jì)中尚存很多標(biāo)準(zhǔn)未明確的問(wèn)題。首先，現(xiàn)階段存在的墊片設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中給出的常用的墊片性能，只是簡(jiǎn)單的提供了幾種新材料的墊片系數(shù)以及比壓力數(shù)值以供參考，不能完全滿足實(shí)際的墊片設(shè)計(jì)要求。其次，現(xiàn)存的A型和B 型兩種鉤圈各自存在優(yōu)缺點(diǎn)，沒(méi)有嚴(yán)格的使用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。最后，就是在設(shè)計(jì)壓力較高的情況下，標(biāo)準(zhǔn)中要求的換熱器中的浮頭法蘭和鉤圈外徑已經(jīng)不能滿足螺柱直徑的不斷增大的需求。

4 管殼換熱器的設(shè)計(jì)原理與方法研究

4.1 Colburn2Donohue法

受管殼式換熱器殼側(cè)的流動(dòng)和傳熱過(guò)程比較復(fù)雜的影響，1933年Colburn 提出以理想管排數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的殼側(cè)傳熱系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式，但是由于換熱器中流體的傳熱與流動(dòng)阻力是同時(shí)進(jìn)行著的，二者之間彼此相互制約，存在一定缺陷。于是1949 年，Donohue 對(duì)Colburn的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了修正，在設(shè)計(jì)計(jì)算中將換熱器中流體的傳熱與流動(dòng)阻力作為一個(gè)整體考慮，提出了完整的管殼式換熱器綜合設(shè)計(jì)方法，也被叫做Colburn2Donohue法。

4.2 Kern法

在Colburn2Donohue法的基礎(chǔ)上，Kern 同時(shí)將傳熱溫度分布、殼程2管程流動(dòng)、 污垢及結(jié)構(gòu)等問(wèn)題作為一個(gè)設(shè)計(jì)整體來(lái)處理，這種設(shè)計(jì)對(duì)于管殼式換熱器研發(fā)很有價(jià)值，也被稱之為Kern法。

4.3 Bell2Delaware法

在Colburn 等完成的 Delaware 研究計(jì)劃成果的基礎(chǔ)上，1963 年Bell 利用大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)傳熱、流動(dòng)與結(jié)構(gòu)綜合效應(yīng)進(jìn)行了考慮，提出 Bell2Delaware 法。但這種改進(jìn)管殼式換熱器殼程的工藝設(shè)計(jì)適用范圍存在一定限制。

4.4 流路分析法

由于Bell2Delaware 法存在一定的局限性，美國(guó)傳熱研究公司提出了具有獨(dú)創(chuàng)性的流路分析法。并在1984年被Wills和Johnson簡(jiǎn)化，這是一種依賴各種流路阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，使用非常方便。

4.5 基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)法

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，研究者通過(guò)建立換熱器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使得管殼式換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程更為簡(jiǎn)單，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了換熱器的三維流動(dòng)和傳熱行為數(shù)值模擬工作，從（下轉(zhuǎn)第17頁(yè)）（上接第30頁(yè)）根本上解決管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和放大問(wèn)題。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]