管殼式換熱器強度計算及其結構優化

【摘要】對于化工企業來說，經常會應用到換熱器。但是由于換熱器的種類較多，在實際使用中影響換熱器的強度的因素也各不相同。為此應該根據實際的情況對換熱器進行再次優化處理。本文本通過以管殼式換熱器為研究對象，在對強度計算進行說明的同時提出合理的結構優化措施。也希望通過對本文的研究說明有助于企業對管殼式換熱器的進一步優化處理。

【關鍵詞】管殼式換熱器；優化；換熱；設計；模型

引言

管殼式換熱器是化工廠常見的設備，如果對換熱器的強度計算出現失誤很容易造成換熱器的損壞以及給企業帶來一定的經濟損失。所以想要加強管殼式換熱器的管理就應該掌握準確、有效的強度計算方法。此外，根據每個企業的實際情況不同，采取合理的結構優化措施。這樣才能有效確保管殼式換熱器安全、穩定、高效運行。

1、管殼式換熱器強度計算

管式換熱器在進行強度計算過程中主要包括兩方面的內容：第一、對換熱器中的筒體、封頭、開孔、支座進行強度計算。第二、對換熱器的特有強度進行計算。其中主要包括有：管子軸向應力、管板厚度計算、筒體軸向應力校核等。當換熱器中使用膨脹節時，那么還需要對膨脹節處進行相應的計算。

1. 1管板的強度計算

由于管板的強度設計跟開孔和與其相連接的管束有直接的聯系，所以在進行管板強度設計的時候要根據實際的情況考慮各種因素。其中對于管板的厚度設計可以分為以下幾種：第一、對管板設計時可以將管板作為受均布載荷的實心圓板，這時圓平板主要承受最大彎曲應力。在進行修正系數添加時還應該考慮到管板開孔消弱以及管束的實際承受對管板的影響。由于這種計算較為簡單，所以在進行管板厚度計算時同樣可以使用。第二、可以把管束作為彈性支承，這時管板則只是作為彈性基礎上的圓平板。在進行管板彎曲應力計算時，還應該充分考慮到管束的剛度、負荷大小等對它的影響。由于這種計算比較精密，隨著電子技術的不斷發展，在以后也將是一種有效的設計方法。第三、以管板上相鄰的四根管子組成的棱形面積為參考依據，計算出在棱形面積處所受到的最大彎曲壓力。由于這種計算方法與實際存在一定的差距，所以只可用作粗略計算。

1.2 圓平板的強度計算

管束對管板的支撐效果根據換熱氣的結構不同而出現相異的變化。其中主要表現在：固定管板式換熱器的管束對管板主要起到了支撐效果，但是U形管式換熱器管子卻對管板起不到任何支撐作用。所以對于管板的計算還要充分考慮換熱器的類型以及相互之間的支撐作用，最終來確定結構系數K。

以下是根據彎曲強度為主要依據，計算管板厚度tc的計算公式：

其中式中：C為附加厚度（mm）；Dc為管板計算直徑（mm）；K為結構系數，當管子為直管時，修正系數K=1.0；P為設計壓力（MPa）；為管板材料在設計溫度下的許用應力（MPa）。

在對管板的剪切強度計算時還應該充分考慮到開孔削弱系數，此時的計算公式為：

式中：t0為管孔中心距（mm）；d0為管子外徑（mm）；D0為布管區最外圈管子中心圓直徑（mm）。

在進行管板強度計算時還應該充分考慮管板的最小厚度、彎曲強度、剪切強度等因素，這樣才會根據實際情況準確計算出管板的實際強度。

2、管殼式換熱器的結構優化方法

2.1 Kern法

Kern法則是在Colburn Donohue法基礎之上進行的再次升級，其中設計的思路以整體為中心，著重從污垢、溫度分布、傳熱等問題思考。這樣可以對管殼式換熱器的設計有了進一步提高，也給后期的管殼式換熱器設計提供有效借鑒。

2.2 流路分析法

由于Bell2Delaware優化辦法存在一定的弊端，在此基礎上美國熱傳研究公司根據Tinker的流動模型為主要原理，對Bell2Delaware進行了再次創新，從而提出了流路分析法。我國的天津大學在1979年也提出了相應的流路分析法，其中主要是對管殼式換熱器的殼側壓降進行計算。為了便于計算，通過使用計算機再次簡化了計算流程。Johnson和Wills在1984年對流路分析進行了再次的簡化處理，同時也可以用人工的方式進行操作。這樣大大降低了計算的復雜程度以及優化使用方法，直接推動了管殼式換熱器的發展。

2.3 基于計算流體動力學的設計法

由于科學技術的不斷發展，在管殼換熱器設計、計算過程中不斷融入計算機技術。這樣直接降低了計算的復雜程度。此外，設計的不斷進一步優化也有效降低了設計生產成本以及有效提高經濟效益。其中管殼式換熱器的發展主要包括以下三個階段：

第一階段，對計算機進行編程處理。通過編制相應的程序對管殼式換熱器進行計算，這樣可以有效加快計算速度以及準確性，從代替傳統的復雜人工計算。 第二階段，對與計算機相互關聯的輔助系統進行再次優化，這樣可以有效確保系統的穩定運行，保證企業可以獲得更多的利潤以及有效降低企業的生產投資成本。第三階段，以數值傳熱學和流體動力學為原理，對管殼式換熱器的傳熱行為和三維流動進行數值模擬，這樣可以進一步對管殼式換熱器進行再次優化。

流體動力學的設計于之前的管殼式換熱器的設計相比更符合實際的發展需求，這樣也進一步增強了管殼式換熱器在實際使用中的適用性；對于以單級模型為依據的多級換熱系統模型來說，由于添加了復合式計算方法直接讓整體模型更為簡潔及適用性更高。但是就目前的管殼式換熱器優化方法來說還存在一定的弊端，因此需要我們不斷的進一步研究，爭取不斷彌補技術上的不足。

3、結束語

本文通過對管殼式換熱器強度計算及結構優化進行說明，希望有助于企業對管殼式換熱器的科學管理。但是就目前而言我國的管殼式換熱器在發展中還存在一定的弊端，因此應該投入更多的經歷不斷研究創新，從而可以更好的適應工業事業的發展。

參考文獻：

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