浮頭式換熱器的結構改進

于鴻洲 張守偉

（山東旭洋機械集團股份有限公司，臨沂 276023）

浮頭式換熱器的結構改進

于鴻洲 張守偉

（山東旭洋機械集團股份有限公司，臨沂 276023）

本文分析浮頭式換熱器的結構，通過分析流體在浮頭式換熱器中的流動過程，探討結構局部過熱問題的產生原因，并提出結構的改進方案。經過分析，得到了利用旁路連接浮頭端和殼程的結構改進方法，從而有效解決了浮頭式換熱器的局部過熱問題。

浮頭式換熱器 結構 改進

引言

在現實生活中，使用浮頭式換熱器容易出現局部過熱現象，這與其內部存在結垢和堵塞等故障有著直接關系。而在化工生產中使用該種設備，則容易出現浮頭端局部過熱和結焦問題。分析導致設備故障的原因可以發現，該種換熱器結構相對復雜，容易導致內部結構故障，繼而導致局部因流體滯留而出現過熱問題。

1 浮頭式換熱器結構分析

圖1為換熱器機構。從結構組成上來看，浮頭式換熱器可以被劃分成管束、殼程進口、折流板、浮頭端管箱和殼程出口等幾部分。其中，管束結構可以抽出，所以換熱器具有清洗方便和適應性較強的特點。而浮頭端結構是較為復雜的結構，由浮頭蓋、圓筒、浮頭管板、外頭蓋側法蘭、外頭蓋及絲孔、鉤圈、鋼圈等組成[1]。

圖1 換熱器結構

2 基于浮頭式換熱器的結構改進分析

2.1 改進思路

在殼程中流體流動的過程中，浮頭式換熱器的能量交換滿足質量守恒和動量守恒定律。根據實際工程中換熱器的幾何尺寸和計算工況，則可以分析換熱器內部的流體流動情況。根據收集的數據可知，換熱器長度為2500mm，殼體直徑為600mm，折流板間距為500mm，管間距為44mm，浮頭端法蘭與管箱內壁的距離為10mm，換熱管直徑為25mm，折流板厚度為5mm。換熱器共有64個換熱管，采取的是正三角形排列方式，流體為水，密度和動力粘度分別為998.2kg/m3和0.001003MPa/s。而殼程的入口壓力為1.45MPa，直徑為150mm；殼程出口壓力為1.35MPa，直徑為150mm[2]。

2.2 流體流動過程分析

完成流體流動情況分析可以發現，流體在流經折流板缺口時，會受到折流板的作用。對殼程流體速度矢量分布情況進行分析，可以發現流體在折流板作用下會在殼程內反復擾流。流經法蘭與浮頭管箱內壁和勾圈的間隙后，流體會進入浮頭端管箱，并且出現明顯的速度變化。具體來講，就是在入口的位置時，流體擁有較快的流速，而到了浮頭端管箱后，流體速度會因為容積擴展而明顯降低。這種條件下，浮頭端管箱內將有低流速的區域形成。而隨著流體流速的降低和壓力的損失，流體會在管箱內出現滯留情況，繼而形成局部溫度升高的現象。

2.3 結構改進方法

流體滯留情況的存在，并不利于浮頭式換熱器進行熱量的交換。所以，要通過改進換熱器結構消除浮頭端的流體滯留現象。為達成這一目標，可以采取兩種結構改進方法。首先，可以使用旁路進行浮頭端和殼程入口連接，同時設置流出旁路，如圖2（a）所示。其次，可以利用旁路連接浮頭端和殼程，并設置流出旁路，如圖2（b）所示。

圖2 兩種結構方案示意圖

為獲得最佳的結構改進方法，需要對使用不同方法改進得到的浮頭式換熱器結構改進效果進行分析。在設置旁路時，需要在確保浮頭式換熱器結構尺寸不變的情況下，對換熱器垂直對稱面進行水平投影。在此基礎上，則可以將投影當成是旁路抽線，并在管箱上進行開口設置。在管箱下方，可以進行流出旁路的設置。在上方的開口處，則可以利用旁路將浮頭端和殼程連接起來。在下方開口處，可以利旁路量殼程入口與浮頭端連接起來。然而，進行旁路加設容易導致換熱器殼程流體流動受到影響，繼而使流體的流量受到影響。為避免這一問題出現，還要根據殼程容積和浮頭端管箱容積進行分析。根據二者的比值，可以將流入旁路內徑設為50mm，流出旁路的內徑則為40mm。

分析改進效果可以發現，經過改進的兩種結構的流體滯留問題都得到了一定程度的改善，并且殼程流體的形態和速度基本沒有變化。與此同時，流出旁路中的流體擁有較大的速度，所以可以認為流體在浮頭端的流動已經變得順暢。但是，使用旁路進行浮頭端和殼程入口的連接，將導致殼程入口流量受到影響。所以，應選擇利用旁路進行浮頭端和殼程連接的方式進行換熱器結構改進。

3 結論

總之，相較于管殼式換熱器，浮頭式換熱器具有適應性強、便于清洗和選材范圍廣等優點。但是，由于結構結構相對復雜，該種換熱器容易形成流體滯留浮頭管箱的問題，限制了換熱器的推廣應用。而利用本文提出的方法進行換熱器結構的改進，則能夠避免換熱器出現堵塞和結垢的問題，繼而有利于換熱器的推廣應用。

[1]郭建章，楊茜，姜大鵬.浮頭式換熱器的結構改進及流場模擬分析[J].青島大學學報：工程技術版，2014，（2）：116-120.

[2]張海峰，唐平.一種浮頭式管板換熱器的設計[J].科技信息，2011，（18）：362-363.

Improved Structure of Heat Exchangers

YU Hongzhou, ZHANG Shouwei
(Shandong Asahi machinery group, Limited by Share Ltd, Linyi 276023)

This paper analyses based on floating head for the structure of heat exchanger, through the analysis of the fluid in the floating head for the flow process in the heat exchanger and explore local overheating problem of structure causes, and put forward the improvement measures of the structure. After analysis, using bypass connection floating head and the shell structure improvement method, so as to effectively solve the floating head heat exchanger of local overheating problems.

floating head heat exchanger, structure, improvement