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        管殼式換熱器的優(yōu)化設計

        2016-10-14 19:06:36宋航斌
        科學與財富 2016年28期
        關鍵詞:優(yōu)化設計

        摘 要:熱交換器是進行熱量交換的高效設備,在許多行業(yè)中都有廣泛的應用,在實際應用中間壁式換熱器的應用最為廣泛。管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單,使用壽命長,工作范圍廣,應用材料廣泛等特點,管殼式換熱器在石油化工行業(yè)等高溫高壓大型換熱設備中應用比較廣泛。本論文對散熱器進行整體優(yōu)化設計。

        關鍵詞:管殼式換熱器 優(yōu)化 設計

        1.流體在熱交換器內(nèi)流動空間的選擇

        在合理設計時必須選出殼程流體和管程流體,在選擇時要遵循以下幾項原則:

        (1)換熱系數(shù)受到限制的那一側(cè)必須采取有效地加強換熱的措施,才會使傳熱面兩側(cè)的傳熱條件相接近。

        (2)以節(jié)省原材料為原則盡量提高經(jīng)濟性,特別是貴重部件,以降低制造成本。

        (3)結(jié)構(gòu)要合理,以便進行清洗積垢,保證運行的可靠性。

        (4)當熱交換器處于高溫時應盡量減小熱損失。

        (5)盡量減少殼體和管子之間的溫差熱應力,簡化整體結(jié)構(gòu)。

        (6)工作條件需要高壓時,應盡量使密封簡單可靠。

        (7)流體流動時,應保證便于流體的流入、分配和排出。

        符合以上原則的管程流動流體的合理情況有:容積流量小的流體;不清潔、易結(jié)垢的流體;壓力高的流體;有腐蝕性的流體;高溫流體或是低溫流體在裝置中流動。

        在殼程流動流體的合理情況有:容積流量大的流體;剛性結(jié)構(gòu)熱交換器換熱系數(shù)大的流體;飽和蒸汽。

        在實際的設計過程中以上原則之間總會存在一定的矛盾,在優(yōu)化設計時要充分考慮到經(jīng)濟性、實用性和合理性。

        2. 流體溫度和終溫的確定

        當流體流動方式和換熱面積最終確定時,流體的終溫可由平均溫差法來確定計算。實際運行時流體的溫度對換熱器的結(jié)構(gòu)和運行有著重大影響,因此在設計時就要事先決定加工的方式。對于多流程熱交換器,應盡量避免出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象,否則將使平均溫差下降。

        合理的選擇流體溫度和換熱終溫應遵循以下原則:

        (1)熱端溫差不大于20℃

        (2)冷端溫差不大于5℃

        (3)冷凝器中,冷流體初溫必須高于熱流體凝固點;對于含有不凝性氣體的冷凝,冷流體的初溫要低于被冷凝氣體的露點以下5℃。

        (4)空冷式熱交換器流體出口和空氣進口之間的溫差不能低于20℃。

        (5)多管程換熱器要盡量避免溫度交叉,必要時可將較小一端的溫差加大到20℃以上。

        此外,逐級加熱系統(tǒng)可以有效地提高平均溫差,提高換熱效率。

        3. 管子直徑的選擇

        采用小直徑的管子可以有效提高設備體表比,加強傳熱。小直徑的管子可以使單位體積的傳熱面大,因此可以使單位體積的換熱面積增大。根據(jù)計算,將同殼徑的換熱器由Φ25mm改為Φ19mm時,換熱面積可以增加25%。因此可以得出傳熱面一定時,采取小直徑的管子可以節(jié)省材料。但是節(jié)省材料的同時,我們增大了流動阻力,管數(shù)的增加增大了連接處泄露的可能性。管徑減小時,積垢就會變得容易。因此選取管徑時要合理的考慮,但總的趨勢是選擇小的管徑。

        選取管壁厚度時要考慮工作壓力,流體對管壁的腐蝕和脹管操作的要求等方面。選擇管子直徑和長度時要盡量選取標準化的管件,后期的運行檢修方便。

        4. 流體流動速度的選擇

        合理的流速對于換熱器是十分重要的,比較大的流速可以在一定限度內(nèi)提高換熱系數(shù),但是流速增加阻力也會隨之增加,阻力增加的速率還會高于換熱系數(shù)增加的速率。由阻力計算公式 可知,壓降和流速的相關性比較大,因此流速的最大值是由壓降所決定的,當壓降一定是時,最大流速也就確定了。

        在提高流速時還要考慮機械和結(jié)構(gòu)因素,流速提高應在避免水力沖擊、振動和沖蝕發(fā)生的前提下進行。在結(jié)構(gòu)上,提高流速,管數(shù)減小,為了保證換熱面積就必須增加管子的長度增多程數(shù),因此會使設備的結(jié)構(gòu)復雜,清洗維護的難度增加。實際操作中,為了達到合理的設計,流速一般都會低于最佳流速。

        5. 管殼式換熱器的振動與噪音優(yōu)化

        5.1 流體產(chǎn)生振動的原因

        管殼式換熱器運行時都會產(chǎn)生一定的震動,振動的原因可能為:殼側(cè)和管側(cè)流體流動引起;流體速度的脈動或波動引起;通過支架或管道傳播的動力機械振動引起等等。振動有時候可以是幾個不同的因素共同誘發(fā)的,有的可以預測改善,而像流體的流動引起的振動不是很容易進行控制。

        導致振動的原因主要有三個方面:渦流脫落、湍流抖振和流體彈性不穩(wěn)定。

        5.2 振動的預測和預防

        由于振動會對設備造成很大的危害,因此在設計時就要充分考慮到誘發(fā)振動的因素,并將這種可能性降到最低。消除換熱器管束中的偏振是防止振動的主要方式。進行防振和降振的方法有:

        (1)降低殼側(cè)的流速 假如殼側(cè)的流量不變,可以增大管距。這種方法會增大殼體直徑或增加管子的長度

        (2)增加管子的固有頻率 管子的固有頻率和支撐跨距的平方呈反比,因而減小支撐跨距可以增加管子的固有頻率。

        (3)提高聲震頻率 在殼體中加入減震板,寬度方向和橫流方向平行同時長度方向和管子軸線平行,這樣可以提高聲震頻率,使其與渦流脫落、湍流抖振的頻率不相同。

        (4)在結(jié)構(gòu)方面,增加折流板的厚度 當孔的間隙一定時,能減輕流體對管子的剪切作用,從而增加系統(tǒng)的阻尼。通常減小振動的方法是在折流板的管孔兩邊加工一定角度的倒角。

        除了以上的注意事項以外,還應該注意運行中的操作。嚴格的控制流體流速和流量,合理分配管路等。

        6. 管殼式換熱器的熱補償優(yōu)化

        由于材料的熱脹冷縮的性質(zhì),管子的兩側(cè)溫度不同時就會產(chǎn)生熱應力,溫差越大熱應力就會越大,這種力會引起管子的彎曲變形、管口松裂,泄露等破壞的情況發(fā)生。

        為了解決熱應力的破壞問題通常采用熱補償?shù)姆椒?,主要有?/p>

        (1)減少管子與殼體的溫差,管壁溫度接近換熱系數(shù)比較大的流體的溫度,因此可以將換熱系數(shù)大的流體通過管程,溫度比較低時可以進行保溫。

        (2)裝置撓性構(gòu)件 在殼體上裝上具有膨脹結(jié)構(gòu)的膨脹節(jié)使殼體有一定的膨脹適應作用,因此可以消除一部分的熱應力。

        (3)使殼體和管束都可以自由伸縮 殼體和管束都有膨脹機構(gòu)可以完全消除熱應力。在浮頭式換熱器和U型管式換熱器中應用比較多。

        (4)彈性管板補償 在高溫高壓條件下工作的管板,其強度要求和減少熱應力的要求是相互矛盾的,板厚和熱應力的大小是此消彼長的。因此可以在管板的軸向和徑向來消除熱應力。

        (5)雙套管溫度補償 這種方法多在高溫高壓的情況下采用管程流體出入口和一個環(huán)形空間相連接,使管內(nèi)流體和殼程流體的溫差減少,完全消除熱應力。

        管殼式換熱器的優(yōu)化設計,在設計過程中從換熱面積的優(yōu)化,換熱溫差的優(yōu)化等方面入手,結(jié)合所用材料的特性進行優(yōu)化。作為一個廣泛應用的換熱器,管殼式換熱器在實際的應用運行過程中,還可以進行運行過程的優(yōu)化。運行的優(yōu)化在工業(yè)生產(chǎn)中有十分重要的作用,本論文就是在實際運行中對換熱器進行相應的優(yōu)化設計的。

        參考文獻

        [1]管殼式換熱器的形式與性能 王建國 2007。59~60。

        [2]《換熱器原理與設計》,史美中、王中錚。東南大學出版社2011版58~63。

        [3]管殼式換熱器的優(yōu)化設計 ,王元文,2003年第3期, 44~46

        [4]《換熱器原理及計算》,朱聘冠,清華大學出版社。1987年第一版,252~257.

        作者簡介:

        宋航斌(1989-01),男,籍貫:山東省萊陽市,學歷:本科學歷,助理工程師,研究方向:電力工程。

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