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

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器 優(yōu)化 設(shè)計(jì)

1.流體在熱交換器內(nèi)流動(dòng)空間的選擇

在合理設(shè)計(jì)時(shí)必須選出殼程流體和管程流體，在選擇時(shí)要遵循以下幾項(xiàng)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(qiáng)換熱的措施，才會(huì)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(jì)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(jìn)行清洗積垢，保證運(yùn)行的可靠性。

（4）當(dāng)熱交換器處于高溫時(shí)應(yīng)盡量減小熱損失。

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

（6）工作條件需要高壓時(shí)，應(yīng)盡量使密封簡(jiǎn)單可靠。

（7）流體流動(dòng)時(shí)，應(yīng)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(dòng)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(dòng)。

在殼程流動(dòng)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(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中以上原則之間總會(huì)存在一定的矛盾，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和合理性。

2. 流體溫度和終溫的確定

當(dāng)流體流動(dòng)方式和換熱面積最終確定時(shí)，流體的終溫可由平均溫差法來(lái)確定計(jì)算。實(shí)際運(yùn)行時(shí)流體的溫度對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行有著重大影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就要事先決定加工的方式。對(duì)于多流程熱交換器，應(yīng)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(yīng)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(diǎn)；對(duì)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(diǎn)以下5℃。

（4）空冷式熱交換器流體出口和空氣進(jìn)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(shí)可將較小一端的溫差加大到20℃以上。

此外，逐級(jí)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(shè)備體表比，加強(qiáng)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(jì)算，將同殼徑的換熱器由Φ25mm改為Φ19mm時(shí)，換熱面積可以增加25%。因此可以得出傳熱面一定時(shí)，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(shí)，我們?cè)龃罅肆鲃?dòng)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(shí)，積垢就會(huì)變得容易。因此選取管徑時(shí)要合理的考慮，但總的趨勢(shì)是選擇小的管徑。

選取管壁厚度時(shí)要考慮工作壓力，流體對(duì)管壁的腐蝕和脹管操作的要求等方面。選擇管子直徑和長(zhǎng)度時(shí)要盡量選取標(biāo)準(zhǔn)化的管件，后期的運(yùn)行檢修方便。

4. 流體流動(dòng)速度的選擇

合理的流速對(duì)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(huì)隨之增加，阻力增加的速率還會(huì)高于換熱系數(shù)增加的速率。由阻力計(jì)算公式 可知，壓降和流速的相關(guān)性比較大，因此流速的最大值是由壓降所決定的，當(dāng)壓降一定是時(shí)，最大流速也就確定了。

在提高流速時(shí)還要考慮機(jī)械和結(jié)構(gòu)因素，流速提高應(yīng)在避免水力沖擊、振動(dòng)和沖蝕發(fā)生的前提下進(jìn)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(zhǎng)度增多程數(shù)，因此會(huì)使設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清洗維護(hù)的難度增加。實(shí)際操作中，為了達(dá)到合理的設(shè)計(jì)，流速一般都會(huì)低于最佳流速。

5. 管殼式換熱器的振動(dòng)與噪音優(yōu)化

5.1 流體產(chǎn)生振動(dòng)的原因

管殼式換熱器運(yùn)行時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的震動(dòng)，振動(dòng)的原因可能為：殼側(cè)和管側(cè)流體流動(dòng)引起；流體速度的脈動(dòng)或波動(dòng)引起；通過(guò)支架或管道傳播的動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)引起等等。振動(dòng)有時(shí)候可以是幾個(gè)不同的因素共同誘發(fā)的，有的可以預(yù)測(cè)改善，而像流體的流動(dòng)引起的振動(dòng)不是很容易進(jìn)行控制。

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

5.2 振動(dòng)的預(yù)測(cè)和預(yù)防

由于振動(dòng)會(huì)對(duì)設(shè)備造成很大的危害，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就要充分考慮到誘發(fā)振動(dòng)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(dòng)的主要方式。進(jìn)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(huì)增大殼體直徑或增加管子的長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)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(dāng)孔的間隙一定時(shí)，能減輕流體對(duì)管子的剪切作用，從而增加系統(tǒng)的阻尼。通常減小振動(dòng)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(xiàng)以外，還應(yīng)該注意運(yùn)行中的操作。嚴(yán)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(bǔ)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(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，溫差越大熱應(yīng)力就會(huì)越大，這種力會(huì)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(yīng)力的破壞問(wèn)題通常采用熱補(bǔ)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(guò)管程，溫度比較低時(shí)可以進(jìn)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(yīng)作用，因此可以消除一部分的熱應(yīng)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(jī)構(gòu)可以完全消除熱應(yīng)力。在浮頭式換熱器和U型管式換熱器中應(yīng)用比較多。

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

（5）雙套管溫度補(bǔ)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(gè)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(yīng)力。

管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)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(jìn)行優(yōu)化。作為一個(gè)廣泛應(yīng)用的換熱器，管殼式換熱器在實(shí)際的應(yīng)用運(yùn)行過(guò)程中，還可以進(jìn)行運(yùn)行過(guò)程的優(yōu)化。運(yùn)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(shí)際運(yùn)行中對(duì)換熱器進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的。

參考文獻(xiàn)

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

作者簡(jiǎn)介：

宋航斌（1989-01），男，籍貫：山東省萊陽(yáng)市，學(xué)歷：本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：電力工程。