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        淺析管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)

        2016-10-19 00:15:11翟向輝李楠
        水能經(jīng)濟(jì) 2016年5期
        關(guān)鍵詞:問(wèn)題設(shè)計(jì)

        翟向輝 李楠

        【摘要】隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,國(guó)內(nèi)管殼式換熱器的研究及應(yīng)用得到了快速的發(fā)展,能夠進(jìn)一步滿(mǎn)足社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要,為我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)的穩(wěn)定、可持續(xù)性發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。本文通過(guò)管殼式換熱器的產(chǎn)品概述和工作原理介紹,分析管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題,然后進(jìn)一步分析工藝設(shè)計(jì)的原理以及方法,并通過(guò)選擇并確定合理的方法完善工藝設(shè)計(jì)。

        【關(guān)鍵詞】管殼式換熱器;設(shè)計(jì);問(wèn)題

        隨著人們生活水平質(zhì)量日益提高,細(xì)節(jié)品質(zhì)更加受到人們的重視。熱能作為人們?nèi)粘I詈凸ぷ髦胁豢苫蛉钡慕M成部分,其提供方式一直受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注,管殼式換熱器作為熱能提供的主要設(shè)備之一,始終受到普遍應(yīng)用和重視,其技術(shù)和發(fā)展速度又有所提高。但是還要不斷的結(jié)合先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行完善和創(chuàng)新,完善其工藝過(guò)程設(shè)計(jì),才能夠從根本上保障熱能的穩(wěn)定性和質(zhì)量。

        1、管殼式換熱器的概述

        1.1 管殼式換熱器的概念。管殼式換熱器憑借其諸多優(yōu)點(diǎn),得到了人們的認(rèn)可并且廣泛的應(yīng)用到生產(chǎn)和生活中,比如化工、石油以及能源等諸多領(lǐng)域,它是以封閉在殼體中的管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。其主要由殼體、傳熱管束、管板以及折流板等部件組成,其具有操作方便,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并且適合高溫和高壓工作等優(yōu)點(diǎn)。

        1.2 管殼式換熱器的工作原理。管殼式換熱器是通過(guò)傳熱管束來(lái)完成液體汽化成蒸汽或者蒸汽冷凝成液體等過(guò)程中的熱量傳遞,管殼式換熱器的殼體主要是以圓筒的形式為主,內(nèi)部有管束并且將其固定在管板的兩端,進(jìn)而將其分為兩種換熱流體。其一,管程流體,主要就是指在管束內(nèi)流動(dòng)的流體。其二,殼程流體,其主要就是指管外流動(dòng)的流體。同時(shí),殼體內(nèi)還設(shè)置有若干擋板,擋板不僅能夠使流體根據(jù)規(guī)定的路程進(jìn)行多次橫向的流動(dòng),還能夠有效的提高殼程流體的速度,從而有效的提高管外流體的傳熱系數(shù)。

        管板上的換熱管可分為等邊三角形和正方形兩種排列方式:其中等邊三角形的排列方式是通過(guò)增加換熱管之間的緊湊程度從而提高傳熱系數(shù),但不便于清洗;正方形的排列方式適用于比較容易產(chǎn)生結(jié)垢的流體,其優(yōu)點(diǎn)就是便于清洗。

        2、管殼式換熱器設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)

        2.1 存在鋼板、鋼管負(fù)偏差問(wèn)題。目前,我國(guó)管殼式換熱器結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中往往會(huì)面臨著鋼板以及鋼管負(fù)偏差的問(wèn)題,相關(guān)的設(shè)計(jì)人員必須要加以重視。鋼板的負(fù)偏差會(huì)導(dǎo)致管殼式換熱器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)不足。鋼管負(fù)偏差問(wèn)題主要可以分為兩大類(lèi):其一,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候管束存在著問(wèn)題,進(jìn)而會(huì)對(duì)管板和折流板管孔之間的公差精度造成一定的影響;其二,換熱管本身的材質(zhì)也會(huì)對(duì)管孔公差帶來(lái)一定的影響,從而在一定程度上直接影響到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的效果。

        2.2 劃類(lèi)、程數(shù)問(wèn)題。我國(guó)目前的實(shí)際配件能力還比較低,對(duì)于工藝性能的結(jié)構(gòu)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足工藝的基本要求。管殼式換熱器在壓力容器管理的時(shí)候,并沒(méi)有嚴(yán)格的按照相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)提出設(shè)計(jì)要求和制造技術(shù)的要求。并且在進(jìn)行類(lèi)別劃分的時(shí)候,并沒(méi)有按照相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何容積的取值,從而導(dǎo)致管殼式換熱器在劃類(lèi)和管程分程方面存在著比較大的問(wèn)題。

        2.3 熱處理問(wèn)題。管殼式換熱器的浮頭蓋以及管箱在進(jìn)行熱處理的時(shí)候面臨著一定的問(wèn)題,無(wú)法對(duì)低合金鋼以及碳鋼制的浮頭蓋以及管箱的側(cè)向進(jìn)行熱處理。另外,由于冷軋換熱管并沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的熱處理工作,進(jìn)而無(wú)法提高鋼管本身的耐應(yīng)力腐蝕,黃銅等有色金屬冷軋的換熱管也沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何的熱處理工作。

        3、前端管箱的選取原則

        在GB151中分別列出了A、B、C、N、D五種前端管箱型式,這五種前端管箱都是固定的形式。從其結(jié)構(gòu)上看,B型管箱維護(hù)時(shí),需要移去整個(gè)前端管箱,比較麻煩,但其造價(jià)便宜,適合清潔介質(zhì);A、C、N型管箱都可以通過(guò)拆除前端管箱的法蘭蓋進(jìn)行維護(hù);C型管箱的管板與管箱是集成一體的;N型管箱除管板管箱集成外,還將管板和殼體之間直接焊接,以減少泄漏;D型管箱為特殊高壓管箱。

        4、換熱管的選取原則

        在GB151中給出了不同材質(zhì)的常用管換熱規(guī)格和偏差。經(jīng)過(guò)計(jì)算,同樣的金屬材料和壁厚,小管徑的換熱管可以提供更大的換熱面積,管子排布更緊湊,造價(jià)更加便宜。以外徑分別為25mm和19mm,壁厚為2mm的換熱管為例計(jì)算,每立方米鋼材可以提供的換熱面積依次是0.379m2/m3和0.559m2/m3,后者比前者的換熱面積增加47.5%。因此在做換熱器設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)優(yōu)先選擇小外徑的換熱管。

        但是當(dāng)外徑小于19mm時(shí),進(jìn)行機(jī)械清理十分困難,只能用化學(xué)方法清理。所以易結(jié)垢結(jié)塊的物料不宜采用小外徑的換熱管,應(yīng)盡量采用外徑25mm及以上的管子。對(duì)于有汽液兩相流的物流,例如再沸器、鍋爐等,多采用32mm的外徑。

        5、管殼換熱器的工藝設(shè)計(jì)原理與方法

        5.1 Colburn2Donohue法。由于管殼式換熱器會(huì)受到殼側(cè)流動(dòng)以及傳熱過(guò)程中一些因素的影響,早在上個(gè)世紀(jì)三十年代由Colburn提出了以理想管排數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的殼側(cè)傳熱系數(shù)計(jì)算公式,但是由于換熱器內(nèi)部的流體傳熱和流動(dòng)阻力是同時(shí)進(jìn)行的,二者相互制約,所以導(dǎo)致這公式存在著一定的局限性。隨著時(shí)代的變化和發(fā)展,Donohue在Colburn公式的基礎(chǔ)上不斷的完善,在設(shè)計(jì)計(jì)算中加入了換熱器流體傳熱以及流動(dòng)阻力的考慮,從而提出了比較完整的管殼式換熱器綜合設(shè)計(jì)方法,即Colburn2Donohue法。

        5.2 Kern法。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,在Colburn2Donohue法的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的完善,由Kern對(duì)傳熱溫度的分布以及污垢結(jié)構(gòu)等方面的問(wèn)題進(jìn)行了綜合考慮,有利于管殼式換熱器的進(jìn)一步發(fā)展,被業(yè)內(nèi)廣泛的認(rèn)可,即Kern法,是目前管殼式換熱器的重要設(shè)計(jì)參考書(shū)。

        隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,社會(huì)各個(gè)行業(yè)對(duì)管殼式換熱器的需求日益增多,并且對(duì)其要求越來(lái)越高。為了能夠滿(mǎn)足社會(huì)各界對(duì)管殼式換熱器的需求,換熱器在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要注重以上所提到的問(wèn)題,并選擇合適的計(jì)算方法,從根本上保障換熱器的質(zhì)量和效率。

        參考文獻(xiàn):

        [1]NB/T47015-2011 壓力容器焊接規(guī)程 國(guó)家能源局.

        [2]張利銀.管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2013(12):107.

        [3]劉明言,林瑞泰,李修倫,黃鴻鼎.管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)[J].化學(xué)工程,2005(01):16-19.

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