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        淺談U形管式換熱器設(shè)計

        2017-04-11 02:52:32吳成義張磊曹野
        科學與財富 2017年7期
        關(guān)鍵詞:換熱器

        吳成義++張磊+++曹野

        摘 要:管殼式換熱器具有可靠性高、適應(yīng)性廣等特點,在各工業(yè)領(lǐng)域中得到最為廣泛的應(yīng)用。近年來盡管受到了其他新型換熱器的挑戰(zhàn),單反過來也促進的其自身的發(fā)展。在換熱器向高參數(shù)大型化發(fā)展的今天,管殼式換熱器仍占主導地位。根據(jù)管殼式換熱器結(jié)構(gòu)特點,可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式和釜式重沸器等,本文主要介紹U形管式換熱器的設(shè)計優(yōu)缺點和設(shè)計中需要注意的問題。

        關(guān)鍵詞:換熱器;管殼式換熱器;U形管式換熱器

        引言

        U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點是,只有一塊管板,管束由多根U形管組成,換熱管的兩端固定在同一塊管板上,管子可以自由伸縮,當殼體與U形換熱管有溫差時,不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。

        但由于受彎管曲率半徑的限制,其換熱管排布較少,管束最內(nèi)層管間距較大,管板的利用率較低;殼層流體易容易形成短路,對傳熱不利,當管子泄漏或損壞時,只有管束外圍處的U形管才便于更換,內(nèi)層換熱管壞了不易更換,最直接的辦法就是堵死,這就相當于壞一根U形管相當于壞兩根直管;如若更換,在工作量上就相當巨大,就不如直接更換管束部件。

        U形管式換熱器的最大特點就是結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜,承壓能力強,適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)結(jié)垢需要去清洗,又不適于采用浮頭式和固定管板的場合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性強的物料。

        一、設(shè)計中常見問題

        1、材料方面

        換熱器千變?nèi)f化,其使用材料也是各種各樣,材料不同,其使用功能也有一定的差異,影響著換熱器的換熱效果,所以材料的選擇在換熱器的設(shè)計中非常重要。另一方面,在材料的選擇上,需要考慮的因素比較多,比如客戶的喜好、換熱器運行的環(huán)境、使用人員的不同、工藝的要求、體型的差異等等。但是在實際設(shè)計的時候,仍然會出現(xiàn)各種的干擾因素,影響對換熱器材料的選擇。比如用戶要求降低厚度,那么設(shè)計人員又要重新根據(jù)這一要求進行再次的計算,檢驗,然后重新做出設(shè)計方案;當然,也有客戶認為壁厚不夠要求增加的,這時候設(shè)計人員就應(yīng)該對用材進行重新選擇,既可以滿足客戶要求,又能達到受力及耐腐蝕條件,還可以節(jié)約成本。

        2、管板方面

        管板是管殼式換熱器最重要的零件之一,用來排布換熱管,將管程和殼程的流體分隔開來,避免冷、熱流體混合,并同時受管程、殼程壓力和溫度的作用。

        材料上,在選擇材料時,除力學性能外,還應(yīng)考慮管程和殼程流體的腐蝕性,以及管板和換熱管之間的電位差對腐蝕的影響。當流體無腐蝕或輕微腐蝕時,管板一般采用壓力容器常用的碳素鋼和低合金鋼板或鍛件制造;當流體腐蝕性較強時,管板應(yīng)采用不銹鋼、銅、鈦等耐腐蝕性材料,或者計算厚度較大時,采用復合管板以降低管板厚度。

        結(jié)構(gòu)上,當換熱器承受高溫、高壓時,高溫和高壓對管板的要求是矛盾的。增大厚度可以提高承壓能力,兩側(cè)流體溫差加大時,降低厚度卻又能降低管板的熱應(yīng)力,但承壓能力隨之降低。因此在滿足強度的前提下應(yīng)盡量降低管板厚度。

        另外由于U形管受彎管曲率半徑的影響,多數(shù)管板中間隔板處基本不排管,因此在設(shè)計過程中可以在滿足最小彎曲半徑的前提下,中間可考慮斜布管以增加排管數(shù)量(如圖1),另外由于多管程排管過程中,中間不排管,應(yīng)在設(shè)計過程中增加類似旁路擋板的拉桿或假管(如圖2),以防止物料在殼程中發(fā)生短路,如下圖

        3、換熱管方面

        換熱管的形式除了光管外,還可以采用各種各樣的強化傳熱管,如翅片管,螺旋槽管,螺紋管等。換熱管的尺寸主要有14,19,25,38等,采用小直徑管,可使單位體積的傳熱面積增大,結(jié)構(gòu)緊湊,金屬耗量減少傳熱系數(shù)提高。經(jīng)計算,將同筒徑的換熱器的換熱管由25改為19,其傳熱面積可增加40%左右,節(jié)約金屬20%以上。但小管徑流體阻力大,不便于清洗,易結(jié)垢堵塞。所以一般大直徑管子用于黏性較大或污濁的流體,小直徑的管子用于較清潔的流體。因此如何選擇較合理的筒徑和換熱管的尺寸,從而做到既經(jīng)濟又合理,是設(shè)計者的主要任務(wù)。

        二、換熱器的優(yōu)化設(shè)計

        很多時候設(shè)計者再換熱器的設(shè)計中出于麻煩的考慮,往往在筒徑和換熱管尺寸方面只按照自身習慣考慮,往往忽略了對換熱器尺寸的綜合考慮,比如壓降大時對折流板的選擇形式和缺口方向,以及布管角度不聞不問,這是設(shè)計者對產(chǎn)品缺少漏失,很大程度上是對材料的一種浪費。

        只有對換熱器進行科學設(shè)計,綜合全面的考慮各種可能出現(xiàn)的情況,才能最大限度的保證換熱器的質(zhì)量,保障其安全生產(chǎn),其設(shè)計質(zhì)量的好壞,直接決定著其在生產(chǎn)過程中能夠發(fā)揮的價值,對于工業(yè)來說非常重要。因此,相關(guān)設(shè)計人員在進行換熱器的設(shè)計的時候,一定要考慮全面,尤其是對于容易出現(xiàn)漏洞的地方,要經(jīng)過反復的核查、檢驗,只有這樣才能確提升換熱器的性能,在國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中,發(fā)揮出其應(yīng)有的價值。

        參考文獻:

        [1]GB151-2014《熱交換器》

        [2]周新房.淺談化工壓力容器設(shè)計選材問題[J].科技視界.2014(26)

        [3]《換熱器設(shè)計手冊》錢頌文2002.8

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