胡涌濤*

（呼倫貝爾金新化工有限公司）

0 前言

某公司生產(chǎn)裝置中的蒸汽冷凝器為固定管板形式的管殼式換熱器，管程介質(zhì)為循環(huán)水，用來(lái)冷卻殼程介質(zhì)蒸汽。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，大量蒸汽無(wú)法完全冷凝而就地排放，造成了大量的能量浪費(fèi)，同時(shí)該設(shè)備的換熱管與管板焊接處出現(xiàn)多處嚴(yán)重腐蝕并泄漏。初步分析引起上述兩個(gè)問(wèn)題的原因?yàn)閾Q熱器換熱能力不夠和換熱管與管板材質(zhì)選用不當(dāng)，因此決定對(duì)該換熱器進(jìn)行重新選型。

在重新選型的過(guò)程中，需要繪制出該換熱器的工程圖以便進(jìn)行采購(gòu)，其工程圖的內(nèi)容應(yīng)包括設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、外形尺寸、換熱面積、接管規(guī)格以及其他特殊要求等[1-3]。

1 選型設(shè)定

1.1 結(jié)構(gòu)形式選擇

由于熱交換介質(zhì)為蒸汽和循環(huán)水，因此新選型設(shè)備管程介質(zhì)為水，殼程介質(zhì)為蒸汽，殼程與管程介質(zhì)流向?yàn)槟媪?。該設(shè)備的工藝條件可見(jiàn)表1。

根據(jù)表1 可知，可選擇換熱器形式為固定管板式，管程和殼程均為單程，換熱管選用三角形排列方式。由于原設(shè)備碳鋼材質(zhì)換熱管腐蝕嚴(yán)重，因此換熱管材質(zhì)選用304鋼材[4-5]。

表1 換熱器工藝參數(shù)表

1.2 接管規(guī)格

參照標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20570—1995《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，殼程入口低壓蒸汽流速取35 m/s，由式（1）可確定管徑D=399 mm，可整定為 400 mm[6-7]。

當(dāng)筒體內(nèi)冷凝液位高為0.02 m 時(shí)，冷凝液流出筒體時(shí)的速度為0.62 m/s，由表1 可知冷凝液流量為2.44×10-3m3/s，初步選定冷凝液流出管口直徑為DN 80 mm。當(dāng)管徑為DN 80 mm 時(shí)，流量能夠達(dá)到3.12×10-3m3/s，可以滿足實(shí)際冷凝液的流量。

管程循環(huán)水流量設(shè)定為1 m/s，由表1 中流量可計(jì)算出管程進(jìn)出口管內(nèi)徑為276 mm，公稱直徑為DN 250 mm,實(shí)際流速能夠達(dá)到1.21m/s，符合常規(guī)設(shè)計(jì)要求。 管程循環(huán)水應(yīng)低進(jìn)高出，殼程蒸汽從高處進(jìn)、冷凝液從低處出。

1.3 外形尺寸確定

由于受到現(xiàn)場(chǎng)安裝條件限制，更換的新設(shè)備只能安裝在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上，即新設(shè)備的鞍座間距與舊設(shè)備同為L(zhǎng)'=1 870 mm，管束長(zhǎng)度L選取時(shí)需根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》中規(guī)定，L'/L=0.5 ～0.7，選定管束長(zhǎng)度為L(zhǎng)=3 500 mm[8-10]。

殼程筒體直徑需待換熱面積確定后計(jì)算得出，兩側(cè)管箱尺寸不受限制，由該設(shè)備裝配圖設(shè)計(jì)階段自行確定。

2 換熱面積的確定

2.1 換熱面積計(jì)算

計(jì)算換熱面積時(shí)采用穩(wěn)態(tài)傳熱方程：

換熱面積可由多個(gè)因素共同確定，先預(yù)估總傳熱系數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行校核[1]。

2.1.1 熱負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)能量守恒原理，熱負(fù)荷與蒸汽比焓的降低量與循環(huán)水比焓的升高量相同，可列出熱平衡方程式：

由式（3）可計(jì)算出熱負(fù)荷Q＝2 290×103W 。

2.1.2 平均溫差計(jì)算

平均溫差可通過(guò)下式計(jì)算[10]：

FT—— 溫差的修正系數(shù)，單管程取FT=1；

ΔT2，ΔT1—— 換熱管內(nèi)外流體的較大和較小溫差，K；

由式（4）可計(jì)算得到平均溫差ΔT=13.8 K 。

2.1.3 筒體內(nèi)徑的確定

式中：DL——布管限定圓直徑，K；

d0—— 換熱管外徑，m；

PR——管心距與管外徑的比值；

CL—— 換熱管排列角度對(duì)直徑的影響系數(shù)；

CPT——管程數(shù)對(duì)直徑的影響系數(shù)。換熱管三角形排列，CL=0.87，CTP=0.85,由式（5）計(jì)算出布管限定圓直徑DL=571 mm,整定后取筒體內(nèi)徑D=600 mm[4]。

2.2 校核

校核的過(guò)程為通過(guò)傳熱系數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算出傳熱系數(shù)，再通過(guò)式（2）計(jì)算出換熱面積，將結(jié)果與實(shí)際換熱面積進(jìn)行比較，如果該結(jié)果接近實(shí)際換熱面積，說(shuō)明在該傳熱系數(shù)下的換熱面積能夠滿足使用要求。傳熱系數(shù)計(jì)算式如下：

式中：K—— 熱傳導(dǎo)系數(shù)， W /（m2·K）；

h0——?dú)こ探橘|(zhì)傳熱膜系數(shù)，W /（m2·K）；

h1—— 循環(huán)水傳熱膜系數(shù)，W /（m2·K）；

di—— 換熱管內(nèi)徑，m；

d0—— 換熱管外徑，m；

r0—— 殼程介質(zhì)污垢熱阻，W /（m2·K）；

r1—— 循環(huán)水污垢熱阻，W /（m2·K）；

dav—— 換熱管平均直徑，m；

lw——管壁厚度，m；

λw—— 管壁材料熱導(dǎo)率，W /（m·K）。

2.2.1 管程介質(zhì)傳熱膜系數(shù)

式（6）中，hi=3 373（1+0.014T）U0.85。U為水在管內(nèi)的流速，通過(guò)換熱管規(guī)格數(shù)量和總的循環(huán)水流量計(jì)算得到U=0.7 m/s，T為循環(huán)水的平均溫度，T=33.5 ℃，因此，hi=3 666.6 W /（m2·K）。

2.2.2 殼程介質(zhì)傳熱膜系數(shù)

由于殼程介質(zhì)存在相變，需按照氣相和液相兩種狀態(tài)分別計(jì)算出傳熱膜系數(shù)。

通過(guò)Kern 法計(jì)算蒸汽冷卻至98 ℃時(shí)傳熱膜系數(shù)h0=3 481 W /（m2·K）；98 ℃時(shí)蒸汽變?yōu)槔淠旱膫鳠崮は禂?shù)為hcm=8 058 W /（m2·K）。

2.2.3 總傳熱系數(shù)

分別將hi，h0和hi，hcm兩組數(shù)據(jù)代入式（6），得出氣相冷卻總傳熱系數(shù)Kcool= 177.4 W /（m2·K），冷凝的總傳熱系數(shù)Kcool= 2 032.2 W /（m2·K）。

因此，假定總傳熱系數(shù)K=2 000 W/（m2·K）時(shí)，通過(guò)傳熱系數(shù)計(jì)算公式校核出的換熱面積與穩(wěn)態(tài)傳熱方程算出的換熱面積最為接近，該換熱器的換熱面積能夠達(dá)到使用要求。若將總傳熱系數(shù)假定為3 000或4 000 W/（m2·K），則得到的換熱面積與傳熱系數(shù)計(jì)算公式校核得到的換熱面積相差過(guò)大，不符合使用要求。

3 繪制工程圖

根據(jù)確定的設(shè)備參數(shù)，繪制出工程圖，詳見(jiàn)圖1，并結(jié)合整個(gè)裝置原系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所采用的標(biāo)準(zhǔn)體系，編制出工程圖對(duì)應(yīng)的管口表，詳見(jiàn)表2，其工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見(jiàn)表3。

圖1 蒸汽冷凝器工程簡(jiǎn)圖（單位：mm）

表2 換熱器管口表

表3 工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)表

4 結(jié)論

列管式換熱器的基礎(chǔ)參數(shù)一般體現(xiàn)在工程圖中，而后交由設(shè)備設(shè)計(jì)人員進(jìn)行詳細(xì)的裝配圖及零件圖設(shè)計(jì)。不同的現(xiàn)場(chǎng)和工藝條件下，熱交換器的工程圖參數(shù)也會(huì)不同，一般是先將某些未知參數(shù)進(jìn)行估算及假設(shè)后，再對(duì)假設(shè)結(jié)果進(jìn)行校核。

熟練使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是壓力容器的設(shè)計(jì)工作的前提，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為每一個(gè)數(shù)據(jù)的選擇提供依據(jù)；同時(shí)也能使設(shè)備的制造成本和安全性得到最佳平衡。